Глава XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

§ 218. Понятие о ядерных реакциях

В предыдущей главе мы познакомились с кругом явлений радиоактивности. Мы убедились, что атомные ядра радиоактивных элементов неустойчивы, т.е. с течением времени они распадаются, испуская - или -частицы и превращаясь в ядра других элементов. Эти факты доказывают, что атомные ядра, несмотря на свои ничтожные размеры, являются сложными частицами, построенными из других, более простых частиц. Как было уже отмечено, радиоактивность не только свидетельствует о сложном строении атомных ядер, но также дает средства для изучения этого строения.

Одним из таких средств являются быстрые -частицы, способные проникать внутрь легких ядер и расщеплять их на части. Расщепление атомного ядра под действием -частиц впервые наблюдал Резерфорд (в 1919г.). Продолжая опыты, описанные в § 203, он заметил, что при облучении -частицами азота, бора и других элементов возникают новые частицы, также создающие сцинтилляции, но отличающиеся от -частиц большей проникающей способностью. С помощью магнитного отклонения и других методов удалось установить заряд и массу, а тем самым природу этих частиц. Они оказались быстродвижущимися ядрами атомов водорода. (Напомним, что ядро водородного атома, или, как его называют, протон, обладает массой, очень близкой к 1 а. е. м., и зарядом .)

Процесс испускания протонов был изучен с помощью камеры Вильсона. Внутрь камеры Вильсона, заполненной азотом, помещался -радиоактивный препарат. Периодически производилось расширение камеры и фотографирование получающейся картины. На снимках наблюдался веер следов -частиц, исходящих из препарата (рис. 394, а). В подавляющем большинстве следы прямолинейны. В некоторых случаях, однако, след -частицы на некотором расстоянии от конца пробега образует «вилку» (схема на рис. 394, б) — разветвляется на два неравных следа, из которых длинный () тоньше, а короткий () жирнее следа -частицы. Образование такой «вилки» нельзя объяснить иначе, как результатом соударения -частицы с ядром атома азота.

Рис. 394. Расщепление ядра азота к частицей в камере Вильсона: а) фотография следов в камере: б) схема следов «вилки»;  —след -частицы, столкнувшейся в точке  с ядром азота,  и  — следы продуктов расщепления — протона и ядра кислорода

Опираясь на наблюдения Резерфорда, мы должны приписать один из следов «вилки» протону. Ввиду меньшего заряда протон действует на атомные электроны с меньшей силой, чем -частица. Поэтому протон производит меньшую ионизацию на единице пути и образует в камере Вильсона более тонкий след. Более жирный след принадлежит частице, ионизующей сильнее -частицы и обладающем, следовательно, большим зарядом.

Природу этой частицы можно установить, используя законы сохранения заряда и массы. До соударения мы имели две частицы: 1) -частицу (т. е. ядро атома гелия) с зарядом +2 единицы и массой 4 единицы и 2) ядро атома азота с зарядом +7 единиц и массой 14 единиц. Суммарный заряд равен +9 единиц, суммарная масса 18 единиц. После соударения также имеются две частицы, одна из которых является протоном (т. е. ядром атома водорода) с зарядом +1 и массой 1. На долю второй частицы остается заряд +8 и масса 17.

Восьмым элементом периодической системы является кислород. Таким образом, рассматриваемая «вилка» указывает на явление превращения ядер азота и гелия в ядра кислорода и водорода.

Вслед за открытием Резерфорда были найдены и другие подобные процессы, в которых происходит превращение ядер (а следовательно, и атомов) одних элементов в ядра (атомы) других элементов. Такие процессы получили название ядерных реакций.

Символически ядерная реакция азот + гелий = кислород + водород записывается следующим образом;

.                                                          (218.1)

При такой записи реакции верхняя строка цифр представляет запись условия сохранения массы (), а нижняя — условия сохранения заряда ().