§ 141. Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность

Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено внутриядерными процессами, т. е. изменениями, происходящими внутри атомных ядер. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра. Эффективным средством такого воздействия оказалась бомбардировка атомных ядер частицами высокой энергии (от нескольких миллионов до десятков миллиардов электрон-вольт).

Рис. 383

Первоначально в качестве бомбардирующих частиц использовались -частицы радиоактивного излучения. В дальнейшем стали применять и другие заряженные частицы, предварительно сообщая им очень большую скорость (кинетическую энергию) в специальных ускорителях, например в циклотронах (см. § 102). Кроме того, теперь используются потоки заряженных и нейтральных частиц, создаваемые ядерными реакторами (см. § 143).

Процесс превращения атомных ядер, обусловленный воздействием на них быстрых элементарных частиц (или ядер других атомов), называется ядерной реакцией.

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Резерфордом, превратившим атомные ядра азота в ядра изотопа кислорода; в качестве бомбардирующих частиц использовались -частицы естественного радиоактивного излучения. Реакция проводилась в камере Вильсона, наполненной азотом. После -облучения азота в рабочем объеме камеры появились атомы изотопа кислорода и атомные ядра водорода, т. е. протоны.

Данная реакция протекает следующим образом (рис. 383): -частица попадает в атомное ядро азота и поглощается им. Образующееся при этом промежуточное ядро (ядро изотопа фтора оказывается неустойчивым: оно мгновенно выбрасывает из себя один протон, превращаясь в атомное ядро изотопа кислорода 8017. Эту реакцию можно записать так:

или

Сейчас пользуются еще более сокращенным способом записи ядерных реакций. После символа ядра-мишени указывают в скобках бомбардирующую частицу и все другие частицы, появляющиеся в результате реакции; за скобкой ставят символ ядра-продукта (атомный номер элемента обычно не пишут). Применительно к рассматриваемой реакции этот способ записи выглядит так:

На рис. 384, а приведена фотография, на которой зафиксирован процесс превращения одного из атомных ядер азота в камере Вильсона. Веерообразно расходящиеся белые нити являются треками -частиц.

Рис. 384

На конце одного из треков (точка имеется характерное разветвление — «вилка» (ее схема дана на рис. 384, б). Здесь -частица вклинилась в ядро азота, в результате чего образовались ядро изотопа кислорода и протон. Короткий толстый трек ядра кислорода направлен влево вверх, а длинный тонкий трек протона — вправо вниз.

Таким образом, опыт Резерфорда подтвердил возможность осуществления искусственных ядерных реакций и вместе с тем непосредственно показал, что протоны входят в состав атомных ядер и могут быть выделены (выбиты) из этих ядер.

Как видно на фотографии (см. рис. 384, а), лишь немногие -частицы попадают в ядро и вызывают ядерную реакцию. Это объясняется, во-первых, тем, что атомные ядра расположены сравнительно далеко друг от друга, и, во-вторых, тем, что между положительно заряженным ядром и -частицей возникают (при их сближении) очень большие кулоновские силы отталкивания; поэтому в ядро может вклиниться только -частица, обладающая достаточно высокой энергией. В этой связи отметим, что наиболее эффективными снарядами для обстрела атомных ядер являются нейтральные частицы (особенно нейтрон), поскольку между ними и ядрами нет электростатического отталкивания.

Рассмотрим еще одну ядерную реакцию (проведенную в 1932 г. английским физиком Чедвиком), в результате которой был впервые обнаружен нейтрон. При бомбардировке бериллиевой пластинки -частицами (рис. 385) ядро бериллия захватывает -частицу и, испуская нейтрон превращается в ядро углерода

Нейтроны, вылетающие из бериллия, направляются в камеру Вильсона, наполненную азотом. При попадании нейтрона в ядро азота образуются ядро бора и -частица:

Сам нейтрон не дает трека в камере (см. рис. 385), но по трекам ядра бора и -частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в 1 а. т. е. нейтроном.

Отметим, что свободный нейтрон существует недолго. Он либо вступает в ядерную реакцию с каким-нибудь атомным ядром, либо превращается в протон, испуская -частицу и нейтрино: Следовательно, нейтрон радиоактивен; согласно опытным данным, его период полураспада составляет около 11,7 мин (см. примечание на стр. 527).

Рис. 385

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц (в том числе -фотонов). Продукты многих ядерных реакций оказываются радиоактивными; их называют искусственно радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри.

Примером получения радиоактивных изотопов может служить реакция захвата нейтронов фосфором При этом захвате испускается -фотон и образуется радиоактивный изотоп фосфора

Период полураспада изотопа фосфора дня; распад ядра изотопа, сопровождающийся испусканием -частицы, ведет к образованию стабильного изотопа серы

Как и естественно радиоактивным веществам, искусственно радиоактивным изотопам свойственны и -распады. Однако имеются и такие искусственно радиоактивные изотопы, которые обладают

позитронным распадом, т. е. испускают позитроны (см. § 139 и 145). Примером образования позитронно радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия -частицами, открытая Жолио-Кюри. В данном случае ядро алюминия испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора период полураспада которого мин. Этот изотоп, испуская позитрон превращается в стабильный изотоп кремния Реакция идет по схеме:

В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы получают путем облучения (главным образом нейтронного) соответствующих химических элементов в ядерном реакторе.

В настоящее время получено по нескольку изотопов для каждого химического элемента; их общее число превышает 1 500. Многне из них широко применяются в качестве меченых атомов (см. § 146) в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности.

(см. скан)В таблице приведены характеристики некоторых искусственных радиоактивных изотопов, наиболее употребляемых в биологии и сельском хозяйстве. С помощью этих изотопов исследуются процессы питания сельскохозяйственных растений и животных, миграция насекомых, фотосинтез, передвижение грунтовых вод, проводится радиоактивное облучение семян, ведется борьба с вредителями сельскохозяйственных растений и (см. § 146).

Для уничтожения вредителей зерна практикуется его облучение перед засыпкой в элеваторы гамма-лучами радиоактивного изотопа кобальта При этом погибают личинки амбарного долгоносика и других опасных вредителей, но полностью сохраняются питательные и хлебопекарные свойства зерна.

Продуктовый картофель, подвергнутый перед закладкой в хранилище воздействию определенной дозы радиоактивного облучения, предохраняется от

весенне-летнего прорастания без всякого изменения пищевых качеств. Вместе с тем малые дозы предпосевного облучения семян сельскохозяйственных культур, как правило, ускоряют созревание этих культур, увеличивают количество и улучшают качество урожая.