Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 20:17 дата обновления страницы
Вещество и энергия. Числа и фигуры
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 20:17
icq:
613603564
Жизнь атомного ядра
В начале нашего столетия ученые еще ничего не знали о
строении атомного ядра, о ядерных превращениях. Считалось непреложной
истиной, что атомные ядра существовали всегда и что они, следовательно,
неизменны. По современным же представлениям, все многообразие ядер
элементов Солнечной системы образовалось из простейших ядер водорода -
протонов несколько миллиардов лет назад. Более того, опытом и
теоретически установлено: большинство атомных ядер сами по себе
постоянно превращаются в другие ядра, или, как принято говорить,
испытывают радиоактивный распад. А в наши дни физики научились
искусственно получать из одного ядра другое.
...В подмосковный город Дубну, в лабораторию, где получают новые атомные
ядра и исследуют их свойства, приехали физики из Копенгагена. На стене
своей комнаты они повесили плакат, на котором было нарисовано
генеалогическое древо датских королей, а рядом будто случайно оказалась
схема гораздо более древней родословной; основатель ее - уран-238
появился на Земле на пять миллиардов лет раньше самого первого датского
короля. И если истории известен 51 датский король, от Горма Старого и
Гарольда Синего Зуба до Фредерика IX, нынешнего датского короля, то
потомки урана превосходят число королей.
Попробуем разобраться в сложной родословной урана (рис. 1). Для этого
нужно вспомнить, что все ядра состоят из протонов и нейтронов. Число
протонов равно атомному номеру элемента. Так, в ядре урана 92 протона, и
поэтому он находится в 92-й клетке таблицы периодической системы Д. И.
Менделеева. Сумму протонов и нейтронов, входящих в ядро, называют
массовым числом. В ядрах урана, который геологи находят в горных
породах, может быть 146 или 143 нейтрона. Поэтому массовое число
природного урана может быть 238 или 235. Ядра с одним и тем же числом
протонов, но с разным числом нейтронов называются изотопами.
Поместим рядом со счетчиком радиоактивных излучений грамм урана-238.
Счетчик буквально захлебнется от поступающих на него частиц. Ведь за
одну секунду из грамма урана вылетает 12 тыс. альфа-частиц - ядер гелия
со скоростью 14 тыс. км/сек. В ядре гелия два протона и два нейтрона,
поэтому у каждого ядра, испустившего альфа-частицу, порядковый номер
уменьшается на две, а массовое число - на четыре единицы, так что из
урана получается радиоактивное ядро тория с массовым числом 234 -
90Th234. Из ядра тория вылетают ядерные электроны - бета-частицы. При
этом один из нейтронов ядра становится протоном и, значит, заряд
увеличивается на единицу, а масса ядра практически не изменяется. После
двух последовательных распадов торий-234 переходит в уран, но уже с
массой 234. Уран-234 также нестабилен... Последний в этой цепи -
свинец-206.
Так вследствие испускания ядер гелия и электронов из урана-238
образуется 15 различных ядер!
Сколько бы мы ни ждали у счетчика, окруженного чистым свинцом-206, нам
не удастся зарегистрировать его распад. Поэтому свинец-206 считают
нераспадающимся самопроизвольно - стабильным изотопом, и если взять
кусок урановой руды, она обязательно будет содержать свинец,
образовавшийся в результате распада урана. Доля ядер свинца в руде как
раз будет равна доле урана, который распался за время существования
породы, содержащей урановую руду. В самых старых горных породах -
ровесницах Земли - ядер свинца и урана поровну. Значит, уран распался в
них наполовину. Период полураспада урана известен, отсюда можно
определить и возраст нашей планеты. Он оказывается примерно равным 5
млрд. лет. Если в породе на каждые 100 ядер урана приходится только 10
ядер свинца, то возраст породы 770 млн. лет. Такой метод определения
возраста пород и самой Земли считается одним из самых точных.
Счетчик, регистрирующий распад уран" преобразует энергию альфа-частиц в
электрические сигналы-импульсы (рис. 2). Чем больше энергия
альфа-частицы, тем больше им пульс, который она вызывает. В процесс
распада одного грамма урана-238 изредка появляются гигантские импульсы,
в 50 раз больше обычных. Откуда они берутся?
Оказывается, ядра урана порой самопроизвольно делятся примерно на две
равные части - ядра-осколки. Массовое число каждого из них - около
половины массового числа ура- ] на, а энергия в 50 раз больше энергии
альфа-частицы. (Это явление настолько редко и | удивительно, что, когда
оно впервые было обнаружено советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А.
Петржаком в 1940 г., некоторые ученые не поверили в уже сделанное
открытие.) В таком процессе образуются сотни разных ядер. Сравнительно
недавно среди ядер - осколков самопроизвольного деления обнаружено
необыкновенное ядро гелия, в котором в 3 раза больше нейтронов, чем в
обычном ядре Не4. Это сверхтяжелый гелий-8.
Но на этом не кончаются изменения ядер урана. Каждый час в каждом грамме
его образуется 12 ядер нептуния и плутония - элементов с атомными
номерами 93 и 94. Вот как это происходит.
Среди частиц, летящих из космоса на Землю, есть нейтроны. Рождаются
нейтроны также и при самопроизвольном делении урана. Ядра урана
поглощают нейтроны, и получается уран с массовым числом 239.
Такое ядро и превращается в плутоний и нептунии (рис. 3).
Почему распадаются ядра? Оказывается, если ядро с массовым числом А и
зарядом Z тяжелее суммы: [альфа-частица + (ядро с массовым числом А-4 и
зарядом Z-2)], то такое ядро в принципе должно испытывать альфа-распад.
Здесь надо иметь в виду, что массовое число - это округленное значение
веса ядра. Так, массовое число урана-238 равно 238, а точное значение
его массы- 238,12493 массовой единицы (массовая единица - м. е. - 1/16
доля веса атома изотопа кислорода вО16 - равна приблизительно 1,66 10 24
г), масса тория-234 равна 234,11650, ядро же гелия - альфа-частица весит
4,00387 м. е. Сумма масс тория-234 и ядра гелия-4 меньше массы урана-238
на 0,00456 м. е. Поэтому и возможен распад урана-238 и тем более
урана-239. Избыток массы в 0,00456 м. е. переходит в кинетическую
энергию ядра гелия.
Другой пример. Последний член уранового ряда - свинец-206. Если вычесть
из массы этого изотопа массу ртути-202 и гелия-4, получим 0,0018 м. е.
По формуле Эйнштейна Е - тс2 можно вычислить энергию, с которой должна
вылетать альфа-частица из ядра свинца. Эта энергия равна 1,6 Мэв. (1 Мэв
- миллион электрон-вольт - единица, в которой принято измерять энергию в
ядерной физике.)
Но наблюдать распад ядер свинца никогда не удавалось. Дело в том, что
скорость распада очень сильно зависит от энергии вылетающей
альфа-частицы. Так, хотя энергия альфа-частицы распадающегося урана-238
всего в 2,5 раза больше энергии альфа-частицы, которая вылетает из
свинца-206, скорость распада свинца меньше в 1025 раз, а среднее время
жизни его ядра 1034 лет!! За все время существования Земли из килограмма свинца-206 вылетела только одна альфа-частица!
Претерпевая изменения, ядра рассказывают ученым о себе. Возвратимся
опять к рисунку 1. Среди потомков урана-238 есть и уран с массовым
числом 234, по традиции этот уран называют ураном-П. На рисунке 1
показано, что уран-П переходит в торий-230, испуская при этом
альфа-частицы. Когда у физиков не было приборов, регистрирующих энергию
частиц с высокой точностью, считалось, что все альфа-частицы урана-П
обладают одинаковой скоростью.
С повышением точности измерений выяснилось, что эти скорости различны.
На каждую тысячу ядер гелия, испускаемых ура-ном-234, три вылетают со
скоростью 14 790 км/сек, 277 - со скоростью 14 990 км/сек, а скорость
остальных 720 ядер равна 15 060 км/сек..
Если скорость альфа-частицы, покидающей ядро урана-П, меньше
максимальной, то в образующемся ядре тория-230 остается избыток энергии,
и он тем больше, чем меньше скорость вылетающей частицы. Этот избыток
-ядро тория излучает в виде гамма-лучей.
Обычно строят так называемую схему распада (рис. 4). Горизонтальные
линии указывают избыток энергии в ядре. Их называют энергетическими
уровнями. По расположению этих уровней физики могут рассчитать форму
ядра, его момент количества движения и другие характеристики. Так, из
приведенной схемы уровней тория-230 физик сразу определит, что его ядра
вытянуты вдоль оси Z. Но чтобы разбираться в таких схемах, необходимо
знать квантовую механику.
Природные изотопы свинца считаются стабильными ядрами, - времена жизни
их настолько велики, что наблюдать их распад невозможно. Но
по-настоящему стабильные ядра существуют только в области массовых
чисел, меньших 130. Начиная с этого массового числа альфа-распад
невозможен.
А
если все же среди таких ядер изредка понестабильные (например, половина
19К40 переходит в гоСа40 за 1,3 млрд. лет), то их превращения происходят
путем излучения бета-частиц - ядерных электронов.
Но есть ядра, распад которых не только нельзя наблюдать опытным путем,
но и по теоретическим оценкам они не должны сами по себе превращаться в
другие ядра. Так, ядра гелия-4 или простейшее ядро-протон
самопроизвольно не распадаются. Если же они
находятся в верхних слоях Земли, на них непрерывно обрушивается поток
космических лучей, в который входят нейтроны, протоны, мезоны и даже
такие тяжелые ядра, как ядра железа или урана. Эти частицы, попадая в
любое ядро, меняют его структуру, ведь они летят с огромной скоростью
(рис. 5)!
Ядра из космоса не проникают глубоко в Землю. Они тормозятся ее
веществом на небольшой глубине. Так может быть, в недрах Земли ядра
неизменны? Однако есть частица в космосе, которая свободно проходит
сквозь Землю. Это нейтрино. Частица, почти не взаимодействующая с
веществом. Поэтому нейтрино проникает на любую глубину, и ни одно ядро
не защищено от потока этих частиц.
Посмотрим же, что происходит под действием нейтрино с ядрами, например с
протоном. Оказывается возможной такая реакция : протон + нейтрино =
нейтрон. Если протон не вступает в реакции с ядрами, потому что они
отталкивают его (протон и ядра элементов имеют положительный
электрический заряд, а одинаковые заряды отталкиваются), то свободный
нейтрон очень активен. В среднем за 0,01 сек после рождения
образовавшийся нейтрон уже вступит в ядерную реакцию, и еще одно ядро
испытает ядерное превращение. Нейтрино, как уже говорилось, слабо
поглощается веществом, и за год во всей Земле только несколько граммов
протонов превратятся в нейтроны. Это совсем немного, но... за такой
период, как 1034 лет - время жизни свинца-206, каждое ядро вещества
Земли 10 миллионов раз подверглось бы воздействию неуловимых частиц,
конечно, при условии, что поток нейтрино, падающих на Землю, оставался
бы неизменным. Возможно ли выполнение этого условия? Нет и еще раз нет.
За 1034 лет произойдут процессы, которые перестроят нашу Галактику. Эти
процессы связаны с ядерными превращениями, а значит, возникнут новые
условия для изменений атомных ядер, новые источники космических частиц,
потоков нейтрино.
А пока и в наши дни всюду - в горных породах, лежащих на огромной
глубине под Землей, в раскаленном центре нашей планеты - атомные ядра
непрерывно претерпевают изменения, живут своей особой жизнью.
В.И. Кузнецов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
