Оглавление 262 263 264 265 267 — — — 270 

АТОМНОЕ ЯДРО

Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образования химических соединений. Изменения, которым подвергаются атомы при химических превращениях, затрагивают только внешнюю оболочку атома; ядро атома остается при этих превращениях совершенно неизменным. Однако в природе существуют и процессы другого рода, например радиоактивные превращения, искусственное получение новых элементов и т. п. Эти процессы определяются именно изменением самих ядер и всецело зависят от их строения. Поэтому, заканчивая изучение курса общей химии, надо хотя бы вкратце познакомиться с теми данными, которыми располагает современная наука о строении атомного ядра. Следует, однако, отметить, что, несмотря на значительные успехи, достигнутые за последнее время в этой области, полной картины строения атомного ядра мы пока еще не имеем.

Сложность атомных ядер и их искусственное разрушение. Впервые сложность атомных ядер обнаружилась в явлениях радиоактивности. Все радиоактивные превращения свидетельствовали о том, что ядра наиболее тяжелых атомов являются сложными образованиями, которые самопроизвольно разлагаются с выделением ядер гелия и электронов. Естественно было предположить, что ядра нерадиоактивных элементов также имеют сложное строение. Наиболее радикальный способ проверить это предположение состоял бы в том, чтобы искусственно вызвать разрушение ядра и исследовать образующиеся при этом новые частицы. Но ядра нерадиоактивных элементов чрезвычайно устойчивы; никакие обычно применяемые воздействия не оказывают на них влияния.

Положение казалось безнадежным. Однако уже вскоре, благодаря остроумной идее Резерфорда, и в этой области были достигнуты большие успехи. Для разрушения ядер Резерфорд воспользовался той огромной кинетической энергией, которой обладают летящие α-частицы или, как их иногда называют, гелионы. В 1919 г. появилась его работа, сообщающая о результатах опытов с азотом. Подвергая атомы азота бомбардировке α-частицами, вылетающими из радия С, Резерфорду удалось разрушить ядра азота и выбить из них ядра водорода. Эти простейшие из атомных ядер Резерфорд назвал протонами. Таким образом, было осуществлено, как тогда писали, искусственное разложение атома; точнее говоря, были получены первые указания на то, что в состав ядер входят протоны.

Последующими опытами Резерфорд а и других исследователей было установлено, что протоны могут быть выбиты из ядер-всех легких элементов вплоть до иода. Поэтому можно было думать, что обнаружение протонов в ядрах атомов всех химических элементов есть только вопрос времени.

Однако полного разрушения ядер при бомбардировке их: α-частицами не происходит. При столкновении α-частицы с ядром из последнего, повидимому, выбивается всегда только один протон, а остаток ядра соединяется с α-частицей, образуя новое ядро. Так, например, изучение процесса столкновения α-частицы с ядром азота показало, что после столкновения получаются две новые частицы — протон и ядро с массой 17 (изотоп кислорода), включающее в себя α-частицу. Схематически этот процесс можно изобразить следующим уравнением:

7N14 + 2He4 = 1H1 + 8O17

Другими словами, α-частица, выбивая из ядра азота с массой 14 один протон, поглощается остатком ядра, который благодаря этому превращается в ядро изотопа кислорода с массой 17. Подобное же преобразование ядер удалось наблюдать и у других элементов.

Работы Резерфорда и изучение продуктов распада радиоактивных элементов привели к предположению, что в состав атомных ядер входят α-частицы, т. е. ядра гелия, протоны и, наконец, электроны. Но так как ядро гелия, в свою очередь, можно представить составленным из четырех протонов, то невольно напрашивался вывод, что ядра атомов построены из протонов и электронов.

Таково было первое (впоследствии изменившееся) представление о строении атомных ядер, возникшее в результате опытов искусственного разрушения ядер.

Сначала разрушение ядер производилось исключительно путем бомбардировки α-частицами, вылетающими из радиоактивных веществ. Принимая во внимание малые количества этих веществ, имевшихся в распоряжении исследователей, и ничтожный процент попадания α-частицы в ядро, легко понять, что коэффициент полезного действия такой бомбардировки был чрезвычайно мал. Развитие работ в области изучения ядерных создания специальных установок, позволяющих получать мощные потоки заряженных частиц.

Первые установки, служащие для этой цели, были созданы в начале тридцатых годов XX века. Вместо α-частиц в них был применен мощный поток протонов, получаемый из обыкновенного водорода в пустотной разрядной трубке под действием высокого напряжения, достигавшего нескольких миллионов вольт. В конце трубки помещались бомбардируемые вещества. При таких условиях протоны приобретали очень большую скорость и оказались способными действовать на ядра многих элементов, вызывая их разрушение.

Первым элементом, подвергшимся бомбардировке, был литий. Результатом расщепления ядра лития является выделение огромного количества энергии, значительно превышающего энергию летящего протона, и преобразование этого ядра вместе с поглощенным им протоном в два ядра гелия:

3Li7 + 1H1 = 2He4 + 2He4

В большинстве других случаев также наблюдался распад ядер с выделением ядер гелия.

Новый метод обстрела атомных ядер быстро летящими протонами открыл широкие перспективы для изучения строения атомного ядра. Огромным его преимуществом явилась возможность регулировать скорость протонов, собирать их в узкий пучок и направлять по желанию в то или иное место.

Использование электростатических установок представляло по сравнению с использованием радиоактивных источников значительный шаг вперед, однако было связано с рядом трудностей и неудобств. Поэтому в дальнейшем для получения потоков быстрых частиц были использованы так называемые циклотроны — установки, основанные на многократном ускорении частиц переменным электрическим полем.

Схема действия циклотрона

Рис. 156. Схема действия циклотрона

Основную часть циклотрона (рис. 156) составляют две половины полого диска 1, 1, расположенные на некотором расстоянии одна от другой и называемые дуантами. Оба дуанта помещаются в магнитном поле, направление которого перпендикулярно к их плоскости, и соединены с генератором переменного тока 2. В результате комбинированного действия магнитного и электрического полей поток заряженных частиц совершает внутри прибора движение в одной плоскости по развертывающейся спирали.

Заряженные частицы поступают из вспомогательного прибора 3 в промежуток между дуантами и под влиянием электрического поля начинают двигаться с возрастающей скоростью от одного дуанта к другому в направлении, указанном на рисунке стрелками. Войдя в дуант, где электрическое поле отсутствует, частицы двигаются равномерно, сохраняя приобретенную скорость, до тех пор, пока, описав полуокружность, не подойдут к промежутку между дуантами с другой стороны. Работа генератора регулируется так, что в этот момент направление электрического поля меняется и частицы, получив в промежутке между дуантами добавочное ускорение, продолжают круговое движение во втором дуанте. При новом переходе из второго дуанта в первый скорость частиц опять увеличивается и т. д. После нескольких сот оборотов поток частиц выводится из прибора в. окно 4.

Таким путем конечная скорость частиц, а следовательно и их кинетическая энергия, может быть доведена до очень значительной величины. Например, если при напряжении электрического поля в 5000 вольт заставить частицы совершить 100 полуоборотов, то они будут иметь при выходе энергию, равную 100 • 5000 = 500 000 электрон-вольт .

Общий вид циклотрона

рис. 157. Общий вид циклотрона

Энергия, сообщаемая частицам в циклотроне, может достигать десятков миллионов электрон-вольт.

Циклотроны (рис., 157) представляют собой очень большие сооружения. Так, например, вес магнита в одном из циклотронов составляет 4000 тонн. Все же они значительно меньше электро-статических установок.

Дальнейшее развитие атомной физики потребовало создания более мощных ускорителей частиц, чем циклотрон, возможности которого оказались исчерпанными. В СССР и за рубежом был содан ряд новых типов «сверхускорителей». К числу их относятся и законченный сооружением в Советском Союзе синхрофазотрон, рассчитанный на придание частицам энергии, равной 10 миллиардам электронвольт.

263 264 265

Вы читаете, статья на тему Атомное ядро