Учебник для 10 класса

Естествознание

§ 65. Движение как качественное изменение. Ядерные реакции

От чувственных реальностей осталась
Сомнительная вечность вещества.
М. Волошин

Могут ли одни химические элементы превращаться в другие? Каковы особенности процесса радиоактивного распада? Как происходят ядерные реакции?

Урок-лекция

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЕЕ ВИД. Химические реакции не единственный пример качественных изменений в природе. Другим важным классом подобных изменений являются процессы радиоактивного распада и ядерные реакции.

В начале 1896 г. французский ученый Антуан Анри Беккерель (1852—1908) обнаружил, что урановая соль самопроизвольно испускает лучи, подобные тем, что несколькими месяцами раньше открыл немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923).

«Эти лучи, — заявил Беккерель, — проходят через черную бумагу и засвечивают фотопластинку».

Спустя два дня Беккерель решил повторить опыты. Но, к сожалению, погода стояла пасмурная, а без солнечного света кристаллы урановой соли не фосфоресцировали. Пришлось положить фотопластинки и кристаллы соли, обернутые в плотную черную бумагу, в ящик стола. Через два дня ветер разогнал облака и можно было приступать к работе. Однако Беккерель решил (на всякий случай) проявить фотопластинки, пролежавшие два дня в ящике. К своему удивлению, он обнаружил на проявленной пластинке довольно четкие силуэты образцов соли. Но ведь урановая соль находилась два дня в темноте и не фосфоресцировала! Следовательно. она сама по себе испускает какие-то таинственные лучи, которые проходят через плотную черную бумагу и засвечивают фотопластинку.

Позже Беккерель установил, что чистый уран также испускает (и даже еще сильнее) эти лучи. Спустя два года явление, открытое Беккерелем, было названо радиоактивностью.

Оказалось, что радиоактивным является не только уран, но и торий. Были также открыты новые радиоактивные элементы — полоний (1898), радий (1898), актиний (1899) и радон (1899).

В первые два десятилетия после открытия Беккереля наибольший вклад в изучение радиоактивности внесли супруги Пьер и Мария Кюри (Франция) и Эрнест Резерфорд, английский физик, в 1898—1907 гг. работавший в Канаде.

Опыты Резерфорда (1899) и М. Кюри (1903) показали, что существует три вида самопроизвольных ядерных превращений (потом их число увеличилось, но те, что были открыты на рубеже XIX—XX вв., наиболее распространены):

— α-распад, когда ядро испускает α-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов (такая частица представляет собой ядро изотопа , т. е. его массовое число равно 4, а заряд +2), например:

(вспомните, из каких частиц состоят атомные ядра, что такое массовое число атома и что такое изотопы);

— β-распад, когда в неустойчивом ядре один из нейтронов превращается в протон, при этом ядро испускает электрон (β-частицу) и легкую частицу, называемую антинейтрино , например:

(далее вместо обозначения е^- мы будем использовать другое: β);

— γ-распад, когда возбужденное ядро испускает излучение с очень малой длиной волны.

При всех этих распадах энергия ядра уменьшается.

Итак, при α-распаде массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра (порядковый номер) элемента — на две. При β-распаде атомный номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. При γ-излучении, которое часто (но не всегда) сопутствует α- и β-распаду, ни атомный номер, ни массовое число не изменяются.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада Т_1/2, т. е. временем, за которое самопроизвольно распадается половина атомов исходного вещества. Величина Т_1/2 характеризует скорость радиоактивного распада и принимает различные значения для разных радиоактивных изотопов. Например, для изотопа период полураспада составляет 4,5х10⁹ лет; для изотопа — 1,5х10^-4с. Причем скорость поишхо 82г распада не зависит от внешних условий.

Все ядра равны перед законом радиоактивного распада:

где N — число нераспавшихся атомов к моменту времени t. N₀ — число атомов в некий начальный момент. Ядро данного радиоактивного изотопа, родившееся только что, и ядро этого же изотопа, просуществовавшее миллионы лет, имеют одинаковую вероятность распасться. Иными словами, радиоактивным распадом управляет случай.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. Итак, мы выяснили, что некоторые ядра могут самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов. В 1910 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение элементов бомбардировкой а-частицами атомов азота:

Символ обозначает протон, т. е. ядро атома водорода . Заметим, что в принятой записи ядерных реакций (как естественных, так и искусственных) сумма массовых чисел (т. е. сумма верхних индексов) реагирующих частиц всегда равна сумме массовых чисел продуктов реакции. То же относится и к зарядам ядер (к нижним индексам). (Подумайте, почему это так.)

Обстреливая α-частицами разные ядра, удалось осуществить много ядерных реакций. Еще более разнообразные ядерные реакции удалось исследовать с помощью ускорителей, где заряженные частицы (к примеру, протоны, нейтроны, ядра различных элементов) разгоняются до больших скоростей и затем направляются на мишень. Среди всех ядерных реакций, пожалуй, самое важное место занимают реакции, вызываемые захватом нейтронов. Потоки нейтронов получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах.

Приведем несколько примеров ядерных реакций, вызываемых нейтронами:

Подобные реакции широко применяются для получения новых изотопов, хотя отделить, скажем, от нелегко. (Подумайте почему.)

Большой научный и практический интерес представляют реакции, вызываемые бомбардировкой нейтронами ядер г||и. В результате такой реакции образуется смесь изотопов с массовыми числами, равными приблизительно половине массового числа делящегося урана:

Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Ядра изотопа могут захватывать нейтроны с небольшой энергией (5-10 эВ¹ так называемые тепловые нейтроны), а нейтроны, образующиеся при делении ядра обладают в миллионы раз большей энергией. Поэтому, чтобы реакция шла дальше за счет вылетающих при делении ядра нейтронов, последние надо замедлить. Тогда пойдет цепная реакция деления урана — выделившиеся нейтроны после замедления будут захватываться другими ядрами и т. д. В 1940 г. советские физики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон создали теорию цепной реакции деления.

В природном уране цепная реакция возникнуть не может, так как такой уран в основном состоит из двух изотопов: (99,3%) и (0,7%), причем первый из них захватывает нейтроны в основном без последующего деления. Осуществить цепную реакцию сумели как в виде взрыва (в атомной бомбе), так и в виде регулируемого процесса (в ядерном реакторе).

Чем ядерные реакции отличаются от химических?
Почему нельзя просто разогнать нейтрон в ускорителе и направить его на мишень, как это делают с протонами, электронами, атомными ядрами? Почему нейтроны удобно использовать в качестве бомбардирующих частиц?

¹ 500—1000 кДж/моль.