Физические основы получения атомной энергии

III. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

Явление радиоактивности, с которым мы познакомились в предыдущей главе, впервые ясно показало, что ядра атомов имеют сложное строение и что в природе происходят превращения ядер одних химических элементов в ядра других элементов.

Явление радиоактивности интересно также и в другом отношении. Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов некоторых радиоактивных элементов, движутся с огромной скоростью, достигающей 20–25 тыс. км в секунду, и обладают в силу этого большой кинетической энергией. Поэтому естественно возникла мысль: используя альфа-частицы радиоактивных веществ в качестве «снарядов» и обстреливая ими атомы, проникнуть внутрь атомных ядер и разрушить их. Такую попытку предпринял Резерфорд, подвергнувший обстрелу альфа-частицами атомы азота. Это была «неприцельная стрельба» вслепую. Попасть в этих условиях в невидимое ядро атома азота — это все равно, что, стреляя из орудия, поразить невидимую мишень, расположенную где-то на площади в 1 км². Продолжая методически обстрел в течение длительного времени, Резерфорду удалось в 1919 г. впервые в истории физики искусственно расщепить ядро. Оказалось, что ядро азота при попадании в него альфа-частицы превращается в ядра кислорода и водорода.

Обстреливая альфа-частицами атомы нерадиоактивных элементов, супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли в 1934 г. искусственную радиоактивность. Жолио-Кюри установили, что в результате проникновения альфа-частиц в ядра алюминия, бора, магния и других веществ образуются радиоактивные ядра, отсутствующие в природе.

«Ядерная» артиллерия сыграла решающую роль в изучении состава атомного ядра.

Обстреливая атомы различных элементов быстрыми частицами, удалось установить, что в ядрах всех атомов имеются протоны, то есть ядра атомов водорода с массой, приблизительно равной атомной единице, и с единичным положительным зарядом. Точнее, масса протона по современным данным равна 1,00759 а.е.м.

Первоначально предполагалось, что, помимо протонов, в состав ядра входят еще и электроны и что ядра всех атомов построены из протонов и электронов. Однако позже выяснилось, что такое предположение неправильно и противоречит ряду опытных фактов. Современное учение о строении атомного ядра зародилось в 1932 г. Непосредственным толчком к его возникновению послужило открытие в 1932 г. английским физиком Чадвиком новой, неизвестной до того времени «элементарной» частица — нейтрона.

Нейтрон — нейтральная, то есть не имеющая электрического заряда, частица с массой, равной приблизительно массе протона. Точное значение массы нейтрона равно 1,00898 а.е.м., что превосходит массу протона на 2,5 массы электрона.

Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрон не производит ионизации атомов, мимо которых он пролетает, и поэтому может свободно проникать через толстые слои вещества. Не имея заряда и не испытывая вследствие этого действия сил электрического отталкивания со стороны положительно заряженных ядер, нейтрон способен проникать в глубь самых тяжелых ядер и поэтому является наилучшей частицей для их обстрела и последующего расщепления.

В том же 1932 г., когда был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко первым выдвинул идею о том, что ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная теория строения ядра, развитая в работах советских и зарубежных физиков, является в настоящее время общепризнанной.

Число протонов в ядре атома какого-либо химического элемента равно числу «элементарных» зарядов ядра, то есть порядковому номеру этого элемента Z в периодической системе Менделеева (атомному номеру).

Общее же число протонов и нейтронов в ядре атома равняется его атомному весу А, округленному до целых единиц, то есть массовому числу. Отсюда нетрудно сообразить, что разность между массовым числом атома А и его атомным номером Z дает число нейтронов в ядре N=А-Z. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, обычно называют нуклонами.

Самое простое ядро — ядро атома легкого водорода (протия) — состоит из одного протона. Все остальные ядра, помимо протонов, имеют и нейтроны. В ядре атома гелия, массовое число которого равно 4, имеется два протона и два нейтрона. В ядре наиболее распространенных атомов кислорода содержится 8 протонов и 8 нейтронов (массовое число 16).

В ядрах легких элементов число протонов обычно равно числу нейтронов. Ядра средних и тяжелых элементов имеют избыток нейтронов. Наиболее тяжелое из существующих в природе ядер — ядро урана с массовым числом 238 содержит 92 протона и 146 нейтронов. Состав атомных ядер некоторых элементов показан схематически, без соблюдения масштаба, на рис. 17.

Ядра атомов различных химических элементов обозначаются значками, присвоенными этим элементам в химии. Справа сверху от этого знака ставится общее число нуклонов в ядре, то есть массовое число, а снизу слева — число протонов, то есть атомный номер. Соответственно этому ядро обычного водорода обозначается ₁H¹, гелия — ₂He⁴, кислорода — ₈O¹⁶, урана ₉₂U²³⁸ и т. д.

Число протонов в ядре атома какого-либо элемента полностью определяет химические свойства этого элемента, его химическую принадлежность. До тех пор пока число протонов в ядре остается неизменным, атом данного химического элемента остается атомом этого элемента. При нормальном состоянии атома число электронов в его оболочке, окружающей ядро, равно числу протонов в ядре. Ионизация атома, то есть удаление из его оболочки одного или нескольких электронов, не затрагивает ядра: ядро остается при этом неизменным.

Нейтрон может превратиться в протон и наоборот. Подобные превращения бывают в распадающихся ядрах радиоактивных элементов, испускающих бета-частицы.

Превращение одного из нейтронов ядра в протон сопровождается рождением электрона и маленькой нейтральной частички — нейтрино, которые тотчас же и выбрасываются из ядра с огромной скоростью. Этот новорожденный электрон и представляет собой известную нам бета-частицу. Образование бета-частицы и нейтрино происходит за счет той избыточной массы, которой обладает нейтрон по сравнению с протоном. Превращение нейтрона в протон наблюдается в тех ядрах, которые имеют избыток нейтронов, то есть имеют их больше, чем это требуется для устойчивого существования ядра. Подобное же самопроизвольное превращение испытывает и свободный нейтрон, находящийся вне ядра.

Превращение свободного протона в нейтрон обычно в природе не наблюдается, поскольку масса протона меньше массы нейтрона, и не обеспечивает такого превращения. Но, находясь внутри ядра, протон может превратиться в нейтрон. Такое превращение наблюдается в ядрах некоторых искусственно радиоактивных веществ, получаемых путем бомбардировки разных нерадиоактивных материалов быстрыми частицами. В ядрах атомов этих веществ слишком мало нейтронов, а протонов имеется в избытке. В этом случае один из протонов ядра, получивший добавочную массу и энергию за счет бомбардирующих частиц, может превратиться в нейтрон, испуская положительный электрон (позитрон) и нейтрино.

Возможен и второй путь превращения протона в нейтрон. Протон может захватить один из электронов атома, вращающихся вокруг ядра, и стать в результате этого нейтроном. Чаще всего происходит захват электрона из ближайшего к ядру слоя K электронной оболочки. Вследствие этого такой процесс получил название Л-захвата. Представление о том, что электроны и протоны рождаются в ядре в результате превращения протонов и нейтронов друг в друга, было выдвинуто и обосновано Д. Д. Иваненко.

Ядра атомов какого-либо элемента при строго определенном числе протонов, равном атомному номеру элемента, могут иметь различное число нейтронов и, следовательно, различный вес. Атомы данного элемента, имеющие разный вес вследствие различия в числе нейтронов, называются изотопами этого элемента. Само слово «изотоп» происходит от греческого: «изос» — равный и «топос» — место. Следовательно, буквально изотопы — это атомы, занимающие в периодической системе Менделеева одинаковое место.

В настоящее время известны изотопы у всех химических элементов. Многие элементы имеют по нескольку изотопов.

Так, например, у водорода известны три изотопа. Обычный легкий водород — протий — ₁Н¹, ядра его — протоны. В 1932 г. был обнаружен второй изотоп водорода — тяжелый водород (дейтерий — ₁D²), который присутствует в природном водороде в количестве около 0,02%. Ядро тяжелого водорода, называемое дейтероном, имеет один протон и один нейтрон. Вода, молекулы которой построены по известной формуле химии из атомов тяжелого водорода и обычного кислорода, называется тяжелой водой. Тяжелая вода присутствует в природной воде в малом количестве. По своим физическим свойствам она несколько отлична от обыкновенной воды: замерзает тяжелая вода при +3,8° Ц, кипит при +101,4°.

Третий изотоп водорода — сверхтяжелый водород, или тритий (₁Т³). Ядра его — тритоны — построены из одного протона и двух нейтронов. Тритоны радиоактивны и распадаются, испуская бета-частицу (электрон). Строение атомов изотопов водорода показано на рис. 18.

Большое значение в ядерной физике имеют изотопы урана, различающиеся тремя нейтронами: уран 235, в ядрах которого по 92 протона и 143 нейтрона, и уран 238, в ядрах которого по 92 протона и 146 нейтронов. Физические свойства этих изотопов урана несколько различны в силу различия в числе нейтронов.

Большинство известных в настоящее время изотопов получается искусственным путем по методу «ядерной» артиллерии.

Все протоны и нейтроны в атомном ядре удерживаются друг около друга особыми ядерными силами притяжения. Эти силы имеют сложную природу, которая к настоящему времени изучена еще недостаточно. Ясно только, что ядерные силы не похожи на силы всемирного тяготения и на электрические силы и уменьшаются с увеличением расстояния между взаимодействующими нуклонами значительно быстрее и тех и других. Ядерные силы действуют лишь в самом ядре, имея там огромную величину, и в непосредственной близости от него. С увеличением расстояния между частицами ядра (нуклонами) ядерные силы настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10^-13 см.

В этом отношении ядерные силы напоминают собой силы молекулярного сцепления в капле жидкости, которые удерживают молекулы жидкости друг около друга и стремятся придать капле сферическую форму как наиболее устойчивую.

Учитывая характер изменения ядерных сил с расстоянием и ряд других фактов, относящихся к ядру, Я. И. Френкель в СССР и Дж. Уилер за рубежом предложили «капельную» модель ядра. Согласно этой модели атомное ядро подобно положительно заряженной капле жидкости очень большой плотности и построено из нуклонов (протонов и нейтронов) наподобие того, как капля жидкости построена из молекул.

В капле жидкости действуют силы молекулярного сцепления, придающие капле сферическую форму. Помимо этого, в заряженной капле между одноименно заряженными частицами действуют силы электрического отталкивания, стремящиеся разорвать каплю. Подобно этому и внутри атомного ядра действуют силы двоякого рода: помимо ядерных сил притяжения, связывающих все нуклоны воедино, там действуют еще электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерные силы внешне подобны силам молекулярного сцепления в жидкости и придают ядру сферическую форму как наиболее устойчивую.

Атомные ядра отличаются обычно большой прочностью (устойчивостью), так как ядерные силы притяжения в десятки миллионов раз больше электрических сил отталкивания, действующих в ядре между протонами.

Капельная модель позволяет рассматривать процесс искусственного расщепления атомных ядер быстрыми частицами — «снарядами» — следующим образом. Кинетическая энергия частицы, попавшей в ядро, перераспределяется между всеми нуклонами ядра благодаря тесному взаимодействию между ними. Ядро приходит от этого в возбужденное состояние, что аналогично нагреванию капли жидкости. Поэтому можно, как впервые показал советский физик Л. Д. Ландау, условно говорить о «температуре» ядра и ее повышении за счет энергии попавшего в ядро «снаряда». В результате этого частица или группа частиц возбужденного ядра, составляющих новое ядро, может вылететь за его пределы подобно тому, как вылетают молекулы жидкости при ее испарении.

В свете сказанного процесс расщепления ядра атома азота альфа-частицей, осуществленный Резерфордом, можно рассматривать следующим образом. При удачном попадании быстрая альфа-частица проникает внутрь ядра атома азота и захватывается им. В результате получается составное или промежуточное ядро в сильно возбужденном («нагретом») состоянии. В последующее время это возбужденное ядро, выбрасывая («испаряя») протон (ядро водорода), превращается в ядро кислорода с атомным весом 17. Схематически этот процесс показан на рис. 19.

Для объяснения некоторых свойств атомных ядер пользуются также так называемой «оболочечной» моделью ядра. Согласно этой модели протоны и нейтроны движутся внутри ядра вокруг некоторой средней точки, образуя слои (оболочки), подобно тому как электроны в атоме движутся вокруг ядра, располагаясь слоями.