Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

• Название: У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

---

Чтобы представить последовательность превращений, происходящих внутри ядра атома во время радиоактивного распада, физики и химики используют два числа: атомное и массовое. Атомное (зарядовое) число обозначается Z и указывает на количество протонов в ядре. Каждый элемент характеризуется специфическим и уникальным Z например, 6 — атомное число для углерода, 14 — для кремния. Общее количество частиц в ядре, включающее в себя протоны и нейтроны, называется массовым числом, обозначаемым А. В итоге:

Z — количество протонов,

А — количество протонов и нейтронов (общее количество частиц в ядре),

A-Z— количество нейтронов.

Резерфорд открыл существование альфа-излучения и бета-излучения, α-частицы представляют собой ядра гелия (то есть они состоят из двух протонов и двух нейтронов). Когда элемент испускает альфа-частицу, это означает, что он теряет два протона, таким образом элемент изменяется, его атомное число уменьшается (-2), и происходит превращение элемента. Например, уран обладает 92 протонами, а когда он испускает альфа-частицу, то превращается в торий, обладающий 90 протонами.

Бета-распад (β) представляет собой внутренне более сложное физическое явление и возникает, когда нейтрон превращается в протон или наоборот. При этом взаимном обмене возникают новые частицы. Бета-распад подтверждает, что фундаментальные частицы, "хотя и имеют определенные свойства, не являются постоянными структурами, и одна из них может превращаться в другие".

Бета-распад классифицируется по двум типам в соответствии с механизмами распада: β -распад и β+-распад. При β -распаде электрон испускается непосредственно из атомного ядра, это не связано с ионизацией одного из электронов, составляющих электронное облако, окутывающее ядро. Один из нейтронов ядра (я) отделяется и превращается в протон (р*), остающийся в ядре, и электрон (е), который испускается. В ходе этого процесса возникает электронное антинейтрино (ν,). Процесс можно представить как:

n → р* + е- + ve.

При изменении числа протонов (+1) изменяется атомное число, и элемент становится другим. При этом массовое число не изменяется (атом теряет нейтрон, но получает протон). Именно это происходит с изотопом тория 23490Th. После бета-распада, при котором испускается электрон, атом превращается в один из изотопов протактиния, который обозначается 23491Ра.

Второй тип бета-распада обозначается β+-распад, при нем возникает позитрон (е*), который является античастицей, имеющей одинаковую с электроном массу и при этом отрицательный заряд. В данном случае ядро теряет протон, а вместо него появляются нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Это вновь означает, что количество частиц в ядре не меняется (вместо протона появляется нейтрон), но происходит трансмутация элемента, потеря протона заставляет его изменить химическую идентификацию. В ситуации с азотом 137Ν, который при испускании позитрона превращается в изотоп углерода, обозначаемый 136C, β+-распад можно представить так:

р+ → n + е+ + vе.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Гамма-излучение отличается от процессов альфа- и бета-распада тем, что при нем испускаются не частицы, а электромагнитное излучение, фотоны с высокой энергией. Гамма-излучение происходит на разных фазах радиоактивных процессов по разным причинам: например, когда ядерная частица переходит из возбужденного состояния в основное. При этом виде излучения не происходит изменения компонентов ядра (или атома). Однако, в связи с высоким уровнем энергии, возникающая радиация имеет существенный проникающий характер и наиболее вредна, так как способна вступать во взаимодействие с клетками и вызывать их изменения при взаимодействии с цепочкой ДНК.

ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

По своим характеристикам альфа-, бета- и гамма-излучение различаются по проникающей способности и ионизации. Так как бета-излучение состоит из электронов или позитронов, имеющих меньшую массу по сравнению с альфа-частицами, возникающая энергия приобретает больший момент силы. Альфа-излучение состоит из двух протонов и двух нейтронов и легко поглощается материей. Масса протона или нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона, таким образом вероятность столкновения и сила взаимодействия значительно больше. Это объясняет, почему проникающая способность альфа-лучей гораздо меньше. Гамма-излучение по сути не является потоком массивных частиц, это электромагнитная волна, похожая на видимый свет, но несущая значительно больше энергии.

На графике представлена тенденция по изменению атомного и массового числа, являющаяся результатом процессов альфа и бета-распада. В конце цели распада находится свинец (РЬ), его нерадиоактивный изотоп.

РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ

При радиоактивном распаде, как правило, получившиеся элементы тоже радиоактивны, так что после окончания первого распада начинается новый. На последнем этапе радиоактивной цепочки формируется стабильный элемент, цикл превращений останавливается. Известны три естественных ряда: ряд урана (см. рисунок), актиния и тория.

Приложение Б Ускорители частиц

Устройства, которые называются ускорителями частиц, заставляют элементарные частицы, такие как протоны или электроны, воздействовать на другие частицы или атом в условиях абсолютного вакуума и высокой энергии. Изучение получившихся частиц и анализ энергии при столкновениях является важным источником информации для глубинного понимания структур материи. Кроме того, эти установки используются как источник излучения ("свет"), позволяющий анализировать и давать детальную характеристику любому виду материалов.

С 1930 года, когда был построен первый ускоритель частиц, технология этого вида устройств и установок не переставала развиваться (см. график). Самым очевидным параметром для совершенствования является увеличение энергии, воздействующей на частицы. Это необходимо, например, для воспроизведения условий, в которых формируется материя при процессах атомного расщепления в недрах звезд, или для открытия базовых составляющих. Кварки и лептоны, вероятно, не были бы открыты, если бы не существовало ускорителей частиц.

Ускоритель постоянного тока Уолтона и Кокрофта, основанный на преобразовании переменного тока, достиг энергии в 260 кэВ, был использован для бомбардировки и запуска протонов на фиксированную мишень, представлявшую собой литиевую пластинку. После воздействия атом лития разделялся на два альфа-луча.

На этой диаграмме Ливингстона показана эволюция технологии ускорителей частиц, в основном в отношении увеличения использованной энергии в прогрессии.

Генератор высокого напряжения Ван де Граафа, созданный в Массачусетском технологическом институте, также основан на явлении электростатики. Начало строительства датируется 1929 годом, а в 1933 году он уже был запущен в эксплуатацию. В нем используется диэлектрическая лента для накопления зарядов внутри сферы. На сегодняшний день ускорители Ван де Граафа очень популярны, а разность потенциалов в современных моделях достигает 20 МэВ.

Использование переменного тока позволило сделать качественный скачок в сфере ускорителей частиц. Американец Луис Альварес разработал знаменитый линейный ускоритель (LINAC) в 1948 году (см. рисунок 1 ). Линейный ускоритель основан на следующей схеме: из источника заряженных частиц, например из катода, вылетают частицы, и на них планируется воздействовать высоким напряжением. Для увеличения скорости генерируемого пучка частиц ускорение частиц происходит по нарастанию с использованием переменных электрических полей, воздействующих при прохождении заряженных частиц. Специфический вид ускорителя зависит от природы и характеристик частиц (являются ли они электронами, протонами, ионами...), а также от их масс, заряда и энергии, которую необходимо передать пучку частиц.

РИС.1

Частицы ускоряются в зазорах между трубками и в конца пути достигают большой скорости.

Также существуют циркулярные ускорители (см. рисунок 2) и синхротроны. Первый циклотрон был разработан американским физиком Эрнестом Лоуренсом в 1932 году. Через семь лет, в 1939 году, эта работа принесла ему Нобелевскую премию по физике. Это был период, когда шло соревнование по созданию первого ускорителя частиц. В основе его изобретения лежала идея ускорения частиц с помощью взаимодействий заряженной частицы с сильным магнитным полем, образуемым мощным электромагнитом. Траектория частиц, взаимодействующих с магнитным полем, представляет собой арки или кривые, отсюда название ускорителя, при этом нет необходимости прибегать к высокому напряжению. Форма циклотронов напоминает две латинские буквы D. Лоуренс смог разогнать частицы до энергии в 1,25 МэВ.