Радиоактивность. Строение ядра. Элементарные частицы.

⇐ ПредыдущаяСтр 26 из 33Следующая ⇒

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Анри Беккерелем (1852-1908) благодаря счастливому случаю. Беккерель исследовал явление фосфоресценции – свечения веществ, предварительно облученных солнечным светом. Явлением фосфоресценции обладают, в частности, соли урана, с которыми экспериментировал Беккерель. Узнав об опытах Рентгена, в которых наблюдалось свечение стеклянной трубки – фосфоресценция, Беккерель решил установить связь между этими явлениями, то есть не могут ли рентгеновские лучи испускаться солями урана после облучения солнечным светом. Для ответа на этот вопрос Беккерель поместил на несколько часов крупинки соли урана, предварительно облученные солнечным светом, на фотопластинку, завернутую в плотную черную бумагу. После проявления фотопластинки оказалось, что на ней хорошо видны отпечатки крупинок. Результат говорил, как будто бы, в пользу рабочей гипотезы – облученные крупинки соли урана излучают рентгеновские лучи. Опыты были продолжены, и однажды, в конце февраля 1896 года, опыт выполнить не удалось из-за пасмурной погоды. Вся заготовка для опыта была убрана и заперта в стол. Эта заготовка включала завернутую в плотную черную бумагу фотопластинку, на ней располагался медный крест в рамке из черной ткани, поверх креста была положена алюминиевая пластинка, сверху которой находились крупинки соли урана. Два дня спустя, проявив на всякий случай пластинку, Беккерель обнаружил на ней отпечаток креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно создавали какое-то излучение. Беккерель продолжил исследования и обнаружил, что излучение солей урана разряжает электроскоп, то есть ионизирует воздух. Испробовав различные химические соединения урана, Беккерель установил, что интенсивность неведомого излучения зависит только от количественного содержания урана в препарате и не зависит в какое соединение он входит. Следовательно, открытая способность к излучению является свойством, присущим атомам урана. Вскоре в 1898 году Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) во Франции обнаружила подобное излучение тория. Систематические исследования минералов позволили Марии Склодовской-Кюри и ее мужу Пьеру Кюри найти более активный элемент, названный в честь родины Марии Склодовской-Кюри Польши полонием. Супруги ввели для обозначения свойства испускать " лучи Беккереля" термин " радиоактивность". Позже ими был найден еще более радиоактивный элемент, названный радием (то есть лучистым).

После открытия ряда радиоактивных элементов началось исследование физической природы и свойств радиоактивного излучения. К этим исследованиям подключился Э. Резерфорд, начинавший свою работу в Кавендишской лаборатории у Д.Д.Томсона, и ряд других крупнейших физиков. Опытным путем было установлено, что радиоактивное излучение имеет сложный состав. Резерфорд писал в 1899 году: " Эти опыты показывают, что излучение урана является сложным и состоит по крайней мере из двух различных видов: одно, очень быстро поглощаемое, назовем для удобства α - излучением; другое, более проникающее, назовем β - θ η лучением". Через три года Поль Вильяр (1860-1934) обнаружил и третью составляющую, названную γ – излучением. Классический опыт по разделению α -, β -, γ -θ η лучения состоит в следующем (рис.34).

Рис.34.Схема опыта по изучению состава радиоактивного излучения

Радиоактивный препарат размещается в канале свинцового цилиндра. Против канала располагается фотопластинка. На пути от канала до фотопластинки излучение подвергается воздействию магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны оси канала. Вся установка размещается в вакууме. Если магнитное поле отсутствует, то на фотопластинке образуется одно темное пятно, расположенное на оси канала. Магнитное поле разделяет излучение, выходящее из канала на три составляющие. Две из них - α – излучение и β – излучение отклоняется магнитным полем в противоположных направлениях, γ – излучение не отклоняется. Эти составляющие отличаются и по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α – излучение. Оно не проходит через лист бумаги толщиной 0, 1 мм. Наибольшей проникающей способностью обладает γ – излучение. Судя по отклонению в магнитном поле, α – излучение и β – излучение представляют собой потоки частиц с противоположными зарядами. Исследования β – частиц показали, что они представляют собой поток электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, однако, существует некоторый разброс скоростей β – частиц. Оказалось, что γ – излучение по своим свойствам близко к рентгеновскому, но обладает еще большей проникающей способностью. После обнаружения дифракции γ – излучения на кристаллах и измерения длины волны рентгеновского излучения, стало ясно, что γ – излучение – это электромагнитное излучение с весьма малой длиной волны (10^-4-10^-7мкм) -меньшей, чем длина волны рентгеновского излучения.

Природа α – частиц оказалась более загадочной. Изучение α – частиц с самого начала имело определенные трудности, так как они слабо отклоняются электрическим и магнитными полями. Резерфорду, тем не менее, удалось измерить отношение заряда q к массе частицы m по методу Томсона. Оказалось, что у α – частицы на один элементарный заряд приходится две атомные единицы массы. С помощью счетчика Гейгера, регистрировавшего число частиц, и электрометра, показывавшего их суммарный заряд, Резерфорд определил заряд одной α – частицы. Он оказался равным двум элементарным. Поскольку на один элементарный заряд приходится две атомные единицы массы, на два элементарных заряда их будет четыре. Такой массой обладает ядро гелия (в то время Резерфорд говорил об ионе гелия), значит, α – частицы и являются ионами гелия, несущими положительный заряд. Для окончательного доказательства этого предположения Резерфорд прямым опытом показал, что гелий представляет собой составную часть радиоактивного излучения. Для этого Резерфорд собирал α – частицы внутри специального резервуара в течение нескольких дней, а затем с помощью спектрального анализа определил, что в сосуде находится гелий.

Важность исследований состава радиоактивного излучения отходила на второй план перед глобальным вопросом: откуда берется энергия, переносимая этим излучением? Радиоактивное излучение выделялось непрерывно без видимого уменьшения интенсивности в течение суток, месяцев и даже лет. Предположение, что энергия выделяется при превращении атомов, казалось фантастическим, и, тем не менее, это предположение стало рабочей гипотезой в исследованиях Резерфорда, проводимых им совместно с Фредериком Содди (1877 – 1956). Одним из первых, но определяющих, стал эксперимент, в котором обнаружилось снижение радиоактивности препарата тория, обдуваемого потоком воздуха. В закрытой же ампуле радиоактивность оставалась неизменной. Откаченный из ампулы, в которой находился торий, препарат содержал радиоактивный газ, образовавшийся вместе с излучением. Газ оказался инертным, и позднее был назван радоном. Последующие опыты Резерфорда и Содди позволили сделать окончательный вывод о превращении радиоактивных элементов. Приведем этот вывод в формулировке Резерфорда: " Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α – частица. В некоторых случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ – излучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях".

Если активность первых открытых радиоактивных элементов казалась неизменной, то некоторые вновь открытые элементы изменяли свою активность. Так, например, активность радона убывает в два раза уже через 1 минуту. Выяснилось, что активность всех радиоактивных элементов убывает, но в разной степени. Убывание активности стали характеризовать периодом полураспада – временем уменьшения активности вдвое. Если исходное число радиоактивных атомов ровно N₀, то оставшееся в результате распада число активных атомов будет

N= N₀2^-t/T,

где T – период полураспада.

Период полураспада урана составляет 4, 5 млрд. лет, поэтому в обозримом промежутке времени активность урана кажется неизменной. Период полураспада радона равен 1600 лет, то есть радон активнее урана. Существуют элементы с полураспадом в микросекунды.

После открытия атомного ядра стало ясно, что превращение претерпевает именно атомное ядро, так как в оболочке вообще нет α – частиц.

Превращение ядер подчиняется закону, сформулированному Содди: при излучении α -лучей (ядер атомов гелия) образуется новый элемент, стоящий в периодической таблице на две клетки левее, то есть ядро теряет положительный заряд, равный двум элементарным зарядам, а масса ядра убывает на четыре атомных единицы массы. Символически это записывается так:

X и Y – условные обозначения химических элементов, заряд ядра записывается индексом снизу, атомная масса – индексом сверху.

При испускании β - лучей образуется новый элемент, стоящий в периодической системе на одну клетку правее, то есть заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь е^-1обозначает электрон с пренебрежимо малой массой.

Содди удалось показать, что одну и ту же клетку периодической системы могут занимать элементы, обладающие разной массой, но с одинаковым зарядом ядра и одинаковыми свойствами. Он назвал их изотопами (греч. iso – " одинаковый", tope – " место" ). В исследовании изотопов выдающихся результатов достиг Френсис Уильям Астон (1877-1945), бывший в 1913 и 1914 гг. ассистентом Д.Д. Томсона. Астон для разделения изотопов применил электромагнитный метод, использованный Томсоном для измерения отношения заряда к массе частиц. Астону удалось существенно увеличить чувствительность метода, и, кроме того, он использовал фотографическую регистрацию. Разработанное им устройство получило название " масс-спектограф" и стало одним из самых мощных инструментов в исследованиях частиц.

Астон одним из первых обратил внимание на то, что атомные веса всех легких элементов представляли собой целые числа. Но для более тяжелых это правило начинает нарушаться, и отклонение возрастает с увеличением номера элемента в периодической системе. Существование изотопов объясняло такую ситуацию. Действительно, в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях.

Проблема отклонений атомных весов от " правила целого числа" и неравенство атомного веса водорода (1, 008) единице, натолкнула Астона на мысль о неаддитивности массы (неправомерности их простого арифметического сложения) при ядерных превращениях и о преобразовании массы в энергию в соответствии с теорией относительности Эйнштейна.

С начала 20-х гг. начались исследования по искусственному превращению элементов путем преобразования или разрушения их ядер. Наиболее подходящим " оружием" бомбардировки ядер представлялись α -частицы. В цикле исследований по бомбардировке бериллия α -частицами Д. Чедвик в 1932 году обнаружил какое-то сильно проникающее излучение. Это излучение состояло из частиц с массой протона, но электрически нейтральных. Частицы были названы Чедвиком нейтронами (лат. neutrum – " ни то, ни другое" ). Отметим, что Резерфорд предсказал существование таких частиц еще в 1921 году. За открытие нейтрона Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике за 1935 год. Интересно, что Нобелевские премии Резерфорду (1908), Содди (1921) и Астону (1922) были присуждены в области химии, поскольку их исследования касались превращений элементов.

Сразу после открытия нейтрона в 1932 году советский ученый Дмитрий Дмитриевич Иваненко предложил модель ядра, состоящую из протонов и нейтронов. По этой модели электрически нейтральный атом содержит равное число электронов и протонов. Массы протона и нейтрона близки друг к другу и каждая из них приблизительно равна единице массы. Сумму числа протонов и нейтронов называют массовым числом. Масса ядра много больше массы электронов, поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа атомной массе элемента. Число протонов в ядре указывает на место (номер) элемента в периодической системе элементов Менделеева. Изотопы имеют ядра с одним и тем же числом протонов, но с разным числом нейтронов, и, следовательно, с разным массовым числом. Протоны и нейтроны стали называть в целом нуклонами.

Нейтроны оказались более удобным инструментом для расщепления атомных ядер, чем α - частицы. Это объясняется их электрической нейтральностью и, следовательно, отсутствием кулоновского отталкивания при приближении к положительно заряженному ядру. Более того, при приближении к ядру возникает сила притяжения, то есть вместо барьера нейтрон встречает " потенциальную яму".

Но тогда как же α - частицы покидают ядро при радиоактивном распаде? Ответ на этот вопрос дал молодой советский физик Георгий Антонович Гамов (1904-1968), создавший теорию α - распада на основе квантовых представлений.

Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, природа которых до сих пор не выяснена, но установлено, что сумма масс, составляющих ядро нуклонов, больше, чем масса покоя ядра. Существует, как говорят, дефект масс:

где – число протонов, - масса протона, - число нуклонов, m_n- масса нуклона, - масса ядра. Для гелия масса ядра на 0, 75% меньше масс двух протонов и двух нейтронов. Можно подсчитать, что для одного моля гелия 0, 03 г. Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что освобождается энергия Е, по теории Эйнштейна являющаяся эквивалентом массы:

Эта энергия переходит в излучаемые -кванты. Практическое использование ядерной энергии стало возможным благодаря испусканию в процессе деления нейтронов, что позволяет осуществить цепную реакцию деления с выделением огромной энергии. Для осуществления ядерных реакций деления используется изотоп урана и плутоний ; делящийся под воздействием медленных нейтронов.

В отличие от реакций деления, термоядерные реакции являются реакциями синтеза. Масса покоя ядра гелия меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого изотопа водорода. При слиянии ядер образуется дефект масс и высвобождается соответствующая энергия. Такие реакции возможны только при очень высоких температурах, отсюда их название – термоядерные. Но если реакции деления удалось сделать управляемыми, и на их основе работают атомные энергетические установки, в том числе электростанции, то термоядерная реакция пока неуправляема и реализована лишь при взрывах водородных (термоядерных) бомб.

Итак, неделимость атома была опровергнута. Частицы, входящие в состав атома, стали называть элементарными. Первой из них стал электрон, затем протон, нейтрон.

По мере развития экспериментальной ядерной техники и технологии, с появлением мощных ускорителей число открытых частиц все возрастало. Возник вопрос, насколько элементарная частица на самом деле элементарна. В понятие элементарности включали первоначально два аспекта: неизменность и неделимость. Как выяснилось, неизменных частиц не существует. Но идея неделимости, то есть неразложимости на составные части, до сих пор остается.

Все многообразие частиц, открытых к настоящему времени, охватывается классификацией, представленной на рис.35.

Рис.35. Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы можно разделить на два класса: фермионы (в честь Энрико Ферми) и бозоны (в честь Шатьендраната Бозе). Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. Фермионы в свою очередь делятся на лептоны (греч. leptos – " легкий" ) и адроны (греч. adros – " сильный" ). В состав адронов входят кварки. Название " кварк" дал частицам американский физик Марри Гел-Ман, заимствовав его из романа Дж. Джойса " Поминки по Финнегану", где это слово означало нечто неопределенное. В квантовой теории установлено, что любому полю соответствуют частицы, осуществляющие взаимодействия. Эти взаимодействия переносятся четырьмя типами бозонов. Фотон представляет собой квант излучения и переносит электромагнитные взаимодействия. Силу тяготения между телами, имеющими массу, переносит гравитон. Глюоны переносят сильные ядерные взаимодействия. Векторные бозоны осуществляют перенос слабых взаимодействий. Напомним, что сильные или ядерные взаимодействия реализуются внутри ядра атома. Слабые взаимодействия во 10¹⁴ раз слабее ядерных и не способны удерживать частицы. Они вызывают распады элементарных частиц, например, нейтронов. Считается, что к этим четырем типам взаимодействия сводятся все силы в природе. Современная наука ищет пути теоретического объединения четырех фундаментальных типов взаимодействий. Максвеллу удалось объединить электрическое и магнитное взаимодействие в один тип – электромагнитное. В настоящее время существуют теории, объединяющие электромагнитное и слабое взаимодействие, теория Великого объединения (общая теория объединения электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия) и Теория Всего Сущего, объединяющая все типы взаимодействия. Считается теоретически доказанным, что фундаментальные взаимодействия объединяются при очень высоких энергиях или температурах, экспериментальное получение которых в настоящее время не возможно.

⇐ Предыдущая 21 22 23 24 252627 28 29 30 Следующая ⇒