Ядерная бомбардировка

Химическую энергию можно было легко вызывать и контролировать, поскольку она обусловлена изменениями электронов на внешних оболочках атомов.

Вызвать ядерную реакцию, то есть раскачать протоны внутри ядер, значительно сложнее. Они гораздо более массивны, чем электроны, и соответственно труднее приходят в движение. Более того, они находятся в самой глубине атома. Физики 20-х годов не располагали средствами для такого повышения температуры, которое могло бы заставить атомы столкнуться друг с другом и сбить ядра с их обычных мест.

Проникнуть в глубины атома могли только субатомные частицы, разогнанные до определенной скорости. Уже в 1906 году Резерфорд использовал поток альфа-час- тиц, испускавшихся радиоактивным веществом, чтобы бомбардировать золото, и показал, что иногда эти альфа-частицы от клонялись атомными ядрами. Фактически, с помощью проведенного им эксперимента, ученый впервые показал, что атомные ядра действительно существуют.

Резерфорд продолжал свои эксперименты с бомбардировкой ядра. При столкновении с ядром альфа-частица могла передать ему свою энергию и отправить его вперед наподобие одного бильярдного шара, ударяющего по другому шару. Вылетавшие таким образом ядра вызывали при столкновении с веществом свечение (сцинтилляцию). По его интенсивности стало ясно, что одна альфа-частица могла выбивать несколько ядер, каждое из которых давало искрение.

В 1919 году Резерфорд бомбардировал альфа-частицами азот и обнаружил, что он получил такое же свечение, как и бомбардируемый этими частицами водород. Значит, при бомбардировке, полагал Резерфорд, из ядер азота также выбивались протоны. Действительно, как было открыто позже, Резерфорд произвел превращение ядра азота в ядро кислорода.

Именно так впервые в истории человек смог осознанно изменить структуру атомных ядер.

Продолжив свои опыты, в 1924 году Резерфорд показал, что альфа-частицы можно использовать, чтобы выбивать протоны из ядер практически всех элементов вплоть до калия (атомный номер 19).

Однако оказалось, что возможности альфа-частиц как средства бомбардировки ядер ограничены.

Во-первых, использовавшиеся для бомбардировки альфа-частицы, как, впрочем, и атомные ядра, были заряжены положительно. Это означало, что альфа-частицы и атомные ядра отталкивали друг друга и большая часть энергии альфа-частиц использовалась для того, чтобы преодолеть силу отталкивания.

Во-вторых, альфа-частицы двигались лишь в общем направлении к мишени, а не были направлены прямо на ядро. Ядра и альфа-частицы могли столкнуться только случайно. К тому же служащие мишенью ядра настолько малы, что большинство бомбардирующих их частиц пролетало между ними. Позже подсчитали, что при проведенной Резерфордом бомбардировке азота только 1 альфа-частица из 300 ООО ухитряется поразить ядро азота.

Результат очевиден. Существует энергия, которую можно извлечь в ходе ядерной реакции, но существует и энергия, которую необходимо затратить, чтобы вызвать эти ядерные реакции. В случае ядерной бомбар- Гелий-4

Нейтрон

(альфа-частица)

Кислород-17

\

N

\

\ Нейтрон-1

(протон)

Протон

О

дировки субатомными частицами (а это единственный способ, с помощью которого можно вызвать ядерные реакции) затрачиваемая энергия во много раз превосходит ту энергию, что может быть извлечена. Вот почему такое множество субатомных частиц используют свою энергию для ионизации атомов, выбивая из них электроны, и никогда не вызывают ядерных реакций.

Все выглядело так, будто для того, чтобы зажечь свечу, нужно было потратить 30 ООО спичек, зажигая их одну за другой. Понятно, что в этом случае применение свечей оказывалось неэффективным.

На самом деле драматическим результатом бомбардировки альфа-частицами оказалось то, что она не имела ничего общего с производством энергии, скорее наоборот — в ходе ядерной реакции поглощалось больше энергии, чем образовывалось.

Подобные результаты были впервые получены в 1934 году, когда французская супружеская пара физиков Фредерик Жолио- Кюри (1900—1958) и Ирен Жолио-Кюри (1897 — 1956) стали бомбардировать альфа- частицами алюминий-27 (атомный номер 13). Они хотели соединить альфа-частицу с ядрами алюминия-27, чтобы образовать новое ядро с атомным номером на две единицы выше (15) и массовым числом на 3 единицы выше (30).

Элемент с атомным номером 15 — это фосфор, состоящий из фосфора-30. Един- сгвенный изотоп фосфора, который встречается в природе, — фосфор-31. Фосфор- .40 оказался первым элементом, созданным человеком, он был произведен в ходе химических реакций, проведенных в лаборатории.

Фосфор-30 не встречался в природе, потому что количество энергии в нем было слишком высоким, чтобы он оставался стабильным. Содержавшаяся в нем энергия выделялась посредством испускания частиц, и результате чего его ядра переходили в стабильное состояние, то есть в кремний-30 (атомный номер 14). Это был пример искусственной радиоактивности.

Начиная с 1934 года посредством различных видов бомбардировки альфа-частицами в физических лабораториях разных стран мира были получены тысячи ядер, не существовавших в природе. И каждый из этих элементов оказывался радиоактивным.