§ 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:
— 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.
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 эВ 1 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.
§ 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:
— 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.
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 эВ 1 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.
«Лоб в лоб» на скорости света
Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.
Наверное, каждый из нас хотя бы раз пытался разобрать игрушку, чтобы посмотреть, что у нее внутри. Подобное любопытство движет и учёными, которые стремятся выяснить устройство материи вплоть до самых элементарных кирпичиков. А чтобы проводить такие исследования, проектируют и строят специальные экспериментальные установки — ускорители.
На границе Швейцарии и Франции, глубоко под землёй, проходит огромный кольцевой тоннель. Его длина — без малого 27 км. Когда-то, еще в 80-е годы XX века, этот тоннель прорыли для того, чтобы исследователи из ЦЕРНа — Европейского центра ядерных исследований — могли разгонять в нём до огромных скоростей электроны и позитроны. Теперь в этом самом тоннеле создан новый ускоритель, который получил название «Большой адронный коллайдер».
Слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. В обычных ускорителях пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.
Почему коллайдер называется адронным? Среди элементарных частиц есть семейство адронов. К нему относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов — то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.
Разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, что имеет электрический заряд. Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно из названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами эксперимента станут протоны (ядра атомов водорода) и тяжёлые ядра свинца.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер — самый мощный в мире. С его помощью физики надеются получить протоны с энергией 7ТэВ (тераэлектронвольт, то есть 10 12 эВ). Это значит, что при столкновении выделится суммарная энергия 14 ТэВ. Чтобы достичь такой энергии, протоны должны лететь почти со световой скоростью (если точнее, то со скоростью, которая составляет 0,999999991 от скорости света). При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километровому кольцу 11 000 раз! Пучок протонов может летать внутри коллайдера 10часов. За это время он преодолеет более 10 миллиардов километров — расстояние до планеты Нептун и обратно.
Вдоль всего тоннеля установлены сверхпроводящие магниты. Частицы разгоняются в электрическом поле, а магнитное поле направляет их по круговой траектории — иначе они врежутся в стенку. Поскольку магниты не простые, а сверхпроводящие (только они позволяют достичь требуемых величин магнитного поля), то для работы их необходимо охладить до температуры 1,9 К. Это ниже, чем температура в космическом пространстве (2,7 К). Чтобы получить космический холод в земных условиях, в охлаждающие системы коллайдера требуется залить 120 т жидкого гелия.
Два пучка движутся во встречных направлениях по двум кольцевым трубам. Ничто не должно мешать движению частиц, поэтому воздух из труб откачан до глубокого вакуума. Столкновения могут происходить только в четырёх точках, где трубы пересекаются. Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.
Взаимодействие и превращения известных на сегодняшний день элементарных частиц неплохо описывает теория, называемая Стандартной моделью. Но на некоторые вопросы эта теория ответить не может. Например, она не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют её вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица — бозон Хиггса. Её-то и надеются обнаружить физики при столкновении протонных пучков с большой энергией. Возможно, что Большой адронный коллайдер поможет нам понять, что такое тёмная материя и тёмная энергия, на которые, как считают астрофизики, приходится более 95% всей материи во Вселенной.
В столкновениях пучков тяжёлых ядер физики надеются создать условия Большого взрыва — отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кварк-глюонная плазма. По прошествии одной сотой доли микросекунды кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но как знать, быть может, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей — ведь при столкновении ядер свинца предполагается достичь температуры, в сто тысяч раз превышающей температуру в центре Солнца.
Как увидеть невидимое?
О чёрных дырах и «конце света»
С Большим адронным коллайдером связано множество мифов. Например, говорят о том, что при столкновении частиц с высокой энергией образуется чёрная дыра, в которую может «затянуть» всю нашу планету, и наступит «конец света». На самом деле рекордная для физики элементарных частиц энергия в 14 ТэВ чрезвычайно мала — это две миллионные доли джоуля. Чтобы довести до кипения один литр воды, потребуется энергия более ста миллиардов протон-протонных столкновений. Кроме того, Землю в течение миллиардов лет бомбардируют космические частицы с энергией в миллионы раз большей, чем энергия протонов в ускорителе. И пока ни к каким ужасным последствиям это не привело. Правда, некоторые физики полагают, что чёрные дыры в коллайдере появятся — но микроскопические и очень коротко живущие.
То, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов, предположил древнегреческий ученый Демокрит (кстати, «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но лишь через многие столетия физики доказали, что так оно и есть. Потом обнаружилось, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. Физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше на свете нет. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского glue — клей).
