Радиоактивные элементы и возможности превращения элементов
Закон спонтанного распада радиоактивных атомов связывает радиоактивные превращения с уже известными видами естественной радиоактивности — -лучами. Возникающие
при радиоактивном распаде новые элементы исследовали Ф. Сод-ди с Э. Резерфордом (1902). Они пришли к выводу, что «радиоактивность — атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые вещества. Эти изменения должны происходить внутри атома, а радиоактивные элементы являются, должно быть, спонтанными превращениями атомов». В 1903 г. Содди доказал, что в радии через несколько месяцев появляется гелий. Резерфорд догадался, что гелий образуется а-частицами, испускаемыми радием. Но только с использованием счетчика а-частиц (счетчик Гейгера) стало понятно, что а-части-
цы — это ионы гелия (1908). Содди строил «генеалогические» схемы радиоактивных веществ. Основной закон радиоактивного распада— закон убывания активности эманации со временем по экспоненте, причем каждому веществу соответствовал свой период полураспада — установили Содди и Резерфорд. И по содержанию урана, свинца и гелия, присутствующих в урановой руде, стало возможно определить возраст Земли. Итак, среднее время жизни элемента — это точно определенная константа для каждого элемента (см. рис. 2.5).
Особенность этого закона в том, что он — статистический: проявляется яснее, если число распадающихся атомов больше. Но он отличался от статистических законов классической физики, которые могут рассматриваться суммой частных динамических законов, вызываемых внешними причинами. Причины превращений нужно искать в самом атоме, и любая теория строения атома должна удовлетворять требованиям недопущения «старения» вещества, как выразилась М.Кюри. Возникла новая концепция закона, данного безотносительно к поведению индивидуальных объектов, составляющих совокупность. Менялась общая направленность вопросов: вместо того, чтобы интересоваться, почему один атом распадается через сутки, а другой — через 1000 лет, стали определять количество атомов для данного элемента, распадающихся за 1 с.
Эйнштейн использовал идею этого закона при получении одного из основных квантовых статистических законов излучения (1916). И как каждый радиоактивный атом взрывается в результате случайного процесса в некий непредвиденный момент без видимой на то причины, так и переход в атоме должен происходить по статистическим законам. Затем он пересмотрел на этой основе теорию броуновского движения, получил формулу Планка для излучения абсолютно черного тела и показал, что при каждом элементарном акте излучения должен испускаться фотон с импульсом в совершенно случайном направлении. Хотя данные работы по квантовой теории излучения статистичны, Эйнштейн оставался детерминистом — он считал точный момент перехода электрона, определяемым по законам причинности, которые зависят от структуры возбужденного атома. И статистический метод он использовал как бы от незнания этих законов.
Весной 1913 г. Содди сформулировал правило: испускание а-частиц уменьшает атомную массу элемента на 4 и смещает его на два места влево по Периодической таблице, а испускание -частицы смещает элемент вправо на одно место, почти не меняя атомной массы (рис. 6.2). Значит, химические свойства элементов (по крайней мере, радиоактивных) связаны не с атомной массой, как это утверждала классическая химия, а с внутриатомным электрическим зарядом.
Самопроизвольный распад и образование новых элементов изучали с начала XX в. Так, при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал — торианит, который в Англии исследовали У. Рамзай и О. Ган. Они получили вещество, соответствующее торию, но с большей радиоактивностью, и назвали его радиоторием. Среднее время его жизни оказалось 2 года. Значит, им можно было бы заменить дорогостоящий радий в лабораторных опытах, но они не смогли выделить радиоторий никакими химическими методами. В 1907—1910 гг. подобные проблемы возникали при выделении некоторых других радиоактивных элементов. После открытия нейтрона опыты по бомбардировке -частицами продолжались, меняя представления об элементах и показывая возможность превращения одних элементов в другие.
Содди, как и другие, не мог отделить ионий от тория никакими химическими способами. Это было странно, поскольку большинство радиоактивных элементов расположено в Периодической таблице вблизи инертных газов, а свойства элементов в этой части таблицы легко предсказываются, поэтому они и должны легко отделяться. Кроме того, в этой части таблицы нет свободных клеток. Расчеты по модели атома Томсона показывали, что число электронов в атоме пропорционально атомному весу. Так Содди пришел к выводу и показал (1913), что в одной клетке
таблицы могут быть элементы с разной атомной массой, но обладающие одним зарядом ядра и одинаковыми свойствами. Содди назвал их изотопами (от греч. iso — одинаковый + tope — место). Впоследствии установили, что в состав ядра помимо протонов входят нейтроны, которые и изменяют атомные массы.
Английский физик Ф.Астон еще в 1913 г. разделял изотопы методом газовой диффузии. Он предложил электромагнитный метод: ионизованные атомы отклоняются электрическим или магнитным полем, а величина отклонения зависит от массы. В 1919 г. Астон сконструировал первый масс-спектрограф, который свел проблему к простой лабораторной операции, и произвел революцию в исследовании изотопов. Астон выяснил почти все об изотопах. Он открыл и изучал большое число стабильных изотопов. Все опытные факты, полученные в лаборатории Резерфорда, относились к радиоактивным элементам, поэтому необходимо было получить подтверждение, что и нормальные атомы устроены аналогично.
Первое искусственное расщепление ядра атома было осуществлено в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Он изучал столкновение -частиц с легкими атомами. От таких ударов частицы ускорялись: ядро водорода, например, увеличивало свою скорость в 1,6 раза, на что оно отбирало у частицы 64 % ее энергии. Такие ускоренные ядра наблюдал в 1914 г. Марсден. Первая мировая война затормозила эти исследования, и лишь в 1919 г. Резерфорд стал облучать азот а-частицами, наблюдая появление однозарядных ионов водорода, названных Марсденом протонами. Их получалось очень мало: на миллион а-частиц — 20 протонов. Кроме протонов Резерфорд получил и изотоп кислорода с массой 17.
Первую ядерную реакциюс искусственным превращением элементов осуществили в 1921 г. Резерфорд и Дж.Чедвик из ядер азота получили ядра изотопа кислорода при бомбардировке а-частицами. В 1932 г. И. и Ф.Жолио-Кюри сфотографировали следы протонов в камере Вильсона, выбиваемых из парафина бериллиевым излучением. Вновь возникла проблема источника энергии — появление протонов требовало рождения в бериллии фотонов с энергией 50 МэВ. Чедвик показал, что эти трудности снимаются, если предположить, что излучение бериллия состоит из частиц с массой, примерно равной массе протонов, и нулевым зарядом. Результаты исследований этих реакций Чедвик опубликовал в 1932 г., назвав эти частицы нейтронами (от лат. neutrum — ни то, ни другое). Существование нейтронов вскоре было подтверждено: они испускались ядрами аргона, натрия и алюминия при облучении их а-частицами. Свободный нейтрон нестабилен, он распадается на протон, электрон и нейтрино с периодом полураспада 11,7 мин.
Расщепления атомов кислорода под действием нейтронов добились в том же 1932 г. Л.Майтнер и К.Филипп. Впоследствии были получены расщепления и других атомов. «Большая эффективность нейтронов в получении ядерных реакций, —
говорил Чедвик, — легко объясняется. При столкновении заряженной частицы с ядром вероятность ее проникновения в ядро ограничена кулоновской силой. И это определяет то минимальное расстояние, на которое может приблизиться частица и которое возрастает с увеличением атомного номера ядра и становится столь большим, что вероятность проникновения в ядро становится малой. В случае соударения с ядром нейтрона ограничения такого типа не возникает. Сила взаимодействия нейтрона с ядром очень мала, только на малых расстояниях она начинает быстро расти и носит характер притяжения. Вместо потенциального барьера, как в случае заряженных частиц, нейтрон встречает «потенциальную яму». Поэтому даже нейтроны слабых энергий могут проникать в ядро».
В 1928 г. молодой советский физик Г. А. Гамов и независимо от него Р.Гарни и Э.Кондон создали квантово-механическую теорию а-р а с п а д а. Было непонятно, как а-частица могла преодолеть потенциальный барьер и выйти из ядра. Гамов использовал аналогию с частичным проникновением света во вторую среду при падении на границу раздела двух сред под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и объяснил явление с помощью волновой механики.
После открытия нейтронов стала актуальной проблема состава ядра. В 1930 г. В.А.Амбарцумян и Д.Д.Иваненко и независимо от них П.Дирак высказали идею, что электронов в ядре вообще нет. Но научное сообщество отнеслось к этой идее весьма скептически. После открытия нейтронов Иваненко предположил, что ядра состоят только из протонов и нейтронов (1932). Гипотеза Иваненко, привлекательная своей простотой, была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений, быстро распространилась и стала использоваться. Протоны и нейтроны как основу строения ядра стали называть нуклонами. Проблема ядерных сил до сих пор не решена, хотя эта гипотеза лежит в основе современной теории строения ядра.
Теорию р-распада в 1936 г. выдвинули Паули и итальянский физик Энрико Ферми. Они предположили, что в ядре происходит превращение нейтрона в протон с одновременным испусканием электрона и нейтрино (нейтральной частички, обладающей ничтожной массой и собственным моментом вращения, или спином, равным 1/2). Испускание электрона происходит примерно так же, как фотон испускается атомом. Впоследствии, опираясь на теорию р-распада, Ферми построил цикл термоядерных реакций (протон-протонный), который лежит в основе происхождения энергии Солнца и звезд. Доказать справедливость теории можно лишь обнаружением конечных продуктов этих реакций — нейтрино.
Фотографии протона, вылетающего при столкновении а-частицы с атомом азота, получил в камере Вильсона ученик
Резерфорда П. Блэккет (1925). Но это явление, т. е. расщепление ядра, происходило очень редко: на 23 000 фотографий с 460 000 траекторий частиц только в восьми случаях наблюдался вылет протона. Значит, а-частицы неэффективны для получения расщепления. Теория Гамова показывала путь ее повышения — нужно придать частице энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Для маленьких частиц вероятность проникновения больше, поэтому, разогнав протоны до большой скорости, можно добиться с ними большей эффективности, чем у а-частиц.
Для сравнения произведем оценку возможности теории Гамова. В атомной физике 1,6-10-19 Дж (1 эВ) соответствует энергии, приобретаемой частицей с зарядом е при прохождении разности потенциалов 1 В. Энергия наиболее быстрых а-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, равна 12,8-10-13 Дж (8 МэВ). В 1925 г. для получения рентгеновских лучей использовались мощные индукционные катушки с разностью потенциалов порядка 100 кВ. Значит, ускоренный в таком поле электрон (или протон) мог приобрести энергию 0,16 • 10-13 Дж (0,1 МэВ). Но теория Гамова предсказывала, что протоны с энергией 1,6 • 10-13 Дж (1 МэВ) будут по эффективности равны а-частицам с энергией 51,2-10-13 Дж (32 МэВ). Идея была привлекательной, и начали строить все более мощные установки с огромными напряжениями. Возникла современная алхимия, как выразился Резерфорд.
Космические лучи, открытые еще в 1904 г., привлекали и астрономов, и геофизиков. Лучи вызывали первичную ионизацию воздуха, возрастающую с высотой. После первой мировой войны их изучение возобновилось не только на высотах, но и в глубинах водоемов. Космическое излучение считалось состоящим из у-квантов, вызывавших в атмосфере р-излучение. Д. В. Скобельцын, основатель советской школы физики атомного ядра и космических лучей, впервые исследовал эти лучи с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, и установил, что ионизация воздуха создается не у-квантами, а быстрыми р-луча-ми при энергии 3,2 10-11 Дж (200 МэВ). Дальнейшие исследования показали, что первичные космические лучи, состоящие в основном из протонов, действительно рождают быстрые р-лучи.
Американский физик К. Андерсон продолжил исследования лучей по методу Скобельцына и обнаружил (1932) на фотоснимках треков (следов) в камере положительные электроны, которые назвал позитронами (одновременно их открыли в Англии Блэккет и Оккиалини). Тут и вспомнили о релятивистском уравнении для электрона, полученном Дираком еще в 1928 г., где предсказывалось существование положительно заряженных электронов. Велись активные поиски позитрона в самых разных процессах. При облучении ядер тяжелых элементов жесткими у-квантами зафиксировали рождение пар электрон—позитрон — так материя у-кванта перехо-
дила в материю электрона и позитрона. В 1933 г. Ф.Жолио продемонстрировал фотографию в камере Вильсона, где было зарегистрировано рождение пары электрон—позитрон. Затем было открыто превращение пары электрон—позитрон в два -кванта — этот процесс назвали аннигиляцией. Образование позитрона было обнаружено и при взаимодействии с ядрами а-частиц и нейтронов. Так в очень короткий срок стало известно о существовании античастиц.
Искусственные радиоактивные элементыоткры-ли И.Кюри, дочь П. и М.Кюри, и ее муж, Ф.Жолио (1934). Годом раньше они установили, что при бомбардировке а-частицами некоторых легких элементов возникают позитроны, испускающиеся и после реакции. Из энергетических соображений сначала а-час-тица захватывается ядром алюминия с мгновенным испусканием нейтрона и образованием радиоактивного атома (изотопа фосфора с атомной массой 30), затем этот нестабильный атом (названный радиофосфором) распадается с испусканием позитрона и превращается в уже устойчивый изотоп кремния. Этот новый вид радиоактивности, помимо -лучей, сопровождался испус-
канием античастиц — позитронов. Так им «удалось впервые с помощью внешнего воздействия вызвать у некоторых ядер радиоактивность, которая сохраняется в течение измеримого времени в отсутствие вынуждающей причины». Появились новые изотопы, которые до этого в природе не наблюдались. Открытие искусственной радиоактивности имело большое значение для науки и нашло огромное применение в биологии и практической медицине. К настоящему времени из 2000 радиоактивных изотопов только 300 имеют естественное происхождение.
Опыты по бомбардировке нейтронами ядер тяжелых элементов проводил Ферми. За одно лето 1934 г. он облучил 60 элементов и получил 40 радиоактивных продуктов. Выяснилось, что при захвате ядрами медленных нейтронов могут образовываться радиоактивные изотопы тех же или последующих элементов. Так, при облучении урана найдены изотопы нескольких веществ с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и 100 мин. Ферми отметил, что последние два не являются изотопами элементов между номерами 82 и 92. Так были открыты трансурановые элементы. К 1939 г. было получено около 400 новых радиоактивных веществ. Кроме того, Ферми отметил, что эффективнее действуют «замедленные» (или тепловые) нейтроны, предварительно прошедшие через воду или парафин. Эту кажущуюся парадоксальной ситуацию Ферми объяснил с позиций волновой механики. Ферми собрал группу своих учеников, и они облучили нейтронами 63 элемента, из которых для 37 было установлено явление искусственной радиоактивности.
Возникла идея, что нейтроны (в отличие от а-частиц) могут расколоть ядро на большие осколки. В 1938 г. О. Ган и Ф. Штрас-
сман обнаружили барий после бомбардировки нейтронами урана. При этом выделялась энергия порядка 200 МэВ, что соответствовало энергии, связанной с дефектом массы при образовании бария и криптона. Работавшая с ними до прихода нацизма Л. Май-тнер, ее племянник О.Фриш, вынужденные бежать в Копенгаген к Бору, и Ф.Жолио поняли реакцию и употребили первыми термин «деление». 26 января 1939 г. Бор сообщил об открытии деления урана на конференции в Вашингтоне, 30 января в Парижской Академии наук об этом же сообщил Ф. Жолио, а 20 февраля он продемонстрировал эффект «взрыва», заснятого в камере Вильсона (рис. 6.3).
Исследования конца 30-х гг. стимулировали развитие представлений о структуре ядра, которое тогда рассматривали как твердое тело, склеенное из а-частиц и нуклонов. Поэтому столкновение могло упруго выбить лишь их. Бор объяснил деление резонансными явлениями при захвате нейтрона ядром «редкого изотопа урана 235» (в природном уране его только 0,711 %). В 1939 г. ленинградский физик-теоретик Я.И.Френкель дал объяснение этому на основе модели ядра в виде жидкой капли: ядро должно обладать огромным поверхностным натяжением (порядка 1016 Н/м). Капельная модель позволила определить границы устойчивости ядер, попадание нейтрона приводит к электрокапиллярным колебаниям капли, что и вызывает ее деление почти пополам. Впоследствии эту теорию разрабатывали Н. Бор и Дж. Уилер (1940). В том же году были проведены опыты по самопроизвольному делению ядер урана (Г. Н. Флеров, К.А.Петржак), которые доказали наличие этого механизма деления.
Вскоре было обнаружено, что при делении урана появляются свободные нейтроны, которые, попадая в ядро урана, могут вызвать новый процесс деления. Появились и теоретические работы, в которых формулировались конкретные условия для получения ядерной взрывной реакции деления. Наиболее значительных результатов в этом направлении достигли физики-теоретики
Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон (ученики Н. Н. Семенова), впервые осуществившие расчет цепной реакции деления урана.
Они выделили условия, необходимые для замедления процесса высвобождения ядерной энергии, и писали: «Для осуществления условий цепного взрыва урана необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород или, может быть, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата. Значительное по сравнению с водородом сечение рассеяния и несколько меньшая эффективность обмена энергией могут компенсироваться ничтожно малым сечением захвата нейтронов и связанной с этим возможностью чрезвычайного разбавления урана… Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом 235». Так они показали, что при небольшом увеличении доли более легкого изотопа урана и воды, замедляющей нейтроны, можно в массе урана, большей, чем «критическая», получить постепенное высвобождение огромного количества энергии. Реакцию делают управляемой, замедляя нейтроны с помощью графитовых стержней.
Открытие деления урана ознаменовало начало эры ядерной физики. После того как удалось расщепить ядра урана и плутония, сумели добиться быстрого и интенсивного высвобождения энергии, необходимой для взрыва атомной бомбы.
В 1942 г. под руководством итальянского физика Э.Ферми был запущен первый атомный реактор в США и уже через 4 года в СССР под руководством И.В.Курчатова. Советский атомный реактор стал первым в Европе (1946), он производил искусственное ядерное горючее — плутоний. Потом появились и заводы по обогащению урана легким изотопом. Во время второй мировой войны в Германии и странах антигитлеровской коалиции велись интенсивные работы по созданию атомного оружия. Казалось, овладение таким оружием сможет сразу прекратить войну. Первые атомные бомбы были сброшены американскими летчиками на японские города Хиросиму и Нагасаки в августе 1945 г., продемонстрировав всему миру мощь США. В июне 1946 г. в комиссии ООН по атомной энергии советская делегация внесла проект Международной конвенции «О запрещении производства и применения оружия, основанного на использовании атомной энергии, в целях массового уничтожения».
В декабре 1946 г. в СССР была впервые в Европе осуществлена самоподдерживающаяся цепная реакция в экспериментальном реакторе на тепловых нейтронах, а через полтора года — пущен первый промышленный реактор для наработки оружейного плутония. Тепловыми (медленными) называют нейтроны, обладающие малыми значениями энергии (до 45 МэВ). Медленные нейтроны поглощаются, не выдавая деления, и превращают его в ядро радиоактивного изотопа с периодом полу-
распада 23 мин; после этого получается ядро трансуранового элемента нептуния, который имеет период полураспада 2,3 сут. Затем получа-
ется с периодом полураспада 24 100 лет, поэтому его можно накап-
ливать в больших количествах. И несмотря на тяжелые послевоенные годы в СССР в апреле 1949 г. был запущен опытный реактор на тяжелой воде мощностью 500 кВт и началось получение обогащенного. В августе того же года на Семипалатинском полигоне были проведены
успешные испытания атомной (плутониевой) бомбы в нашей стране, и монополия США была разрушена. Сборка самой бомбы осуществлялась в 60 км южнее города Арзамас, в лаборатории Арзамас-16 (аналог американской в Лос-Аламосе), которую возглавлял Ю.Б. Харитон. В 1951 г. была взорвана советская атомная бомба, изготовленная из урана-235, и вступил в строй реактор для получения трития — основного изотопа, применяемого при термоядерных реакциях. Годом ранее советские физики предложили изолировать горячую плазму от стенок установки с помощью магнитного поля и сделали необходимые расчеты. Но в СССР не только добились создания атомного оружия — в том же 1951 г. в стране начался серийный выпуск радиоизотопной аппаратуры на изотопе кобальт-60 для нужд промышленности, строительства и медицины.
Для решения научных задач, связанных с созданием водородной бомбы, инициатива создания которой принадлежала Э. Тел-леру, в нашей стране была создана группа во главе с академиком И. Е.Таммом, где наиболее активным и результативным сотрудником оказался А.Д.Сахаров, только что защитивший кандидатскую диссертацию по теории атомного ядра. Хотя общее руководство проектом осуществлялось И.В.Курчатовым, а руководителем работ и главным конструктором был Ю. Б. Харитон, в конструкции бомбы реализованы основополагающие идеи А.Д.Сахарова, и его по праву называют «отцом водородной бомбы». В 1953 г. в Семипалатинске прошли первые в мире испытания водородной бомбы, а затем заработала и первая в мире атомная станция в городе Обнинске мощностью 500 кВт (1954). Хотя при работе реактора используется энергия деления ядер, а не атомов, в популярной литературе сложилась терминология «атомная энергетика», АЭС вместо «ядерная энергетика».
В ядерном топливе заключена огромная концентрация энергии; для сравнения — для обеспечения работы ТЭЦ мощностью 1 млн кВт необходимо расходовать около 4 — 5 млн т угля в год, а для запуска АЭС с реактором ВВЭР-1000 при той же мощности нужно загрузить в реактор примерно 70 г ядерного топлива, меняя в год около 23 г. Хотя мощность этой первой в мире атомной станции была невелика, она явилась хорошей школой для подготовки специалистов по атомной энергетике, а опыт ее безаварийной работы позволил развернуть широкое строительство мощных атомных станций с различными типами реакторов. Так теоретические исследования были воплощены в технологии, укрепили политическое положение страны, обеспечили энергетику. С использованием атомной энергии стали работать и разнообразные транспортные средства.
В 1956 г. на судоверфи адмиралтейского завода в Ленинграде был заложен атомный ледокол «Ленин» с ядерной энергетической установкой, который начал навигацию весной 1960 г. Впоследствии атомные энергетические установки были с успехом использованы на ледоколах «Арктика»,
«Сибирь», контейнеровозе «Севморпуть» и других, а затем и на атомных подводных лодках, составлявших гордость советских ВМС. В 1958 г. был объявлен первый советский односторонний мораторий на испытание атомного оружия, начала работу экспериментальная термоядерная установка «Огра». В 70-е годы был запущен первый в мире термоэмиссионный реактор-преобразователь «Топаз-1». А разработанные изотопные генераторы и плазменные двигатели успешно работали на космических аппаратах «Кос-мос-34», «Космос-90», «Зонд-2», «Луноход-1», «Луноход-2» и др. В 1975 г. была проведена первая в мире операция по вживлению в организм радиоизотопного кардиостимулятора. Была запущена импульсная термоядерная установка «Ангара» (1983) и термоядерная установка «Токамак» (1988).