Алхіміки Середньовіччя мріяли про філософський камінь, що перетворював би всі речовини на золото. «Сучасна алхімія» — так назвав Е. Резерфорд свою книгу про перетворення атомних ядер. Про те, які зміни відбуваються з ядром під час радіоактивного випромінювання, що таке ядерні реакції та за якими законами відбуваються ці процеси, йтиметься в цьому параграфі.
Які види радіоактивного випромінювання є відомими
Перші реальні докази можливості перетворення одного елемента на інший з’явилися у фізиків під час дослідження явища радіоактивності. Стисло нагадаємо схему одного з таких дослідів (рис. 56.1). У свинцевому контейнері (1) з невеликим отвором розміщували радіоактивну речовину (2). Пучок радіоактивного випромінювання, що виходив з отвору, спочатку потрапляв у сильне магнітне поле постійного магніту (3), а потім на фотопластинку (4), розміщену навпроти отвору.
На фотопластинці після проявлення було видно три темні плями. Це означає, що в магнітному полі радіоактивне випромінювання розділилося на три складники. їх було названо а (альфа)-випромінювання, β (бета)-випромінювання та γ (гамма)-випромінювання. Найбільший внесок у вивчення α-випромінювання зробив Е. Резерфорд. Учений з’ясував, що а-випромінювання — це потік ядра атомів Гелію. β-складова радіоактивного випромінювання, як і α-складова, відхиляється магнітним полем, але в протилежний бік. У ході подальших досліджень виявилося, що β-випромінювання — це потік електронів. Вивчення γ-випромінювання показало, що це електромагнітні хвилі.
Правила зміщення
Якщо ядро має надлишкову енергію, то її вивільнення може відбуватися двома шляхами: 1) шляхом спонтанного поділу ядра на більш стійкі частини: 2) шляхом спонтанної зміни заряду ядра на одиницю з перетворенням нейтрона в протон чи протона в нейтрон. Прикладом перетворення першого типу може бути α-розпад і поділ ядер; другого — β-розпад, тобто випущення ядром електронів або позитронів.
Після низки експериментів було встановлено загальні правила таких перетворень. Оскільки найбільший внесок у їх розробку здійснив англійський хімік Фредерік Содді (1877-1956), зазвичай ці правила називають правила зміщення Содді.
Правило зміщення 1
Під час а-розпаду нуклонне число ядра атома зменшується на 4, а протонне — на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого в періодичній таблиці на 2 одиниці менший, ніж порядковий номер вихідного елемента:
Під час α-розпаду атомних ядер доволі часто на кінетичну енергію руху α-частинки та ядра-продукту перетворюється не вся енергія ядра. Частина цієї енергії може піти на збудження ядра-продукту з подальшим випущенням γ-квантів.
Правило зміщення 2
Під час β-розпаду нуклонне число ядра атома залишається незмінним, а протонне збільшується на 1, тому утворюється ядро еле мента, порядковий номер якого в періодичній таблиці на 1 одиницю більший, ніж порядковий номер вихідного елемента:
Окрім електрона, під час β-розпаду з ядра вилітає ще одна частинка. Її було відкрито, як і багато інших елементарних частинок, «на кінчику пера». Первинні вимірювання реакції β-розпаду показали, що в цій реакції не справджується закон збереження енергії. «Не може бути!» — сказали теоретики і стали шукати вихід. Його знайшов німецький учений Вольфґанґ Ернест Паулі у 1931 р., припустивши, що під час β-розпаду, крім електрона, виникає ще одна частинка, яку назвали
нейтрино (від італ. neutrino — «нейтронний», «маленький нейтрон»). Через відсутність у нейтрино заряду та маси воно дуже слабко взаємодіє з речовиною, що утруднювало спроби виявити його в експерименті. Лише в 1952-1956 рр. існування нейтрино було підтверджено експериментально. β-розпад, як і α-розпад, може супроводжуватися γ-випромінюванням.
Спонтанний поділ ядер
У 1940 р. російські фізики Георгій Миколайович Фльоров (1913— 1990) та Костянтин Антонович Петржак (1907-1998) відкрили ще один тип радіоактивного перетворення атомних ядер — спонтанний поділ ядер. Вони з’ясували, що в результаті спонтанного поділу певне ядро (фізики звуть його материнським) без будь-якого впливу ззовні поділяється на дві нерівні частини. Під впливом електростатичних сил продукти поділу, які по-іншому звуться ядрами-осколками, розлітаються у протилежні боки з великою швидкістю. Елементи, що мають менше зарядове число, ніж Уран, не мають ізотопів, які демонструють явище спонтанного поділу. Але для елементів після Урану цей тип радіоактивних перетворень є дуже поширеним.
У чому відмінність ядерних реакцій від радіоактивності
Створені вченими сучасні прискорювачі забезпечили можливість штучного руйнування / перетворення будь-якого атомного ядра. Щоб описати процеси ядерних перетворень, учені ввели поняття ядерних реакцій, якими називають взаємодії ядер або елементарних частинок із ядром, наслідком чого є утворення частинок, відмінних від вихідних. Будь-яка ядерна реакція записується у вигляді А+а—»В + б, де А — вихідне ядро; q — частинка, що бомбардує; b — частинка, що випускається; В — ядро-продукт.
Першу ядерну реакцію здійснив Резерфорд у 1919 р. Це була реакція перетворення ядра Нітрогену на ядро Оксигену:
Від моменту відкриття Резерфорда було досліджено тисячі ядерних реакцій, перераховувати які немає можливості. Тому відзначимо тільки загальну закономірність. Найважливіший результат, що його одержали фізики, вивчаючи ядерні реакції, — це підтвердження законів збереження. Було з’ясовано, що в ядерних реакціях зберігаються енергія, імпульс, момент імпульсу, електричний заряд, масове число. Урахування законів збереження дозволяє передбачати можливі варіанти ядерних перетворень.
Енергію, яка вивільняється внаслідок ядерної реакції, називають енергетичним виходом AW ядерної реакції:
де
(тут т, — маса частинок до реакції, т2 — маса частинок після реакції).
На завершення параграфа повернемося до його назви. Що є спільним і в чому полягають відмінності між ядерною реакцією і радіоактивним розпадом? Спільною ознакою обох явищ є ядерне перетворення. Відмінність же полягає в тому, що радіоактивний розпад відбувається спонтанно, а ядерна реакція спричиняється зовнішнім впливом на ядро.
Учимося розв'язувати задачі
Задача. У результаті поглинання ядром Нітрогену
α-частинки з’являються невідомий елемент і протон. Запишіть ядерну реакцію та визначте невідомий елемент.
Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі. Для розв’язання задачі запишемо ядерну реакцію. Суми зарядів і мас для лівої і правої частин формули реакції мають збігатися. Із цих рівнянь одержимо невідомі значення. Потім знайдемо невідомий елемент, скориставшись Періодичною системою.
Розв’язання. Запишемо ядерну реакцію:
Обчислимо маси та заряди в обох частинах рівняння реакції:
14 + 4 = 1 +A; 7 + 2 = 1 + Ζ.
Із цих рівнянь одержимо: А = 17; Z-8.
Із Періодичної системи знайдемо, що невідомим елементом є ізотоп Оксигену
Відповідь: невідомий елемент є ізотопом Оксигену
Підбиваємо підсумки
Дослідження показали, що в будь-якому радіоактивному випромінюванні наявні а-частинки, β-частинки та γ-частинки (весь набір або частково).
Сутність α-розпаду та β-розпаду полягає в переході збудженого стану атомного ядра в основний із випущенням відповідно а- або β-частинки й (можливо) одного-двох γ-квантів; а- і β-розпади підпорядковуються правилам зміщення Содді.
Спонтанний поділ — це явище, за якого певне ядро без жодного впливу ззовні поділяється на дві частини.
Ядерною реакцією називають взаємодію ядер або елементарних частинок із ядром, що відбувається з утворенням частинок, відмінних від вихідних. Під час ядерних реакцій справджуються класичні закони збереження.
Контрольні запитання
1. Які види радіоактивного випромінювання ви знаєте? Ά" 2. Сформулюйте правила зміщення Содді. ж 3. Що називають ядерною реакцією? 4. Хто й коли першим здійснив ядерну реакцію? 5. Чим відрізняються ядерні реакції від радіоактивних перетворень? б. Які відомі вам закони збереження справджуються під час ядерних реакцій?
Вправа № 40
1. Під час радіоактивного розпаду з ядра
випромінюється а-частинка. Запишіть ядерну реакцію. На ядро якого елемента перетворюється при цьому ядро атома Урану?
2. Ядро Натрію
розпадаючись, випромінює електрон. Ядро якого елемента при цьому утворюється?
3. Запишіть ядерні реакції, заповнивши пропуски:
4. Унаслідок бомбардування ізотопу Нітрогену
нейтронами отримано ізотоп
Карбону
який виявився
радіоактивним. Запишіть рівняння обох реакцій.
5. Унаслідок опромінювання ізотопу Меркурію
нейтронами утворюються атоми Ауруму
Запишіть ядерну реакцію. Чи вигідно таким шляхом практично отримувати золото?
Це матеріал з підручника Фізика 11 клас Бар'яхтар