8.10. Развитие ядерной физики

Яркой страницей в развитии и техники и технологии является открытие и использование ядерной энергии.

В 1895 году немецкий физик Вильгелм Конрад Рентген (1845-1923) изучал электрический ток в разряженных газах с помощью двух электронных трубок и индукционной катушки и открыл новый вид излучения, получивший в дальнейшем названия рентгеновского. Он разработал конструкцию ионной рентгеновской трубки и изучил свойства х- лучей. Их нельзя увидеть, но можно наблюдать, т.к. они действуют на платино-цилистый барий, вызывая его свечение. Лучи обладают большой проникающей способностью, проникая через плотный картон, оловянную бумагу, алюминий и т.д. Рентген сфотографировал деревянную шкатулку с латунными гирьками, руку своей жены, охотничье ружье и т.д. В 1901 году Рентген получил Нобелевскую премию за свое открытие.

Французский физик Антуан Беккерель (1850-1908) изучал действие различных люминесцентных веществ, установил в 1896 году, что соли урана производят самопроизвольное излучение, ничего не имеющее общего с люминесцентным излучением. Это явление получило название естественной радиоактивности.

Явлением радиоактивности заинтересовались супруги Мария Складовская-Кюри (1867-1934) и Пьер Кюри (1859-1905). Путем многократного химического растворения и выпариывания растворов, они изучали радиоактивность полученных веществ с помощью ионизирующего действия на заряженный электроскоп. Для повышения чувствительности стали применять компенсационный метод, основанный на пьезоэлектрических свойствах кварца. В результате этого была измерена интенсивность излучения различных минералов, солей и металлического урана. Установлено, что радиоактивностью обладают минералы тория, не содержащие уран. Уран открыт в 1789 году немецким химиком М.Г. Клепротом и назвали в честь планеты Уран, в древнегреческой мифологии бог неба, супруг Геи (Земли), отец титанов и сторуких исполинов. Природный уран состоит из смеси трех изотопов ²³⁸U-99,27% с периодом полураспада Т_1/2=4,5110⁹ лет, ²³⁵U-0,7024% (Т_1/2=7,1310⁸ лет) и ²³⁴U=0,0057% (Т_1/2=2,4610⁵ лет). Атомный номер урана равен 92, атомная масса – 238,029. Уран является основным ядерным топливом.

Торий открыт в 1828 году шведским химиком И.Я.Берцелиусом (1779-1848) и назван по имени бога грома, в скандинавской мифологии – Тора. Природный торий практически состоит из изотопов ²³²Th с периодом полураспада Т_1/2=1,3910¹⁰ лет и ничтожного количества (1,3710^-2%) короткоживущих изотопов ²³⁴Th, ²³¹Th и ²²⁷Th. Атомный номер тория 90, атомная масса 232,038. Торий является сырьем для получения ядерного топлива в специальных реакторах.

При измерении интенсивности излучения урановой смоляной руды оказалось, что она в четыре раза выше, чем у урана. Следовательно, в этой руде содержится неизвестный элемент, обладающий высокой активностью. После напряженной работы в тяжелых условиях в 1898 году получен полоний, названный по имени родной страны Марии, а в декабре – радий (лат. radias – луч). В 1910 году М. Кюри и А. Дебьюери получили радий в свободном состоянии в виде металла серебристо-белого цвета.

В 1903 году Беккерель, А.Кюри и М.Складовская-Кюри получили Нобелевскую премию за открытие радиоактивности и исследование явлений радиоактивности, а в 1911 году М. Складовская-Кюри получила Нобелевскую премию по химии за получение радия в металлическом состоянии.

Полоний в свободном состоянии представляет мягкий серебристо-белый металл, плотностью 9,310³кг/м³ с t_плав=1162⁰С. Атомный номер полония – 84. Он имеет 25 радиоактивных изотопов с массовыми числами от 194 до 218. Наиболее устойчивым является радиоактивный ²¹⁰Р_о с перодом полураспада Т_1/2=138cут. Этот изотоп используется для получения нейтронов, в атомных электрических батарейках с длительным сроком службы, устанавливаемых на спутниках “Космос-84”, “Космос-89” и др. Он является компонентом естественных радиоактивных выпадений и накапливается в растениях, воде, пище, в различных организмах.

Радий присутствует во всех урановых минералах, причем на 3 тонны урана приходится 1 грамм радия. Радий - серебристо-белый блестящий металл, быстро тускнеющий на воздухе. Плотность 5,510³кг/м³, температура плавления 1140⁰С. Атомный номер 31 с изотопами, имеющими массовые числа 213, 215, 219-230. Он нашел применение в медицине и технике для приготовления светящихся составов и т.д. Вреден в больших количествах для человека, вызывает остеопороз, самопроизвольные переломы, опухоли.

Открытие радия привлекло ученых к изучению явления радиоактивности, теории строения атома и ядерной физики: Э. Резерфорд (1871-1937), А. Энштейн (1879-1955), Х. Гефер (1882-1945), Ф. Содди (1877-1956), Ч. Вильсон (1869-1952), К. Фалис (1887-1975), У. Крукс (1832-1919), Г. Мозли (1887-1915), Н. Бор (1865-1962), Ч. Чедвил (1891-1974), Д. Иванов (1904-....), В. Гейзенберг (1901-1976) и др.

В 1938 г. Лизе Мейтнер (1878-1988), Отто Ган (1876-1968) совместно с сотрудниками Фрицем Штриссманом (1902-1980) открыли деление ядер урана в результате бомбардировки нейтронами на два более легких ядра: радиоактивно ядро бария с числом ядерных зарядов 56 и ядро инертных газов с числом зарядов 56. При сложении они давали число 92, равное ядерному заряду урана. Это открыло новую эру в истории человечества, положило дорогу к покорению энергии атомного ядра. Л. Майтнер и О. Фриш (1904-1979) в 1938 году определили количество энергии, которая высвобождается при расщеплении урана: оно в миллионы раз больше, чем энергии выделяемые при превращении таких же количествах углерода в углекислый газ в процессе горения. При этом было установлено, что процесс расщепления носит лавинообразный характер в виде цепной реакции. В результате эти формулы Е=mc² приобрели практико-технических значения.