15. Трансмутация ядер атомов

15.1. Альфа – распад

Человечество израсходовало самые большие финансовые ресурсы для изучения ядер атомов. Это дало, как положительный результат – атомную энергию, так и отрицательный – ядерное оружие. Приходит пора, когда все усилия надо направить на получение знаний о ядрах атомов, которые дают только пользу человечеству. Предпосылки для этого уже созданы в новой теории микромира.

Тщательный анализ спектра атома водорода и других атомов и ионов позволил найти закон формирования их спектров, из которого однозначно следовало линейное взаимодействие электронов с протонами ядер атомов. Постепенное накопление новой информации о спектрах атомов и ионов, позволило сформулировать ряд гипотез о структуре ядра.

Линейное взаимодействие электрона с ядром атома возможно только при расположении протона на поверхности ядра. Из этого следует, что протон имеет две связи: одну с электроном, а другую - с нейтроном ядра атома. Связь протона с нейтроном уже давно названа ядерной, а силы, реализующие её, – ядерными силами. Физическая природа этих сил до сих пор не установлена. Поэтому возникла необходимость найти её. Было обращено внимание на очень большую напряженность магнитного поля в центре симметрии электрона, равную . У протона она оказалась значительно больше – . Поскольку напряжённость магнитного поля убывает от центра его симметрии в кубической зависимости, то появились основания для формулировки гипотезы: ядерные силы имеют магнитную природу.

Далее, из экспериментальной информации о ядрах следует, что с увеличением количества протонов и нейтронов в ядрах доля лишних нейтронов увеличивается. Это означает, что нейтрон имеет в ядре больше связей, чем протон. Для проверки этого предположения была сформулирована гипотеза: нейтрон имеет шесть связей. Вполне естественно, что в условиях отсутствия детальной информации о структуре протона и нейтрона пришлось считать их для начала сферическими, с равными радиусами сфер (рис. 235). Последующая проверка перечисленных гипотез путём построения моделей ядер дала такое обилие информации, совпадающей с экспериментальными данными ядерной физики, что указанные гипотезы уверенно заняли пьедестал постулатов.

Рис. 235: a), b), c) - схемы ядер атома гелия – альфа-частицы (светлые - протоны, серые – нейтроны);

d), e), f) - схемы ядер атома неона (серые и тёмные - нейтроны);

g), h), j) - схемы ядер aтома кислорода

Правила формирования моделей ядер автоматически следовали из экспериментальной информации о них. Эти правила позволили в течение нескольких дней построить ядра первых 29 химических элементов.

Случилось это в начале ХХI века. С тех пор автор не пытался построить модели более сложных ядер, считая, что этого достаточно, чтобы другие продолжили эту работу. Конечно, наличие финансирования экспериментальных исследований, связанных с ядрами, стимулировало бы этот процесс, но его нет, поэтому рассмотрим давно известные ядерные процессы: альфа и бета распады. Начнём с альфа – распада (рис. 235).

Известно, что радиоактивные ядра испускают альфа – частицы – ядра атомов гелия (рис. 235, b и c), состоящие из двух нейтронов и двух протонов. Изотопы гелия могут иметь ядра с одним (рис. 235, с), тремя и даже большим количеством нейтронов. Ядро, имеющее два нейтрона и два протона, является стабильным. Известно также, что магнитный момент атома гелия может быть равен нулю. Такие атомы имеют структуру ядра, показанную на рис. 235, с.

Ближайшим химическим элементом, входящим в восьмую группу вместе с гелием, является неон. Схемы моделей его ядер показаны на рис. 235, d, e, f. Как видно, они содержат ядра атома гелия, что полностью соответствует периодической таблице Д.И. Менделеева.

Эксперименты показывают, что альфа – распад приводит к рождению химических элементов сдвинутых влево в таблице химических элементов. Если бы неон был радиоактивен и испускал бы альфа - частицы (рис. 235), то его ядра превращались бы в ядра атома кислорода (рис. 235, g, h, j), подтверждая указанный экспериментальный факт.

Поскольку ядра радиоактивных элементов, таких как уран, ещё не построены, то мы используем для анализа процесса альфа – распада ядра более простых химических элементов, например, неона (рис. 235, d, e, f).

Прежде всего, напомним, что синтез атома – это процесс ступенчатого сближения электронов с протонами ядра и излучение электронами фотонов с длиной волны от реликтового диапазона до начала рентгеновского диапазона. Процесс же поглощения фотонов электронами атомов возвращает электроны на более высокие энергетические уровни, где энергии связи их с протонами ядер могут стать равными нулю, и они окажутся свободными. Состояние, при котором электроны атома излучают или поглощают фотоны названо возбуждённым. Когда эти процессы заканчиваются и электроны опускаются на самые нижние (близкие к протонам ядер) энергетические уровни, атом переходит в невозбуждённое состояние.

Аналогично идут процессы синтеза и радиоактивного распада ядер атомов. Процесс синтеза ядер сопровождается ступенчатым сближением протонов с нейтронами и излучением гамма фотонов и фотонов дальней рентгеновской зоны. Процесс излучения заканчивается при максимальном сближении протонов с нейтронами и наступает невозбужденное состояние ядра. Однако, в среде, окружающей ядро, могут существовать гамма фотоны или фотоны дальней рентгеновской зоны. Протоны ядра, поглощая их, вновь возбуждаются.

С учетом изложенного возникает вопрос о последовательности процесса альфа – распада. Есть основания полагать, что он начинается с потери связи между электронами атома и протонами, входящими в состав альфа – частицы, в момент, когда она ещё связана с ядром, и превращением радиоактивного атома в ион. Лишь только в этом случае излучится альфа – частица, а не атом гелия.

Протоны альфа частицы, находящейся в ядре, освободившись от электронов, имеют свободные внешние связи, которые позволяют им поглощать фотоны. В результате энергии связей протонов или их совокупностей, подобных альфа – частицам, с нейтронами ядра, уменьшаясь, почти выравниваются. Это свойство установлено экспериментально и называется насыщением ядерных сил.

При этом связь между нейтроном альфа - частицы и другим нейтроном, через который альфа – частица связана с остальной частью ядра, может стать меньше энергии, формируемой кулоновскими силами, отталкивающими протоны. В результате альфа – частица выталкивается из ядра. Процесс отделения альфа – частицы от ядра зависит от энергии фотона, поглощённого протоном альфа – частицы. Он наступает только тогда, когда поглощенный фотон, уменьшает энергию связи между нейтронами (места этих связей показаны на рис. 235, d, e j стрелками) до величины меньшей энергии, формирующей кулоновские силы, действующие между протонами ядра.

Известно, что альфа – частица покидает ядро атома урана , поглотив фотон с энергией E=4,2 МэВ. Радиус (или длина волны) этого фотона равен

(447)

Это фотон начала гамма диапазона. Поскольку протоны расположены на поверхности ядер, то они формируют мощный положительный потенциал, который выталкивает альфа - частицу, отделившуюся от ядра, и сообщает ей скорость. Экспериментально установлено, что пробег этой частицы в воздухе может достигать 4 см. С виду, это небольшой пробег, но он больше размера ядра и самой частицы на 12 порядков.

Вполне естественно, что альфа – частица, имея положительный заряд, ионизирует атомы и молекулы среды, в которой она движется, и их электроны начинают излучать фотоны, формирующие след частицы в среде. Это – главная экспериментальная информация, позволяющая изучать альфа – частицы и их поведение.