книги / Неорганическая химия

которое проявляется в том, что энергия связи ядра до известной степени пропорциональна числу образующих его нуклонов. Атом

к молекуле Н2; точно также атом С может связаться не больше как только с 4 атомами Н. Подобно этому и в ядре атома образующие его нуклоны взаимодействуют только со своими ближайшими со­ седями и энергия связи ядра также пропорциональна числу этих частиц.

Образование наиболее устойчивых ядер наблюдаются только при определенном соотношении числа протонов и нейтронов, рав­ ном примерно 1 : 1, но не более 1 : 1,5. Такими наиболее устойчи­ выми являются ядра с массой не более 100. Ядра с массой более 200, у которых соотношение между протонами и нейтронами до­ стигает 1 : 1,6 и более, неустойчивы — радиоактивны.

Всякая естественная система стремится к наиболее устойчи­ вому состоянию. В ядрах атомов этот процесс протекает или за счет превращения излишних нейтронов в протоны с излучением электронов, или за счет превращения излишних протонов в нейт­ роны с излучением позитронов. Ядерное вещество в атомах нахо­ дится в особо уплотненном состоянии, характеризуется необыч­ ной плотностью порядка ~~1014 г/см3 (около 100 млн. т/см3), тог­ да как в обычных природных условиях плотность веществ не пре­ вышает 20—25 г/см3. Эта необычно высокая плотность ядерного вещества и свидетельствует о чрезвычайно мощных внутриядер­ ных силах, которыми связаны нуклоны.

Непосредственными структурными частицами ядра атома яв­ ляются только протоны и нейтроны; остальные из известных эле­ ментарных частиц (позитроны, мезоны, гипероны и др.) обнару­ живаются лишь в ядерных превращениях, как бы «рождаясь» в этих процессах, а также в космических лучах, падающих на зем­ лю. В-настоящее время таких элементарных частиц уже известно около 30. Сюда относятся такие частицы, которые еще не удается разделить на составные части. Многие из них самопроизволь­ но подвергаются превращениям, переходят в другие частицы. На­ пример, нейтрон, излучая электрон, превращается в протон; я°-мезон превращается в два фотона и т. д. Электроны и прото­ ны стабильны (долгоживущи), другие частицы имеют короткий период жизни, у многих измеряемый долями секунды.

Чтобы преодолеть ядерные силы и вызвать ядерные превраще­ ния, нужны источники энергии значительно более мощные, чем те, которые обычно применяют в физике и химии. Эти воздействия затрагивают лишь внешнюю электронную оболочку атомов, не затрагивая атомные ядра, в которых связи нуклонов во много раз превышают связи ядра с окружающими его электронами. Ядерные превращения, как известно, впервые удалось осуществить только в 1919 г. английскому ученому Э. Резерфорду, подвергшему ато-

Установлено, что масса ядра любого атома элемента всегда меньше суммы масс отдельных нуклонов, составляющйх данное ядро, на некоторую величину А т. Например, ядро атома гелия 2Не4, состоящее из двух нейтронов и двух протонов, должно было бы иметь массу, равную

1,008985 X 2 + 1,008146 х 2 = 4,034262 един. ат. массы.

Между тем, величина, найденная опытным путем, составляет толь­ ко 4,003878 ат. ед., т. е. на 0,030384 ат. ед. меньше. Эта убыль массы называется дефектом массы. Так как атомная единица мас­

сы равна 1,67 . 10~24 г, то энергия, соответствующая этому дефек­ ту массы, будет равна:

Е = 1,67.1 (Г 24. 0,030384.(3.1010)2 = 4,52-10“ 5 эрг,

что тождественно 28,3 Мэе, или 7,07 .Мэе на 1 нуклон ядра Не. Дефект массы характеризует устойчивость ядра атома. По этой

величине можно определить, какую энергию надо сообщить ядру, чтобы преодолеть ядерную энергию связи и расщепить ядро на отдельные составные части. На основе энергетических эффектов ядерных реакций можно с высокой точностью вычислять атомные веса различных радиоактивных изотопов, получаемых в количе­ ствах, недостаточных для прямых масс-спектрографических и других изменений.

Уравнение Эйнштейна позволяет вычислять и общее количест­ во энергии, присущее ядру элемента, которая может выделиться при полном переходе массы ядра в электромагнитное излучение.

что примерно соответствует теплоте сгорания — 3000 т каменного угля или — 1700 т бензина. Насколько колоссальна эта энергия, можно судить по тому, что такая мощная электростанция, как Днепрогэс, может выработать это количество энергии не менее как за 3 часа своей работы.

График средней величины ядерной энергии связи нуклонов в ядрах атомов позволяет наметить возможные способы выделения этой энергии:

1) расщепление ядер атомов тяжелых элементов на ядра эле­ ментов среднего атомного веса;

2) синтез ядер более тяжелых элементов из ядер легких элемен­ тов, например, синтез ядер гелия из водорода, ядер кислорода из ядер гелия.

Все эти процессы связаны с выделением огромного количества энергии: в первом случае на каждый нуклон выделяется свыше 1 Мэе, а на все ядро расщепляемого атома урана — 200 Мэе; во втором случае выделяется еще большее количество энергии — 3,5 Мэе На нуклон.

2.ЯДЕРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ИХ ВИДЫ

Внастоящее время, кроме ранее отмеченных (гл. VI) продук­

тов радиоактивного распада И235, II238, ТЬ232, актиноурана Ас227, у ряда элементов открыто еще около 50 естественно-радиоактив­ ных изотопов с различными периодами полураспада — от 1020 и более лет (долгоживущие) до десятков лет и менее.

Кроме природных радиоактивных изотопов, в настоящее вре­ мя почти для всех химических элементов получено свыше 1000 радиоактивных изотопов искусственным. путем с помощью ядерных реакций.

Известны превращения, связанные с излучением ядром а-ча- стиц (а-распад), электронов, позитронов (Р-распад), электронный захват (К-захват), ^-излучение, самопроизвольный (спонтанный) распад ядер тяжелых элементов на более легкие (осколочные) ядра, а-распад, 0+-распад, 0—-распад, электронный захват и спонтанное деление, наблюдающиеся у наиболее тяжелых атомов, сопровожда­ ются изменением заряда ядра, превращением одного химического

устойчивое, или распад его на несколько простых ядер. В резуль­ тате образуются новые ядра. Вторая стадия ядерного процесса со­ провождается испусканием частиц большой энергии.

которое переходит в нормальное состояние. Эти превращения со­ провождаются выделением или поглощением энергии, причем вы­ деляемая или поглощаемая энергия в миллионы раз превышает энергию химических реакций. Так, при радиоактивном преврэ-

Рнс. 122. Схема камеры циклотрона. Ион, образующийся в точке Р, движется по спирали под влиянием магнитного поля, перпендикулярного к плоскости чертежа, испытывая; ряд последовательных ускоре­ ний в промежутке между двумя поло­ винами А л В ускорительной камеры. Затем, он отклоняется с помощью откло­ няющей пластины й и выходит наружу

через окошко И7.

щении 1 грамм-атома радия в радон выделяется 1011ккал энергии, тогда как даже в такой высокоэкзотермической реакции, как об­ разование 1 моля воды из водорода и кислорода, выделяется всего 6,85 •10* кал энергии.

Вызвать ядерную реакцию искусственно значительно труднее, чем химическую, так как ядерные реакции возникают только при

сближении частиц до расстояний порядка КП'13см, т. е. в десятки и сотни тысяч раз меньших, чем это требуется для химических про­ цессов. Такое сближение возможно, если частицы, вызывающие ядерную реакцию, будут обладать высокой энергией (несколько Мэе), чтобы преодолеть кулоновское поле ядра (потенциальный барьер), которое отталкивает положительно заряженные части­ цы. Только для нейтронов как частиц нейтральных потенциально­ го барьера в атоме не существует, и ядерные реакции могут проте­ кать даже при очень низких энергиях нейтронов (так называемых

тепловых нейтронов), равных энергии теплового движения (от 0,01 до Гза на один нуклон).

- Частицы с высокой энергией получают в специальных установ­ ках — ускорителях заряженных частиц: циклотронах, синхро­ тронах, фазотронах, синхрофазотронах и др. В этих установках частицы подвергаются комбинированному воздействию электри­ ческого и магнитного полей, разгоняются до высоких энергий, после чего направляются по заданному направлению. Основной

Задачи глубокого познания мира элементарных частиц, выяс­ нения законов, которым подчиняются эти элементарные части­ цы, выдвигают проблему необходимости создания ускорителей на еще большую энергию — 800— 1000 млрд. эв. Эти ускорительные установки позволяют изучать ядерные превращения в атомах раз­ ных элементов. Вещества подвергаются так называемому облуче­ нию — обстрелу частицами высокой энергии, получаемыми на ускорителях. Такими ядерными снарядами служат а-частицы, про­ тоны, нейтроны, ^-кванты, гс-мезоны и др. Более эффективными оказались нейтроны, которые наиболее широко используются в

8Ы7+ !<? —*•п} 4Ве8-> 22Не4

на циклотронах возникают мощные потоки нейтронов с энергией до 30 Мэе.

Ядерная реакция, впервые приведшая к обнаружению нейтро­ на, заключалась во взаимодействии атомов^бериллия, алюминия с а-частицами по схеме:

4Ве® 4" г®4“ *■«С12+ л1,

или

13А1« + 2а ^ 16рз° + А1.

С помощью нейтронов получают такие радиоактивные изотопы, как С14, 5 35, Р 32, Ре69, которые нашли широкое применение в ка­ честве радиоактивных индикаторов при различных исследованиях в биологии, химии и других областях науки и техники. Например:

16Р31 + Л 1^ 1бР32 + т; ^

1в5за + я1 -*> 15Р32+ хр1;

„С 1“ + л*->иР " + *Л

Эти реакции принято записывать и в более короткой форме: пишут символы исходного и конечного ядра, между ними в скоб­ ках — символы бомбардирующей и излучаемой частицы. Напри­ мер:

Первым прибором, позволившим непосредственно наблюдать ядерные реакции и следы отдельных заряженных частиц, была туманная камера, или камера Вильсона, созданная в 1911 г. ан­ глийским ученым Ч. Вильсоном. Действие камеры основано на общеизвестном явлении образования тумана при охлаждении насыщеннрго водяным паром воздуха. Конденсация пара в виде мел­ ких капелек жидкости происходит на каких-либо центрах конден­ сации (мельчайших пылинках, ионах и др.). В камере Вильсона такими центрами конденсации являются электрически заряженные частицы.

Рабочая часть камеры Вильсона заполняется газом (например водородом, гелием, воздухом) и парами какой-либо жидкости (воды, спирта и др.). Камера освещается через стеклянные стенки сбоку мощным пучком света. Фотографирование следов (треков)