§ 114. Штучне перетворення атомних ядер. Відкриття нейтрона

Вивчення природної радіоактивності показало, що перетворення одного хімічного елемента в інший обумов­лено внутріядерними процесами, тобто змінами, які від­буваються всередині атомних ядер. У зв'язку з цим роби­лися спроби штучного перетворення одних хімічних еле­ментів в інші шляхом впливу на атомні ядра. Виняткова стабільність ядер нерадіоактивних елементів свідчить про те, що їх зміна може статися лише під час надзвичайно енергійного зовнішнього впливу. Ефективним засобом такого впливу виявилося бомбардування атомних ядер частинками високої енергії. Спочатку для бомбардування брали альфа-частинки радіоактивного випромінювання. Пізніше почали застосовувати й інші заряджені частинки, попередньо надавши їм великої швидкості (кінетичної енергії) у спеціальних прискорювачах. Процес перетворен­ня атомних ядер, обумовлений впливом на них швидких заряджених частинок (або ядер атомів), називають ядерною реакцією.

Перша штучна ядерна реакція перетворення ядер азоту в ядра кисню була здійснена в 1919 p. E. Резерфордом. Реакція проводилася в камері Вільсона, заповненій азо­том. Після опромінення азоту потоком альфа-частинок в робочому об'ємі камери з'явилися атоми ізотопу кисню і атомні ядра водню, тобто протони. Поява протонів і ізо­топу кисню в цьому експерименті пояснюється так. Під час співударяння швидкої альфа-частинки з ядром азоту альфа-частинка (-Не¹) проникає в ядро і поглинається ним. При цьому утворюється дуже нестійке проміжне ядро ізотопу фтору, яке вмить викидає з себе один протон і перетворюється в ядро ізотопу кисню (мал. 228). Цю ядерну реакцію можна записати так:

Таким чином, дослід Резерфорда підтвердив можли­вість здійснення штучних ядерних реакцій і разом з тим безпосередньо показав, що протони входять до складу атомних ядер і можуть бути виділені (вибиті) з них. Піз­ніше іншими дослідниками були виявлені перетворення під впливом альфа-частинок ядер інших хімічних еле­ментів (алюмінію, натрію, фтору тощо).

Відкриття Резерфорда привело до створення нової галузі наукових досліджень — штучного перетворення хімічних елементів, яка має важливе наукове і практичне значення.

У ході вивчення штучного перетворення ядер хіміч­них елементів при бомбардуванні їх альфа-частинками німецькі фізики В. Боте і Г. Беккер у 1930 р. виявили, що в результаті опромінення деякі легкі елементи, наприк­лад берилій, самі стають джерелом випромінювання дуже високої проникної здатності. Потік цього випромінювання не відхилявся електричним полем і його не можна було вважати потоком заряджених частинок. Воно було дуже подібним до гамма-променів і тому спочатку це випромі­нювання було назване «берилієвими променями».

У 1932 р. французькі фізики Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі виявили, що це випромінювання при падінні на речовини, які містять водень (парафін, вода, целофан), викликає випромінювання ними протонів великої енергії. Вони правильно припустили, що випромінювання берилію вибиває з парафіну (чи іншої речовини, яка містить водень) протони, які є у великих кількостях в таких речо­винах. За допомогою камери Вільсона подружжя Кюрі визначили енергію цих протонів. Виявилося, що протони мають таку велику енергію, що для їх вибивання гамма-кванти повинні були б мати неправдоподібно велику енергію — понад 50 МеВ.

Подальші досліди, проведені англійським фізиком Дж. Чедвіком, привели до ще більш дивних результатів. Він спостерігав у камері Вільсона треки ядер азоту, які зазнали зіткнення з берилієвим випромінюванням. У ряді випадків удалося виявити треки ядер віддачі довжиною в 3 мм. Таких прискорень масивним ядрам азоту могли б надати гамма-кванти з енергією 90 МеВ.

Чедвік перший припустив, що нове випромінювання є не гамма-квантами (фотонами), а потоком масивних не-заряджених частинок, названих ним нейтронами. За роз­мірами слідів віддачі ядер різних мас в камері Віль­сона можна було зробити висновки, що маса нейтронів

дуже близька до маси протонів. До кінця 30-х років була одержана велика кількість фотографій, які ілюстрували зіткнення нейтрона з ядрами різних елементів. За відда­ чею атомів, які зазнали зіткнень з нейтроном, а також за рівняннями ядерних реакцій була обчислена маса ней­ трона. Вона виявилася рівною. кг (маса про­ тона дорівнюєкг). З молекулярної фізики і хімії ви знаєте, що масу атомів ядер і елементарних частинок звичайно виражають в атомних одиницях маси (а. о. м.): Тоді маса нейтрона

а протона ;«„= 1,00728 а. о. м.

Ядерну реакцію, в результаті якої було вперше виявлено нейтрон, можна записати так:

тобто ядро бериліюзахоплює альфа-частинку і, випу­стивши нейтрон, перетворюється в ядро вуглецю

Відсутність у нейтронів електричного заряду приводить до того, що вони практично не взаємодіють з електронною оболонкою атомів. З цієї самої причини відсутня і елек­трична взаємодія з атомними ядрами. Тому пучки ней­тронів у речовині мають велику проникну здатність і їх виявлення можливе лише шляхом спостереження резуль­татів безпосередньої взаємодії нейтронів з ядрами. З де­якими властивостями нейтронів ознайомимося трохи пізніше.

? 1. Що таке ядерна реакція? 2. На основі яких міркувань учені прийшли до висновку, що протони з парафіну вибиваються не гамма-кзантами, а нейтронами? 3. Як була визначена маса нейтрона? 4. Чим пояснюється велика проникна здатність нейтрона?