Путешествие в страну РАИ

Резерфорд и решил применить эти частицы в качестве стремительных «снарядов». Он использовал альфа-частицы изотопа полония, которые вылетают с громадной скоростью, почти 20 000 километров в секунду.

Опыт Резерфорда, несмотря на всю необычность поставленной задачи, был прост.

Его установка представляла собой небольшую камеру. Внутри располагался радиоактивный препарат, испускавший альфа-частицы. На стенке камеры помещался специальный экран, покрытый сернистым цинком. Это вещество способно светиться под действием альфа-частиц. На экране под микроскопом можно наблюдать очень характерные вспышки — сцинтилляции. Они-то и вызывались альфа-частицами.

Резерфорд наполнил свою камеру азотом и продолжал наблюдения. Снова на экране появлялись вспышки, но совсем не похожие на те, что вызываются альфа-частицами.

Значит, это были другие частицы.

Ученый провел тщательные и многочисленные опыты и установил, что эти непонятные частицы — протоны, ядра атома водорода.

Так обстояло дело на практике. Процесс нужно было объяснить теоретически.

И Резерфорд рассуждал:

Мы имеем ядро азота. Его можно обозначить, как ₇N¹⁴, где цифра 7 показывает заряд ядра азота, а цифра 14 — атомный вес. Если в ядро азота попадает альфа-частица, то, по-видимому, образуется новое ядро, обозначаемое через X.

Так как альфа-частица имеет заряд, равный двум, и вес, равный четырем, то можно записать «составное» ядро символом ₉X¹⁸. И если при опыте обнаруживаются протоны, они могут испускаться только этим составным ядром. В итоге получается новое ядро; обозначим его через ₈Y¹⁷, потому что протон имеет заряд, равный единице, и вес, равный единице. Ядро ₈Y¹⁷ не может быть ничем иным, как ядром атома кислорода ₈O¹⁷.

Итак, при бомбардировке азота альфа-частицами образуется кислород. Происходит искусственное превращение элементов.

Вторым важнейшим шагом в развитии ядерной химии было открытие искусственной радиоактивности.

Это явление связано с именами супругов Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри — представителей второго поколения Кюри.

Так же, как и Резерфорд, супруги Жолио-Кюри пытались в 1933 году провести реакцию превращения элементов. «Мишенью» они избрали металлический алюминий ₁₃Al²⁷. «Снарядами» служили альфа-частицы ядра гелия — ₂He⁴, испускаемые сильно радиоактивным элементом полонием. Если реакция превращения элементов будет иметь место, то получится изотоп фосфора ₁₅P³⁰. Если также учесть, что алюминий во время облучения испускает нейтроны ₀n¹, то ядерную реакцию можно записать так:

₁₃Al²⁷ + ₂He⁴→₀n¹ + ₁₅P³⁰.

Все, казалось бы, просто. Но неожиданно обнаруживается удивительная вещь: сама пластинка алюминия становится источником излучения. Оно не прекращается даже в отсутствие препарата полония.

Супруги Кюри тщательно исследовали характер неизвестного излучения и выяснили, что оно является потоком позитронов. Позитрон представляет собой частицу, аналогичную электрону, но имеющую положительный заряд (e⁺). Эта частица была открыта двумя годами раньше американцем Андерсоном в космических лучах.

Таким образом, рассуждали супруги Кюри, изотоп фосфора ₁₅P³⁰ оказывается радиоактивным и, испуская позитроны, превращается в стабильный изотоп кремния ₁₄Si³⁰. Иными словами:

₁₅P³⁰ – e⁺→₄Si³⁰.

Это предположение было подтверждено химическими методами.

Так человек нашел пути к получению искусственных радиоактивных изотопов.

Таким образом, в основе ядерных реакций, процессов ядерной химии, лежат изменения атомного ядра.

Конечным продуктом ядерной реакции может быть изотоп другого элемента (или других элементов) или другой изотоп того же элемента. Кроме того, в результате реакции могут получаться вторичные элементарные частицы (например, протон, дейтрон и другие) или испускаться гамма-лучи.

Для того чтобы ядерная реакция осуществилась, требуется несколько условий. Во-первых, нужно располагать бомбардирующими частицами, своеобразными ядерными «агентами», «снарядами». Одни из них альфа-частицы — их применили в своих опытах Резерфорд и супруги Кюри.

Кроме альфа-частиц, в качестве «снарядов» используются протоны (₁p¹), дейтроны (ядра «тяжелого» изотопа водорода ₁d²) и нейтроны ₀n¹). Ядерные реакции могут вызываться также действием гамма-лучей. Эти элементарные частицы не трудно получить. В качестве источника альфа-частиц служат некоторые сильно радиоактивные элементы, например полоний, радий. Нейтронным источником оказывается смесь солей радия и бериллия: альфа-частицы, испускаемые радием, выбивают нейтроны из ядер бериллия.

Тип бомбардирующих частиц имеет огромное значение для ядерных реакций. В зависимости от того, какая частица (альфа-частица, дейтрон, протон или нейтрон) выбрана в качестве «снаряда», меняется сам характер ядерной реакции и ее конечный результат.