Термоядерное оружие

Различные радиоактивные элементы испускают неодинаковые лучи. Радий 226 испускает только альфа-лучи. Один из изотопов водорода — тритий испускает только бета-лучи. Бета-излучение некоторых изотопов, например кобальта 60, сопровождается испусканием гамма-лучей. Схема действия на излучения этих изотопов магнитного и электрического полей показана на рис. 5. Бета-лучи представляют собой поток отрицательно заряженных электронов (бета-частиц), альфа-лучи — поток положительно заряженных альфа-частиц. Гамма-лучи — это лучи, не несущие электричества. Они обладают гораздо большей проникающей способностью, чем альфа- и бета-лучи. В поражающем действии атомного оружия гамма-излучение, образующееся при атомном взрыве, играет наиболее существенную роль.

Рис. 5. Отклонение радиоактивных излучений магнитным и электрическим полем

Заряд и массу альфа- и бета-частиц удалось измерить по их отклонению в магнитном и электрическом поле, а также другими методами. Масса электрона в 1837 раз меньше массы протона. Положительный заряд альфа-частицы в 2 раза больше заряда протона, а масса альфа-частицы превышает массу протона в 4 раза. Отсюда можно было сделать следующий вывод: альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, т. е. является ядром изотопа гелия ₂Не⁴. Этот вывод был подтвержден большим числом разнообразных опытов и в настоящее время не вызывает никаких сомнений.

Зная природу бета- и альфа-частиц, легко сделать заключение о том, какие изотопы образуются в результате радиоактивного распада различных элементов.

Если известно, что изотоп урана ₉₂U²³⁸ претерпевает радиоактивный распад, испуская альфа-частицы, то ясно, что в ядре образующегося при этом дочернего элемента число протонов уменьшается на 2. Точно так же на 2 уменьшится число нейтронов. Так как в ядре урана содержится 92 протона и 146 нейтронов, то в ядре дочернего элемента останется 90 протонов и 144 нейтрона. Следовательно, дочерний элемент характеризуется порядковым номером 90, т. е. является изотопом тория. Его массовое число равно 90+144=234. Образующийся при распаде ₉₂U²³⁸ изотоп должен обозначаться ₉₀Th²³⁴.

Когда еще не была разработана теория радиоактивного распада, этот элемент получил название UX₁ (уран икс-один), которое встречается до сих пор. UX₁ радиоактивен и распадается, выбрасывая из ядра бета-частицу.

Как уже было указано, бета-частица образуется при превращении нейтрона в протон. При таком превращении массовое число остается без изменения, но число протонов в ядре увеличивается на единицу. Поэтому порядковый номер элемента, образующегося при бета-распаде, возрастает на единицу по сравнению с порядковым номером материнского элемента. Это значит, что при бета-распаде ₉₀Th²³⁴ образуется изотоп 91-го элемента — протактиния, а именно ₉₁Pa²³⁴. Этот изотоп иногда называют UX₂. Изложенный метод может быть легко применен и к другим случаям радиоактивного распада.

Испуская альфа-лучи, радий ₈₈Ra²²⁶ самопроизвольно превращается в газ радон, который, испуская альфа-частицу, в свою очередь превращается в RaA — элемент с порядковым номером 84 и массовым числом 218.

В результате длинной цепи превращений после выброса еще трех альфа-частиц и четырех бета-частиц в конце концов образуется свинец ₈₂РЬ²⁰⁶, являющийся устойчивым элементом. При разрушении радия количество его уменьшается вдвое через 1590 лет. Остаток уменьшается вдвое еще через 1590 лет и так далее. Время, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного элемента, называется его периодом полураспада. У разных элементов период полураспада не одинаков. Например, период полураспада радона равен 3,8 суток, а период полураспада урана ₉₂U²³⁸ превышает 4,5 млрд. лет. Выяснилось, что элементарная частица нейтрон также неустойчива и, подобно радиоактивным элементам, имеет период полураспада, равный 12 минутам.

Уменьшение числа нераспавшихся атомов радиоактивного изотопа с течением времени определяется по формуле

N=N₀e^-λt,

где N₀ — начальное число атомов радиоактивного изотопа;

N — число атомов, не распавшихся за время t;

λ — постоянная радиоактивного распада (неизменная для данного радиоактивного изотопа), характеризующая вероятность распада атома за единицу времени;

е — основание натуральных логарифмов, е≈2,7.

Постоянная распада может быть выражена через период полураспада по формуле

Число атомов радиоактивного изотопа, распадающихся за единицу времени, называют активностью, или скоростью радиоактивного распада, определяя ее по формуле

а = λN.

Подставив на место λ ее значение из предыдущей формулы, получим

Из последней формулы следуют два вывода:

1. Активность (а следовательно и интенсивность излучения) пропорциональна количеству радиоактивного вещества (изотопа).

2. Активность тем больше, чем меньше период полураспада радиоизотопа.