В делении сила. Ферми. Ядерная энергия. - Antonio Hernandez-Fernandez

В 1928 году Вальтер Боте заметил, что при облучении альфа-частицами бериллий испускает проникающие и при этом электрически нейтральные частицы. Он решил, что это фотоны, гамма-излучение. Джеймс Чедвик (1891-1974) подверг воздействию излучения бериллия разные вещества и выяснил, что излучаемые частицы должны быть нейтральными и обладать массой, близкой к массе протона.

В 1948 году американский физик Ричард Фейнман (1918-1988) предложил эффективный и наглядный способ упрощенного представления взаимодействия элементарных частиц. Его диаграммы нельзя пугать с пространственно-временными диаграммами или с реальными движениями частиц (которые получают при помощи туманной камеры). В своей самой строгой версии диаграммы Фейнмана показывают, как влияет возмущение на квантовый переход от начального квантового состояния к конечному. Например, при взаимодействии двух электронов, которые обмениваются фотоном, в одной вершине сходятся две фермионные линии (непрерывные прямые) и одна фотонная (представленная волнистой линией).

Пример диаграммы Фейнмана, на которой два электрона обмениваются фотоном.

Так были открыты нейтроны, существование которых предсказывал Резерфорд. В феврале 1932 года Чедвик теоретически доказал существование этой новой частицы, нейтрона. В январе того же года Гарольд Юри открыл новый изотоп водорода, дейтерий. В апреле Уолтон и Кокрофт получили первый ядерный распад путем облучения ускоренными протонами в электростатическом ускорителе легких ядер, а вскоре после этого Лоуренс, Ливингстон и Мильтон использовали для ядерного распада циклотрон, разработанный Эрнестом Лоуренсом. В 1933 году Олифант, Кинси и Резерфорд открыли тритий, подтвердив, что нейтрон имеет фундаментальное значение в атомной структуре и в новом представлении об изотопе. Хотя элементы периодической таблицы определялись по количеству их протонов, ядро атомов могло иметь большее или меньшее количество нейтронов. Атом X с N количеством нейтронов и Z протонов имел массовое число А = N + Z и обозначался обычно как ХAZ. Было доказано, что водород также может иметь изотопы с массовым числом А = 2 (дейтерий H21) и А = 3 (тритий, H31) с одним или двумя нейтронами соответственно.

Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, то стал бы ботаником.

Энрико Ферми

Анализируя космическое излучение, американский физик Карл Андерсон (1905-1991) впервые выявил позитрон, е+, частицу с такими же массой и спином, как у электрона, но с положительным зарядом. Таким образом, Андерсон подтвердил предсказания Дирака о квантовых моделях, сделанные в 1927 году, к которым также в 1928 году пришел Майорана. Карта элементарных частиц становилась все полнее. В атомной и ядерной физике начиналась революция. В 1932 году Ферми был приглашен в Париж на Пятую Международную конференцию об электричестве, где он выступил с докладом «Современное состояние физики атомного ядра», в котором объяснил несостоятельность модели атомного ядра, основанной на протонах и электронах, и изложил гипотезу Паули о существовании нейтрино.

Распад ядра случается всякий раз, когда ядро атома приходит в возбужденное состояние, то есть отличное от состояния с наименьшим возможным количеством энергии. Возбуждение атомов происходит естественным образом или может быть создано искусственно. Естественная радиоактивность была открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, она изучалась Пьером и Марией Кюри и является следствием процессов ядерного распада. Существует три типа радиоактивности: альфа (α), бета (β) и гамма (γ) (см. рисунок). Гамма-излучение состоит из фотонов с высокой энергией, способных проникать в свинце на глубину до 7 см. Фотоны могут исходить, например, от протона в возбужденном состоянии ядра, который переходит на уровень с меньшей энергией: р+ → р + γ. Гамма-лучи образуются также в ходе ядерных реакций на звездах, например на Солнце, но, к счастью, они не проходят сквозь атмосферу и не достигают земной поверхности. Объяснение гамма-распада не представляло особой трудности в рамках теории Ферми, так как соответствовало теориям Планка и Эйнштейна. Экспериментальная же физика должна была разработать необходимые инструменты для его анализа и получения данных об атомных ядрах. В 1933 году Ферми и Разетти создали спектрометр с кристаллами висмута — пригодилась техника, которой Разетти научился за год до этого у Лизы Мейтнер. Альфа-распад состоит в излучении альфа-частицы (ядра гелия-4, Не42) ядром. Например, Мария Кюри открыла, что это происходит с радием, который естественным образом превращается в радон:

Ra22688 → Rd22286 + He42.

Каждый вид излучения имеет свою проникающую способность. Альфа-частицы останавливает обычный листок бумаги, бета- частицы —- тонкая деревянная доска, а гамма- частицы и нейтроны — брусок свинца толщиной в несколько сантиметров или кусок цемента толщиной в метр.

Было замечено, что альфа-распад обычно происходит в ядрах с атомным номером больше Z = 82.

Резерфорд использовал альфа-частицы для того, чтобы доказать существование атомного ядра. Энергия распада была известна, она зависела от масс участвующих в ядерной реакции ядер и могла быть записана в виде формулы эквивалентности массы и энергии Эйнштейна (E = mc2).

Объяснение, которое Ферми дал явлению распада, легло в основу важных способов практического применения, например метода радиоуглеродного анализа. Если мы рассмотрим систему с множеством распадающихся атомных ядер (посредством альфа-, бета- или гамма-распада) в ритме, заданном постоянной λ (вероятность того, что ядро распадется за единицу времени), если в один момент времени t существует N ядер, которые не распались, то, применив дифференциальное вычисление, получим:

dN = -N·λ·dt → dN/N = -λdt

Минус означает, что количество ядер N со временем уменьшается. Взяв интеграл от предыдущего выражения, мы получим

∫N(t)N0 dN/N = -λ∫t0dt = -λt

lnN(t) - ln(N0) = -λt → ln(N(t)/N0) = -λt

где N0 — изначальное число нераспавшихся ядер. Если мы определим время жизни, T, как величину, обратную λ то получим закон экспоненциального распада.

N(t) = N0e-λt = N0e-t/T.

Обычно используется также период полураспада, или средний период жизни T1/2 , то есть время, прошедшее до момента, когда число ядер уменьшается наполовину:

T1/2 = (ln2)·T ≈ 0,693·T.

Сегодня мы знаем период полураспада большей части радиоактивных изотопов. Благодаря этому были разработаны системы геологической и археологической датировки, например метод углерода-14 (рисунок ниже), основанный на естественном присутствии ядер этого изотопа в углероде в органических останках не старше 50 тысяч лет.

Однако нестабильность структуры ядра, которая вела к альфа-распаду, и причина, по которой альфа-частица была именно ядром Не42, а не каким- либо другим, нашли объяснение только в 1928 году в контексте квантовой механики благодаря советскому физику Георгию Гамову (1904-1968).

Причина бета-излучения, состоящего из простых электронов, оставалась тайной. До того как Чедвик открыл нейтрон, считалось, что она объясняется присутствием в ядре электронов: они были необходимы, чтобы компенсировать переизбыток заряда, созданный протонами ядра, согласно той ошибочной атомной модели, в которой еще не использовались нейтроны. Ферми и до открытия Чедвика знал, что модель неверна. Самым странным в бета-распаде было то, что излученные электроны не обладали энергией, которой должны были бы обладать; другими словами, они не следовали предполагаемому энергетическому спектру. Бор даже предположил, что при бета- распаде локально нарушается принцип сохранения энергии.

Таково было положение дел, когда 4 декабря 1930 года Паули в своем знаменитом письме предположил существование новой, еще не обнаруженной нейтральной частицы, излучаемой в ходе распада. Ферми использовал свое влияние в Королевской академии и вместе с Корбино в октябре 1931 года организовал в Риме конференцию. На ней Паули в частном разговоре с Ферми и другими коллегами высказал гипотезу о существовании маленькой частицы, «нейтральной, легкой, с большой проникающей способностью, которая не нарушает принцип сохранения энергии при бета-распаде». Ферми уже подозревал о существовании этой частицы, но не осмелился опубликовать догадку из-за вмешательства Бора. А вот более дерзкий Паули обнародовал свою гипотезу.