Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

7N14 + 2Не4 → 1Н1 + 8О17, (Уравнение 9.1)

где подстрочный индекс — атомные числа, а надстрочный — массовые. 2He4 — это ядро атома гелия, или альфа-частица, а 1H1 — ядро атома водорода, или протон. Обратите внимание, что сумма атомных чисел и правой, и левой частей формулы равняется 9, а массовых чисел — 18. Согласно законам сохранения электрического заряда и массы, при любых ядерных реакциях суммы атомных и массовых чисел исходных и образующихся продуктов должны быть равны.

Физики разработали и более короткий способ записи формул ядерных реакций. Так как по названию элемента можно узнать его атомное число, в формуле его просто не пишут. Символом альфа-частицы является α, а протона — p. Таким образом, формулу 9.1 можно представить как: N14 (α, p)O17.

По этой системе в левой части записывается ядро-мишень, затем в круглых скобках название ударяющей по нему частицы, потом — выбиваемой частицы. В правой части записывается остаточное ядро. Все семейство (α, p)-реакций можно представить в виде аналогичной формулы: в любой из таких реакций атомное число остаточного ядра будет на 1, а массовое — на 3 выше, чем у ядра-мишени.

Резерфорд провел и другие (α, p)-реакиии, однако встретился с серьезными ограничениями. Дело в том, что и альфа-частица, и ядро-мишень обладают положительным зарядом и отталкивают друг друга. Чем выше атомное число ядра, тем сильнее они отталкиваются, и даже самым быстрым альфа-частицам радиоактивных элементов не хватает энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания ядер элементов с зарядом выше калия (+19).

Нужно было найти способ получения субатомных частиц, энергия которых была бы выше, чем у радиоактивных частиц.

Заряженную частицу можно ускорить, подвергнув ее действию электрического поля, направленного по ходу движения частицы. Чем выше потенциал этого электрического поля, тем выше ускорение и энергия частицы.

Частица с единичным зарядом, например электрон, под действием электрического поля напряжением 1 вольт получает заряд энергии, равный 1 электронвольту (сокращенно эв). 1 эв равен 1,6∙10–12. Для более крупных зарядов используется килоэлектронвольт (Кэв). 1 Кэв равняется 1000 эв.

Существуют также мегаэлектронвольт (Мэв), равный миллиону электронвольт, и биллион электронвольт (Бэв)[134]. Биллион электронвольт равняется 1,6∙10–8. В принципе это очень небольшое количество энергии, но для одной субатомной частицы оно просто огромно.

В последнее время в электронвольтах все чаще обозначают массу субатомных частиц. Масса электрона равна 9,1∙10–28 граммов. По формуле Эйнштейна e = mc2 (см. ч. II) получаем энергетический эквивалент, равный 8,2∙10–7 эрг, что, в свою очередь, равно 510 000 эв, или 0,51 Мэв.

Длину волны электромагнитного излучения также можно представить в электронвольтах. Согласно квантовой теории, e = hν, где e — энергия одного кванта электромагнитного излучения, эрг; h — постоянная Планка, эрг/сек, ν — частота излучения, Гц.

Таким образом, длина волны (обозначается λ, — «лямбда») равняется пройденному излучением за одну секунду в вакууме расстоянию (c), деленному на количество образовавшихся за это время волн, то есть частоту излучения ν:

λ = c/ν (Уравнение 9.2)

или

ν = c/λ. (Уравнение 9.3)

Поставив c/λ в формулу квантовой теории e = hν, получим:

e = hc/λ (Уравнение 9.4)

или

λ = hc/e, (Уравнение 9.5)

где h равняется 6,62∙10–27 эрг-с, а c — 3,00∙1010 см в секунду, соответственно hc равняется 1,99∙10–16 эрг. Приводим уравнение 9.5 к виду:

l = 1,99∙10–16/e. (Уравнение 9.6)

Теперь, если мы подставим 1,6∙10–12 эрг (один электрон вольт) вместо e в формуле 9.6, то получим 1,24∙10–4 сантиметров. Другими словами, излучение длиной 1,24 микрона (инфракрасный спектр) состоит из протонов, энергия которых 1 эв.

Таким образом, 1 Кэв — это энергия излучения, длина волны которого в 1000 раз больше 1 эв, т. е. 1,24 миллимикрона, или 12,4 ангстрема. Это уже диапазон рентгеновского излучения. Точно так же 1 Мэв — это энергия излучения, длина волны которого 0,0124 ангстрема (диапазон гамма-лучей).

По формуле 9.6, запас энергии видимого света колеблется от 1,6 эв для красной части спектра и 3,2 эв для фиолетовой. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение поглощаются и испускаются во время обычных химических реакций. Таким образом, во время обычных химических реакций используется энергия не более 1–5 эв. Основная сложность проведения ядерных реакций заключается в том, что для таких реакций энергии нужно гораздо больше — тысячи, даже миллионы электронвольт.

Устройства, испускающие субатомные частицы с уровнем энергии в несколько килоэлектронвольт и выше, получили названия ускорителей элементарных частиц. Так как такие частицы используются для разрушения атомных ядер и возбуждения ядерных реакций, то устройства также называли ускорителями ядерных частиц, но сейчас этот термин практически вышел из моды.

Первый удачный ускоритель частиц, адаптированный под ускорение протонов, был сконструирован английским физиком Джоном Кокрофтом (1897–1967) и его ирландским коллегой Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1929 году.

Протоны в ядерных реакциях использовать удобнее, чем альфа-частицы, так как они обладают меньшим зарядом и поэтому меньше подвержены силам отталкивания ядра.

Кроме того, протоны являются ионизированными атомами водорода (Н+), в то время как альфа-частицы являются ионизированными атомами гелия (Не++), а водород гораздо легче ионизируется.

В ускорителе Кокрофта — Уолтона для получения огромного электрического, заряда и ускорения протонов до 380 Кэв применялся умножитель напряжения (связка из нескольких конденсаторов).

В 1931 году ученые смогли настолько ускорить частицы, что им удалось разрушить ядро атома лития:

3Li7 + 1H1 → 2He4 + 2He4. (Уравнение 9.7)