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

Два изотопа с одинаковыми массовыми числами, но не являющиеся соседними, стабильными быть могут. Так, и цинк–64 (30 протонов, 34 нейтрона), и никель–64 (28 протонов, 36 нейтронов) являются стабильными, так как между ними стоит медь–64 (29 протонов, 35 нейтронов), коэффициент уменьшения массы которой больше, чем у никеля–64 и цинка–64. Можно представить, что цинк–64 и никель–64 находятся по обе стороны «энергетической горы», на вершине которой находится медь–64. Изотоп меди–64 нестабилен, и его распад может проходить двумя способами: либо он испускает бета-частицу и становится цинком–64, либо он испускает противоположную бета-частице микрочастицу (см. гл. 13) и становится никелем–64.

Иногда «энергетическая гора» не очень высокая, и лежащие у ее подножия изотопы почти стабильны, как в случае с калием–40 (19 протонов, 21 нейтрон). Этот изотоп находится между двумя стабильными изотопами — аргоном–40 (18 протонов, 22 нейтрона) и кальцием–40 (20 протонов, 20 нейтронов). Сам калий–40 также является слаборадиоактивным изотопом и может распадаться либо до кальция–40, либо до аргона–40.

Как только существование ядерной энергии[138] было признано, ученые сразу начали искать возможные пути ее применения на практике. И действительно, существуют изотопы, которые стоят на вершине крайне пологого склона и медленно, по атому, скатываются с нее. Это конечно же изотопы урана–238, урана–235 и тория–223.

Например, в несколько приемов уран–238 распадается до образования свинца–206, при этом уран–238 испускает бета-частицу и гамма-лучи, массой которых можно пренебречь, а также 8 альфа-частиц, массой которых пренебрегать уже нельзя. Обозначая лишь тяжелые числа, можем записать:

U238 → Pb206 + 8He4.

Масса ядра урана–238 равна 238,0506, ядра свинца–206 — 205,9745, а альфа-частицы — 4,00260. Общая масса ядра свинца–206 и 8 альфа-частиц равна 237,9953. Это означает, что в процессе радиоактивного распада урана–238 до свинца–206 каждое ядро урана–238 теряет 238,0506–237,9953, то есть 0,0553 единиц атомной массы.

Можем перевести эти числа в граммы. При полном распаде до свинца 238 граммов урана 55,3 миллиграмма переходят в энергию. Если каждый грамм урана распадается полностью, то 0,255 грамма его массы переходят в энергию.

Вспомним формулу Эйнштейна e = mc2, где e — энергия в эрг, m — масса в граммах, а с — скорость света в сантиметрах в секунду. Скорость света равна 3∙1010 сантиметров в секунду, а квадрат скорости света равен 9∙1020. Умножив это на 0,255 (или на 2,25∙10–4), получим, что при полном распаде 1 грамма урана высвобождается 2,5∙1020 эрг, или 5 000 000 килокалорий энергии.

При сгорании 1 грамма бензина выделяется 12 килокалорий энергии. Получается, что энергия, полученная в результате распада 1 грамма урана, в 420 000 раз больше энергии, выделяемой при сгорании 1 грамма бензина, и, более того, эквивалентна энергии, выделяемой при взрыве 5000 тонн тротила. Это хороший пример соотношения энергии химической и ядерной реакций.

Почему человек ничего не знал о выделении столь значительной энергии? (Ведь человек всегда знал о выделении относительно небольшой энергии, скажем при горении свечи.) Ответ очень прост. При распаде урана действительно выделяется огромное количество энергии, однако процесс ее выделения растянут во времени. Для выделения половины этой энергии, или 2 500 000 килокалорий, урану необходимо 4 500 000 000 лет. За одну же секунду уран выделяет намного меньше энергии, чем пламя свечи.

Существуют изотопы, радиоактивность которых интенсивнее радиоактивности урана–238. Рассмотрим полоний–212, дочерний нуклид тория–232, всегда присутствующий в его рудах. Испуская альфа-частицу, 1 грамм полония–212 распадется до свинца–208, теряя в результате 0,046 миллиграмма массы, то есть шестую часть массы, теряемой ураном. Значит, при распаде полония–212 выделяется лишь одна шестая часть энергии, выделяемой при распаде урана–238. При распаде полония–212 высвобождается менее 1 000 000 килокалорий. Столько же энергии выделяется при взрыве 1000 тонн тротила. Однако период полураспада полония–212 менее половины секунды, и вся эта энергия освобождается за один миг. Однако набрать целый грамм естественного полония–212 невозможно, даже если собрать весь полоний–212, содержащийся в земной коре.

В 1919 году необходимость поиска естественных источников высокорадиоактивных изотопов отпала, так как появилась возможность их синтезировать. Образно говоря, путем бомбардировки альфа-частицами и ускоренными протонами стало возможно заставить стабильные изотопы лезть вверх по «энергетической горке» и превращаться в радиоизотопы, после чего радиоизотопы рано или поздно съезжали обратно к подножию горы. Можно ли использовать выделяющуюся при этом энергию?

Конечно можно; она и используется каждый раз, когда счетчик фиксирует радиоизотоп или радиоизотоп выступает в роли источника бомбардирующих частиц. Однако это невыгодно: для того чтобы заставить изотопы взобраться по «энергетической горке», нужно гораздо больше энергии, чем та, что выделяется в результате его спускания вниз.

Но возможно ли сделать так, чтобы получаемая энергия была выше затрачиваемой? С одной стороны, можно уменьшить количество потребляемой энергии, если заставить образующийся радиоизотоп образовывать другие радиоизотопы самостоятельно.

Так, в случае попадания нейтрона в ядро углерода–12 при определенных условиях ядро может поглотить нейтрон и испустить два нейтрона. Реакцию можно записать следующим образом:

6C12 + 0n1 → 6C11 + 0n1 + 0n1 (Уравнение 11.2)

или

C12(n, 2n)C11.

Предположим, что каждый из двух нейтронов, выделяющихся при попадании нейтрона в ядро углерода–12, ударит еще по одному ядру углерода–12, — появятся уже 4 нейтрона и так далее. Ядерные реакции происходят менее чем за миллионную долю секунды, таким образом, если количество распадов увеличивается с 2, 4, 6, 16, 32 до нескольких миллионов за миллионную долю секунды, то весь запас углерода–12 смог бы принять участие в ядерной реакции за долю секунды. Углерод–12 очень распространен, а его энергия высвобождается так же быстро, как и энергия полония–212.