Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит

В эпоху обострившегося экономического кризиса и антисемитизма Эрнесту Резерфорду довелось столкнуться с множеством трудностей и непониманием соотечественников. Совету пришлось работать с 1300 просьбами о помощи.

СМЕРТЬ ГЕНИЯ

Резерфорд никогда не прекращал свои лекции, а также постоянно занимался внуками. Напряжение, в котором он непрерывно держал студентов и сотрудников Кавендишской лаборатории (что в прошлом приносило хорошие результаты), снижалось. Это имело неприятное следствие: ближайшие сотрудники покидали Резерфорда. После огромного успеха ускорителя частиц Уолтон согласился возглавить кафедру в Тринити-колледже. Чедвик, получивший в 1935 году Нобелевскую премию, решил отправиться в Ливерпульский университет, уставший от препятствий, которые чинил на его пути Резерфорд, не дававший ему построить циклотрон. Марку Олифанту, с 1927 года работавшему в лаборатории и принимавшему участие в искусственном разделении атомного ядра, в 1937 году было предложено возглавить лабораторию в Бирмингеме.

Узнав о его отъезде, Резерфорд только сказать: "Меня окружают неблагодарные коллеги". Несмотря на разочарование, которым для него становился каждый отъезд, Эрнест всегда поддерживал "своих мальчиков", как он их называл, давал им рекомендации и предлагал помощь в случае необходимости.

В 1937 году Резерфорд упал, когда подрезал дерево в саду. На боль наложилось общее недомогание: его постоянно рвало. Это была грыжа, обострившаяся от падения. Жена сначала пыталась лечить его народными средствами, но потом вызвала хирурга, который должен был сделать простую по тем временам операцию. Хотя казалось, что операция прошла успешно, его состояние ухудшилось. Конец был неизбежен, поэтому с помощью жены он написал несколько прощальных писем, одно из них — Чедвику. Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года.

Один из студентов однажды назвал Резерфорда "силой самой природы". Именно таким он оставался вплоть до конца. Смерть потрясла его коллег, сотрудников и почитателей. "Профессор умер", — эта фраза обошла все научные круги мира, и никто даже не уточнял, о ком шла речь. Бор находился на конгрессе, когда получил телеграмму от жены Резерфорда, и не мог сдержать слез, рассказывая ассистентам и коллегам о трагической развязке. Газеты, среди них New York Times, собрали целое досье его подвигов и достижений и опубликовали некрологи:

"Мало кому уготована честь обрести бессмертие, еще меньше людей достигают Олимпа при жизни. Лорд Резерфорд смог и то и другое. Он относился к поколению, ставшему свидетелем одной из величайших революций в истории науки, он был всемирно признан как лидер в области исследований необъятной и бесконечной сложности вселенной, находящейся внутри атома".

Пепел Резерфорда погребен в Вестминстерском аббатстве рядом с могилой Ньютона. Годы спустя резерфордий (Rf) занял 104-е место в периодической таблице: синтетический высокорадиоактивный элемент был впервые получен в 1964 году и назван в честь ученого.

Радиоактивный распад характерен для определенных элементов, у которых комбинация протонов и нейтронов, соединенных сильным ядерным взаимодействием, представляется энергетически нестабильной. Большинство элементов, имеющих более 81 протона, радиоактивны: то есть радиоактивность возникает в основном в тяжелых атомах, хотя и более легкие элементы, например углерод, имеют радиоактивные изотопы, как в случае с углеродом-14. Мы можем говорить о радиоактивности, потому что в названных элементах происходит спонтанное, не вызванное внешними причинами испускание субатомных частиц.

Чтобы представить последовательность превращений, происходящих внутри ядра атома во время радиоактивного распада, физики и химики используют два числа: атомное и массовое. Атомное (зарядовое) число обозначается Z и указывает на количество протонов в ядре. Каждый элемент характеризуется специфическим и уникальным Z например, 6 — атомное число для углерода, 14 — для кремния. Общее количество частиц в ядре, включающее в себя протоны и нейтроны, называется массовым числом, обозначаемым А. В итоге:

Z — количество протонов,

А — количество протонов и нейтронов (общее количество частиц в ядре),

A-Z— количество нейтронов.

Резерфорд открыл существование альфа-излучения и бета-излучения, α-частицы представляют собой ядра гелия (то есть они состоят из двух протонов и двух нейтронов). Когда элемент испускает альфа-частицу, это означает, что он теряет два протона, таким образом элемент изменяется, его атомное число уменьшается (-2), и происходит превращение элемента. Например, уран обладает 92 протонами, а когда он испускает альфа-частицу, то превращается в торий, обладающий 90 протонами.

Бета-распад (β) представляет собой внутренне более сложное физическое явление и возникает, когда нейтрон превращается в протон или наоборот. При этом взаимном обмене возникают новые частицы. Бета-распад подтверждает, что фундаментальные частицы, "хотя и имеют определенные свойства, не являются постоянными структурами, и одна из них может превращаться в другие".

Бета-распад классифицируется по двум типам в соответствии с механизмами распада: β -распад и β+-распад. При β -распаде электрон испускается непосредственно из атомного ядра, это не связано с ионизацией одного из электронов, составляющих электронное облако, окутывающее ядро. Один из нейтронов ядра (я) отделяется и превращается в протон (р*), остающийся в ядре, и электрон (е), который испускается. В ходе этого процесса возникает электронное антинейтрино (ν,). Процесс можно представить как:

n → р* + е- + ve.

При изменении числа протонов (+1) изменяется атомное число, и элемент становится другим. При этом массовое число не изменяется (атом теряет нейтрон, но получает протон). Именно это происходит с изотопом тория 23490Th. После бета-распада, при котором испускается электрон, атом превращается в один из изотопов протактиния, который обозначается 23491Ра.

Второй тип бета-распада обозначается β+-распад, при нем возникает позитрон (е*), который является античастицей, имеющей одинаковую с электроном массу и при этом отрицательный заряд. В данном случае ядро теряет протон, а вместо него появляются нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Это вновь означает, что количество частиц в ядре не меняется (вместо протона появляется нейтрон), но происходит трансмутация элемента, потеря протона заставляет его изменить химическую идентификацию. В ситуации с азотом 137Ν, который при испускании позитрона превращается в изотоп углерода, обозначаемый 136C, β+-распад можно представить так:

р+ → n + е+ + vе.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Гамма-излучение отличается от процессов альфа- и бета-распада тем, что при нем испускаются не частицы, а электромагнитное излучение, фотоны с высокой энергией. Гамма-излучение происходит на разных фазах радиоактивных процессов по разным причинам: например, когда ядерная частица переходит из возбужденного состояния в основное. При этом виде излучения не происходит изменения компонентов ядра (или атома). Однако, в связи с высоким уровнем энергии, возникающая радиация имеет существенный проникающий характер и наиболее вредна, так как способна вступать во взаимодействие с клетками и вызывать их изменения при взаимодействии с цепочкой ДНК.