Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

частиц. Совместно со своим учеником Джоном Арчибальдом Уилером (р. 1911 г.) Нильс Бор развил теорию деления ядер. (Ту же задачу независимо решил советский физик Яков Ильич Френкель (1894—1952).)

Сейчас о процессе деления урана известно очень много. Точно измерено сечение деления 2giU тепловыми нейтронами — оно оказалось довольно большим, 582 барн. Известно, что ядро урана делится не одним, а примерно 50 различными способами, причем вероятности их сильно различаются, но не превышают 8 % каждый. Например, барий, который впервые обнаружили Ган и Штрассман в осколках деления урана, образуется при следующих способах деления (их вероятности около 6 %):

Р г

1,7 с

Р г

25 с

Р г

18 мин

Р ?

3,7 ч

..Л.

33 дня59

140Р „ 140 ~

Ие wT-Cs

Р -ИОР -~ Р - 14°Т Р . 140хч.

66 с ” 12,8дая5,ь 40,2 ч

235П

92 U

236,,* о «

92 и —► 2 или 3 нейтрона

93 Q Р 93 v

38 7,Эмин39 10,3 ч

“Nb.

В одном из каналов деления образуется также 15?Ьа с периодом полураспада 3,7 ч, который впервые наблюдали Ирэн Кюри и Павле Савич. Любопытно, что ядро урана почти никогда не делится на две равные части: вероятность такого способа деления меньше 0,01 %. (Как правило, массы осколков распределены в отношении 3:2.) В осколках деления содержится свыше сотни различных радиоактивных изотопов, с разными химическими свойствами и периодами полураспада. Эти изотопы выделяют, сортируют и затем используют как «меченые атомы» в разнообразных исследованиях.

При делении ядра урана кроме осколков вылетают еще 2 или 3 нейтрона — в зависимости от способа деления. Если усреднить их число по всем способам деления, то на каждое деление приходится v/ = 2,42 нейтрона с энергией около 1,3 МэВ. И если бы это число Vf оказалось всего на 10 % меньше, то ядерный реактор на естественном уране был бы невозможен.

ВОКРУГ КВАНТА

Меченые атомы

Уже в своей итоговой работе 1903 г. Резерфорд и Содди в явлении радиоактивности увидели не только объект, но и средство исследования: «...радиоактивность может быть использована для наблюдения за химическими превращениями, происходящими в веществе»,— писали они и сравнивали такой метод исследования со спектральным анализом.

Восемь лет спустя Резерфорд встретил в пивном баре Манчестера Дьёрдя Хевеши (1885—1966), молодого химика из Венгрии, проходившего у него стажировку, и предложил ему отделить радий D от свинца. Теперь-то ясно, что задача эта неразрешима химическими методами, поскольку радий D — это попросту радиоактивный изотоп свинца 210 РЬ. Но в то время лишь после безуспешных попыток решить ее Хевеши совместно с австрийским радиохимиком Фришем Адольфом Панетом (1887—1958) догадались обратить задачу, а именно: принимая факт неразделим ости свинца и радия D, использовать последний для изучения химических реакций свинца.

Этот метод, который впоследствии назвали «методом радиоактивных индикаторов» или «меченых атомов» (Нобелевская премия 1943 г.), оказался чрезвычайно эффективным при исследовании химических реакций и структуры вещества. Сейчас он используется повсеместно: в физике и биологии, в медицине и металлургии, в археологии и криминалистике.

Открытие искусственной радиоактивности позволило получить десятки новых радиоактивных изотопов, а из осколков деления урана в современных ядерных реакторах выделяют свыше сотни разнообразных радиоизотопов. С их помощью человек узнал удивительные факты даже о себе самом: объем крови, циркулирующей по всему телу, механизм функционирования внутренних органов, скорость миграции веществ в организме и многое другое. Например, если выпить глоток соленой воды, в которую добавлен радиоактивный изотоп натрия 24Na, то уже через 2 минуты с помощью счетчика Гейгера — Мюллера его можно обнаружить в пальце руки, через час он распределится по всему телу, а еще спустя 3 часа начнет выводиться из организма. Оказалось, что полный круг кровообращения занимает всего 23 секунды, что атомы человеческого тела непрерывно заменяются новыми, поступающими в организм с пищей, и что весь цикл такой замены атомов занимает около года, то есть каждый год человек почти полностью обновляется, сохраняя при этом свою индивидуальность и целостность.

Теперь, почти столетие спустя после открытия радиоактивности, кажется странным, почему ее не замечали раньше: ведь она повсюду вокруг и даже внутри нас самих. В теле человека каждую секунду происходит свыше 20 000 распадов калия-40, около 300 распадов углерода-14 и 4 распада радия-226, с таким трудом открытого Марией и Пьером Кюри. Впрочем, в истории науки таких фактов множество:

радиоволны пронизывают все пространство вокруг нас, но об этом даже не подозревали до работ Генриха Герца, и лишь после Луи Пастера узнали, что в каждом кубическом сантиметре вдыхаемого нами воздуха содержатся миллионы разнообразных бактерий.

Радиоуглеродный метод датировки

В пространствах Вселенной каждую секунду происходят космические катастрофы: вспыхивают новые и взрываются старые звезды, выбрасывая в межзвездные пространства ядра водорода, гелия и других элементов. В галактических магнитных полях эти ядра разгоняются до громадных энергий — в сотни и тысячи раз больших, чем достигнутые сегодня на ускорителях. Эти космические лучи, как их назвал Роберт Милликен, встретив на своем пути Землю, пронизывают атмосферу и, сталкиваясь с ядрами ее атомов, вызывают разнообразные ядерные реакции: разбивают ядра на осколки, выбивают из них вторичные протоны и нейтроны. Эти вторичные частицы вступают в новые ядерные реакции, одна из которых в 1946 г. привлекла особое внимание американского физика Уилларда Фрэнка Либби (1908—1980).

Он заметил, что выбитые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов азота, из которого на 79 % состоит атмосфера Земли, могут выбить из них протон и превратить их в ядра углерода:

n + l4N---> 14С + р.

В отличие от обычного изотопа углерода 12С, редкий изотоп 14С радиоактивен: он распадается по схеме

14С --->- 14N + e + ve

с периодом полураспада 71/2 = 5730 лет. Каждую секунду на площадку в 1 м2 падает примерно 4000 космических протонов, которые после каскада ядерных превращений приводят к образованию примерно 2