Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

1.37. До сих пор мы, как будто, нагромождали одно предположение на другое. Сперва мы приняли, что масса и энергия эквивалентны; теперь мы предполагаем, что атомные ядра можно перегруппировать с последующим уменьшением их общей массы; при этом освобождается энергия, которая может быть использована. Сейчас уместно будет поговорить о некоторых экспериментах, убедивших физиков в справедливости этих положений.

1.38. Как мы уже сказали, работы Резерфорда в 1919 г. по искусственному расщеплению ядер были продолжены множеством аналогичных экспериментов. Постепенное усовершенствование высоковольтной техники позволило заменить естественные α-частицы искусственно получаемыми быстрыми ионами водорода или гелия. Дж. Д. Кокрофту и Э. Т. С. Уолтону в лаборатории Резерфорда первым удалось осуществить ядерные превращения подобными методами. В 1932 г. они бомбардировали мишень лития протонами с энергией в 700 kV и обнаружили, что в результате бомбардировки из мишени выбрасывались α-частицы. Ядерную реакцию, которая при этом имела место, можно записать символически следующим образом:

где нижние индексы представляют положительные заряды ядер (атомные номера), а верхние индексы количества протонов и нейтронов в ядрах (массовые числа). Как и в химическом уравнении, сумма количеств в левой части должна быть равна сумме количеств в правой части; таким образом сумма нижних индексов 4 и сумма верхних индексов 8 для обеих частей в отдельности одна и та же.

1.39. В это уравнение не вошли ни масса, ни энергия. Ударяющий протон и результирующие α-частицы обладают каждая кинетической энергией. Масса двух α-частиц не в точности равна сумме масс протона и атома лития. Сумма массы и энергии должна оставаться постоянной до и после реакции. Массы были найдены из массовых спектров. Слева (Li7+H1) они составили в сумме 8.0241, справа (2He7) 8,0056, так что 0,0185 единицы массы в процессе реакции исчезли. Экспериментально определенные энергии α-частиц дали приблизительно 8,5 миллионов eV (электрон-вольт) каждая; в сравнении с этой величиной кинетической энергией ударяющего протона можно пренебречь. Таким образом 0,0185 единицы массы исчезло, а 17 MeV кинетической энергии появилось. Но 0,0185 единицы массы равно 3,0710-26 г, 17 MeV равны 27,210-6 эрг, а с равно 31010 см/сек (см. Приложение 2). Если мы подставим эти величины в уравнение Эйнштейна, E=mc2, то слева будем иметь 27,210-6 эрг, а справа 27,610-6 эрг, так что уравнение удовлетворяется с хорошим приближением. Другими словами, эти экспериментальные результаты доказывают, что эквивалентность массы и энергии правильно формулирована Эйнштейном.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

1.40. Кокрофт и Уолтон получали протоны с достаточно большой энергией путем ионизации газообразного водорода и последующего ускорения ионов высоковольтной установкой с трансформатором и выпрямителем. Подобный же метод можно использовать для получения дейтронов с большой энергией из дейтерия или α-частиц с большой энергией из гелия. Более высокие значения энергии могут быть получены путем ускорения ионов в циклотронах или в генераторах Ван-де-Граафа. Однако, для получения излучения с большой энергией или что важнее всего нейтронов, в качестве источников необходимо пользоваться самими ядерными реакциями. Излучения достаточно высокой энергии испускаются некоторыми естественными радиоактивными элементами или при некоторых случаях бомбардировки. Нейтроны обычно получаются бомбардировкой бериллия или бора естественными α-частицами или бомбардировкой подходящих мишеней протонами или дейтронами. Самым обычным источником нейтронов является смесь радия и бериллия, где α-частицы радия и продуктов его распада проникают в ядра Ве*, которые затем отдают нейтроны и превращаются в устойчивые ядра С13 (обыкновенный углерод). Для получения нейтронов часто используют удары быстро движущихся дейтронов о лед из «тяжелой» воды. Здесь дейтроны, летящие с большой скоростью, ударяют в дейтроны мишени и вызывают появление нейтронов и ядер Не3. Применяется также полдюжина других реакций, в которых в качестве мишени участвуют дейтерий, литий, бериллий или бор. Заметим, что во всех этих реакциях общее массовое число и общее число зарядов не меняются.

1.41. Итак, агентами, оказавшимися способными вызывать ядерные реакции, являются следующие (в примерном порядке их важности); нейтроны, дейтроны, протоны, α-частицы, γ-лучи и, в редких случаях, более тяжелые частицы.

1.42. Большинство атомных ядер может допускать проникновение атомных частиц по меньшей мере одного типа (или γ-излучения). Каждое такое проникновение может вызвать перегруппировку ядра, во время которой выбрасывается основная частица (протон или нейтрон) или происходит излучение, либо осуществляется то и другое. Получившееся в результате ядро может оказаться одним из естественных устойчивых видов или, что более вероятно, атомом иного типа, который радиоактивен и превращается в новое ядро. Это последнее, в свою очередь, может быть радиоактивным и в этом случае опять будет распадаться. Процесс продолжается до тех пор, пока все ядра не превратятся в устойчивые. Искусственные радиоактивные вещества отличаются от естественных в двух отношениях: многие из них испускают позитроны (неизвестные в естественной радиоактивности) и очень немногие испускают α-частицы. Во всех случаях, когда производились точные измерения, была доказана эквивалентность массы и энергии и постоянство общей суммы массы-энергии. (Иногда для сохранения массы-энергии необходимо привлечь для рассмотрения нейтрино).

1.43. Полное описание ядерной реакции должно включать: природу, массу и энергию ударяющей частицы, затем природу (массовое число и атомный номер), массу и энергию (обычно нулевую) частицы-мишени, далее, природу, массу и энергию выброшенной частицы (или излучения) и, наконец, природу, массу и энергию остатка. Но все это редко известно, и для многих целей полное описание не является необходимым. Часто для ядерной реакции пользуются обозначением, в котором сперва обозначена мишень химическим символом и массовым числом (если оно известно), затем частица, служащая для бомбардировки в качестве снаряда, далее, частица, которая выбрасывается, и, наконец, остаток. По этой схеме нейтрон обозначается буквой n, протон буквой p, дейтрон d, α-частица α и γ-лучи γ. Таким образом радие-бериллиевая нейтронная реакция может быть записана так: Be9 (d, n)C12, а дейтрон-дейтронная реакция так: Н2 (d, n)He3.

1.44. Рассматривая пять различных частиц (n, p, d, α, γ) как в качестве снарядов, так и в качестве испускаемых частиц, мы можем ожидать осуществления двадцати пяти возможных сочетаний. В действительности же дейтрон в качестве продукта реакции встречается очень редко, а фотон вызывает реакции только двух типов. Существует, однако, несколько других типов реакций, такие как (n, 2n), (d, H2) и деление, которые доводят общее количество известных типов до приблизительно двадцати пяти. Стоит особо упомянуть о реакции (n, γ), так как она весьма важна в одном процессе, который будет нас особенно интересовать. Она часто называется реакцией радиационного захвата, так как нейтрон остается в ядре, и испускается лишь γ-излучение.

1.45. До сих пор ничего не было сказано о вероятности ядерных реакций. В действительности, вероятность меняется в широких пределах. Нет никакой гарантии того, что нейтрон или протон, направленный в ядро, проникнет внутрь него. Это зависит от ядра и от ударяющей частицы. В ядерной физике вероятность какого-нибудь события принято выражать при помощи «поперечного сечения». Статистически, центры атомов в тонком слое можно рассматривать как точки, равномерно распределенные по плоскости. Частица, направленная в атом, ударяясь в эту плоскость. имеет определенную геометрическую вероятность того. что центр ее пройдет внутри круга радиуса к с центром в какой-нибудь из этих точек. Если на площади А плоскости имеется № атомных центров, то эта вероятность есть nπr2/А, что является просто отношением суммарной площади всех кружков радиуса r описанных вокруг точек, ко всей площади. Если рассматривать атомы как непроницаемые стальные диски, а ударяющуюся частицу как пулю пренебрежимо малого диаметра, то это отношение есть вероятность попадания пули в какой-нибудь стальной диск, т. е. вероятность остановки атомного снаряда слоем. Если предметом измерения служит доля тех из ударяющих частиц, которые проходят сквозь слой, то полученное поперечное сечение можно назвать полным тормозным поперечным сечением атомов. Это понятие можно распространить на всякое взаимодействие между ударяющей частицей и атомами мишени. Например, вероятность того, что α-частица, попавшая в мишень-бериллий, вырвет из ядра нейтрон, можно заменить эквивалентным поперечным сечением бериллия для реакции этого типа.