Жан-Поль Эймишен - Электроника?.. Нет ничего проще!

Н. — Это маленькие шарики, заряженные положительно и содержащие в себе почти всю массу атома.

Л. — Правильно, но об атомных ядрах известно намного больше. Они состоят из частиц двух типов: протонов — мельчайших зернышек с положительным зарядом, и нейтронов — мельчайших зернышек с такой же массой, но не имеющих электрического заряда. Заряд протона равен заряду электрона, но имеет противоположный знак. Само собой разумеется, что в ядре нейтрального атома имеется столько же протонов, сколько электронов вращается вокруг этого ядра. Количество протонов называется «атомным номером». Например, наиболее простое по своему устройству ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, вокруг которого вращается один электрон.

Следовательно, атомный номер водорода 1. Но существует также и другой водород, именуемый тяжелым водородом (или дейтерием). В природе он существует в виде очень небольшой примеси к простому водороду (на 1 000 атомов простого водорода не более 1 атома тяжелого). Ядро этого тяжелого водорода состоит из одного протона и одного нейтрона (рис. 28).

Рис. 28. Ядро простого водорода состоит только из одного протона. В ядре тяжелого изотопа водорода дейтерия кроме протона имеется еще один нейтрон. У атомов обоих типов водорода вокруг ядра вращается только один электрон.

Каждый такой атом, как и атом простого водорода, имеет только один электрон. Дейтерий имеет более высокую плотность, чем легкий водород, но обладает почти идентичными химическими свойствами. В периодической таблице элементов Менделеева легкий водород и дейтерий располагаются вместе, и именно поэтому дейтерий и легкий водород называют изотопами от греческих слов «изос» (тот же) и «топос» (место).

Существуют и другие атомы, ядра которых содержат одинаковое количество протонов (имеют один и тот же атомный номер), но могут существовать в двух формах. Эти формы отличаются одна от другой по количеству нейтронов, объединенных с протонами в ядре. Например, хлор с атомным номером 17 (17 протонов в ядре и 17 электронов вокруг ядра) имеет два типа атомов: у одних ядро состоит из 17 протонов и 18 нейтронов (общее число частиц в ядре 35), а у других ядро состоит из 17 протонов и 20 нейтронов (общее число частиц в ядре 37). Эти два типа хлора, строго идентичные с точки зрения химии, и являются изотопами.

Н. — А из каких атомов состоит газ, который называют «хлором», с 18 или 20 нейтронами?

Л. — Он содержит примерно 3/4 атомов с 18 нейтронами и 1/4 атомов хлора с 20 нейтронами.

Н. — Изменяется ли это соотношение в зависимости от происхождения хлора?

Л. — Нет. Это одно из наиболее любопытных известных явлений природы; соотношение двух изотопов строго одинаково как в хлоре, добытом из соли Индийского океана, так и в хлоре калиевой соли, добываемой в шахтах Эльзаса.

Н. — Можно ли разделить эти изотопы?

Л. — Да, можно, но чрезвычайно трудно. В таком разделении изотопов заключается значительная часть работы современных ядерных производств: разделение природного урана на изотоп 235 (92 протона и 143 нейтрона) и изотоп 238 (92 протона и 146 нейтронов). Изотоп 235 единственный радиоактивный изотоп урана, т. е. такой, ядра которого распадаются самопроизвольно. В природном уране его содержится всего лишь 0,7 %.

В принципе, Незнайкин, большинство веществ, которые называют «простыми», на самом деле состоят из смеси изотопов, но их так трудно разделить, что лишь в начале XX века установили, что они представляют собой смесь. Прими во внимание, что с точки зрения химии эти изотопы строго идентичны, и ты поймешь, почему их так недавно открыли.

Н. — Теперь я достаточно хорошо понимаю, что такое изотопы. Но я хотел бы также узнать, что представляют собой бета-частицы и другие…

Л. — Именно об этом я и хочу рассказать. Так называемые радиоактивные вещества отличаются определенной неустойчивостью: их ядра самопроизвольно распадаются, и мелкие кусочки ядра разлетаются во все стороны. Такими осколками ядер могут быть нейтроны (испускание нейтронов), иногда электроны (тогда говорят, что мы имеем дело с бета-лучами или β)[9]. Случается также, что из ядра вылетают группы, состоящие из четырех частиц: двух нейтронов и двух протонов. Эти группы называют альфа-частицами α или «гелионами», а поток этих частиц называют альфа-лучами[10].

Ядерные явления сопровождаются также гамма-излучением (γ), которое аналогично свету (или, вернее, рентгеновским лучам) и проявляет волновые свойства.

Н. — Как я вижу, это излучение совсем не похоже на другие; это своего рода свет, а не поток частиц.

Л. — О! Знаешь, между излучением частиц и излучением светового типа разница не столь уж велика. Они различаются между собой скорее всего проникающей способностью. Альфа-лучи далеко не уходят — их путь в воздухе всего несколько миллиметров. Бета-лучи способны уйти дальше и пройти сквозь лист алюминия и даже через тонкий стальной лист (чем меньше плотность вещества, тем легче проходит через него ядерное излучение). Гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью. Все эти три вида излучения обладают ионизирующими свойствами, т. е. они способны вызвать ионизацию газа. При прохождении через газ они могут разделить молекулы газа на нейтральные с точки зрения электричества части (ионы) и сделать газ проводником. Они могут также вызвать конденсацию паров воды, когда последние охлаждены ниже температуры, в которой (при данной концентрации) должна происходить конденсация. Пар может находиться в этом неустойчивом состоянии перенасыщения…

Н. — … как вода, которую удается охладить на несколько градусов ниже нуля без превращения в лед.

Л. — Прекрасное сравнение. Такой пар может быстро превратиться в воду, если через него пройдут ядерные α, β или γ-лучи, что можно наблюдать по образованному мелкими капельками воды следу.

Н. — Если я правильно понял, α, β и γ-лучи можно различить по их проникающей способности?

Л. — Да, этой идеей можно воспользоваться, но обычно предпочитают пропускать излучение через магнитное поле: альфа-лучи (очень тяжелые положительно заряженные частицы) несколько отклоняются в одну сторону; бета-лучи (очень легкие частицы с отрицательным зарядом) сильно отклоняются в другую сторону, а гамма-лучи вообще не отклоняются (рис. 29).

Рис. 29. Магнитное поле Н не отклоняет гамма-лучи, немного отклоняет альфа-лучи и сильно отклоняет (в противоположную сторону) бета-лучи.

Нейтроны тоже не отклоняются магнитным полем. Пучок нейтронов не обладает также ионизирующим свойством и не конденсирует паров воды; его обнаруживают косвенными методами.

Н. — А могут ли эти лучи, наподобие рентгеновских, пронизать человеческое тело?

Л. — Да, за исключением α-лучей. Как и рентгеновские лучи, они в больших дозах чрезвычайно вредны для человека и живых существ, поэтому очень важно уметь их обнаруживать.

Н. — Ты, вероятно, используешь для этой цели конденсацию водяных паров, находящихся в состоянии «отсроченной конденсации»?

Л. — Такой пар называют «перенасыщенным». Его действительно можно использовать, и именно таким образом изучали радиоактивность лет тридцать назад. Камеру, содержащую пар, называют «камерой Вильсона». Но нам лучше было бы воспользоваться свойством ядерных излучений делать газ проводником электричества. Для этого газ нужно поместить в закрытый сосуд (называемый ионизационной камерой) между двух электродов, к которым приложено определенное напряжение. Теперь достаточно замерить проходящий через ионизационную камеру ток — он пропорционален интенсивности излучения, давлению газа и объему камеры (в предположении, что весь газ в камере подвергается воздействию излучения).

Н. — Ты собираешься измерить ток амперметром?

Л. — О, разумеется нет! Даже у самого чувствительного из микроамперметров стрелка отклонилась бы только в случае использования гигантской камеры, подверженной чудовищному облучению. На практике приходится сталкиваться с токами порядка миллионной доли микроампермера или даже еще меньше. Эти токи пропускают (рис. 30) через резисторы с чрезвычайно большими сопротивлениями (несколько тысяч или миллионов мегом), а разницу потенциалов на их выводах замеряют уже упоминавшимся электрометрическим усилителем, о котором мы еще будем говорить.