Кроме альфа-частиц, в качестве «снарядов» используются протоны (1p1), дейтроны (ядра «тяжелого» изотопа водорода 1d2) и нейтроны 0n1). Ядерные реакции могут вызываться также действием гамма-лучей. Эти элементарные частицы не трудно получить. В качестве источника альфа-частиц служат некоторые сильно радиоактивные элементы, например полоний, радий. Нейтронным источником оказывается смесь солей радия и бериллия: альфа-частицы, испускаемые радием, выбивают нейтроны из ядер бериллия.
Тип бомбардирующих частиц имеет огромное значение для ядерных реакций. В зависимости от того, какая частица (альфа-частица, дейтрон, протон или нейтрон) выбрана в качестве «снаряда», меняется сам характер ядерной реакции и ее конечный результат.
Второе условие несколько сложнее. Реакция происходит только тогда, когда бомбардирующей частице удается столкнуться с ядром. Оно обладает положительным зарядом, а значит, и сильным электрическим полем. Поэтому положительно заряженные частицы (α, p, d) будут испытывать сильное отталкивание со стороны поля ядра. В обычных условиях лишь очень редким частицам удается «просочиться» через «оборону» атомного ядра.
Чтобы сделать ядерную реакцию интенсивной, бомбардирующим частицам надо придать большую энергию, их нужно ускорить.
Ускорить, но до какой степени?
Для измерения энергии бомбардирующих частиц используются специальные единицы — электроновольты. Электроновольтом называется энергия, которую получит частица с зарядом, равным заряду электрона, при прохождении разности потенциалов в один вольт (обозначение эв). Ядерные реакции происходят обычно при энергиях, измеряемых миллионами электроновольт, или мегаэлектроновольтами — Мэв).
Так, протон, чтобы проникнуть в ядро свинца, должен иметь энергию около 10 мегаэлектроновольт. Энергия же излучения большинства радиоактивных изотопов не достигает и одного электроновольта.
Но как ускорить заряженные частицы? Используются специальные установки, ускорители элементарных частиц.
В этих установках (их несколько типов) частицы ускоряются благодаря многократному повторному приложению магнитного поля. В циклотронах можно ускорить, например, протоны до энергии в 22 мегаэлектроновольта.
Старые типы ускорителей не давали возможности сообщать частицам энергии больше нескольких десятков мегаэлектроновольт. Современные — синхроциклотрон, синхрофазотрон — значительно совершеннее и позволяют достигать энергии в 10 000 мегаэлектроновольт. Такой мощный ускоритель работает, например, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.
Создание ускорителей позволило провести и изучить большое количество различных ядерных реакций.
— Горим! — Спрыгнув с нар, Олег с остервенением начал топтать свой ватник, пристроенный возле печки для просушки и не желавший высыхать уже вторые сутки. Только сейчас мы почувствовали, что в избушке пахнет гарью.
— Олежка, дорогой! — улыбнулась Наташа. — Будет ли у нас хоть раз такой поход, когда у тебя ничего не сгорит и не утонет? То мы пьем кофе с твоими носками, то вытаскиваем твои тапочки из болота, а теперь в твоем ватнике будет безобразная дыра…
— Рассказывай таким растяпам о ядерной химии! — Илья не любил, если его внезапно перебивали.
— Сам-то ты хорош! — уныло произнес Олег. — Может, тебе напомнить историю, как некий опытный турист повел новичков в однодневный поход и вечером вышел точнехонько к тому месту, откуда ушел утром. Тема похода была, кажется, «Ориентировка на местности».
Это было темное пятно в туристской биографии Ильи. Слегка смутившись, он счел нужным продолжить свое сообщение.
— Многие трудности, связанные с применением в качестве «снарядов» заряженных частиц, исчезают, если в этой роли выступают нейтроны. Они не имеют заряда, и поэтому положительное поле ядра не представляет для них препятствия. Ядерные реакции могут идти с нейтронами очень низкой энергии (менее одного электроновольта). Эти нейтроны носят название тепловых, потому что их энергия близка к энергии теплового движения молекул. Ускоренные нейтроны подразделяются в зависимости от их энергии на медленные и быстрые.
Все известные ядерные реакции можно поделить на две группы. Одни реакции происходят под действием частиц или гамма-лучей невысокой энергии (до 50 мегаэлектроновольт). Другие требуют высокой энергии (более 50 мегаэлектроновольт).
Ядерные реакции также можно описать уравнением. Например, уравнение ядерной реакции Резерфорда будет выглядеть так:
7N14 + 2He4→1p1 + 8O17.
Однако более принята сокращенная запись: N14(α, p)O17. Например, выражение Na23(d, p)Na24 описывает ядерную реакцию изотопа Na23 с дейтроном, в результате которой образуется Na24 — другой изотоп натрия — и выделяется протон. Другой пример Fe54(d, n)Co55 — пример еще одной реакции с дейтроном, вторичной частицей, в которой является медленный нейтрон.
С помощью реакций под действием медленных нейтронов получены многие радиоактивные изотопы, широко применяющиеся в науке и промышленности: так, по реакциям нейтрон — протон (n, p) и нейтрон — альфа-частица (n, α) удается получить изотопы углерода C14, серы S35, фосфора P32, железа Fe59 и другие. Радиоизотопы очень многих химических элементов стали доступны человеку именно благодаря реакциям с медленными нейтронами.
Но стоит перейти к тяжелым элементам — торию, урану и трансурановым элементам, как ядерная реакция приобретает иной характер. Ядро тяжелых элементов раскалывается на два осколка, которые могут быть равными или разными по величине. Среди этих осколков обнаруживают изотопы элементов середины периодической системы — иттрия, стронция, циркония, церия, бария, лантана и цезия, а также многих других. Например, при делении урана медленными нейтронами образуются изотопы химических элементов от цинка (порядковый номер 30) до гадолиния (порядковый номер 64). На практике такая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе.
А если энергия бомбардирующих частиц превышает 50 мегаэлектроновольт, если она достигает значений в сотни и тысячи мегаэлектроновольт? Как в классической химии при очень высоких температурах и давлениях становятся возможными многие процессы, не происходящие в нормальных условиях, так и в ядерной химии высоких энергий наблюдаются весьма своеобразные явления.
Взаимодействие частиц высоких энергий с атомными ядрами приводит их к расщеплению. Этот процесс не надо путать с обычным делением на два осколка. При расщеплении ядер из них вылетает большое количество ядерных частиц и образуются разнообразные новые ядра.
Например, если облучать элемент гафний протонами с энергией 660 мегаэлектроновольт, то образуется много изотопов предыдущих элементов, вплоть до изотопа церия, отстоящего от гафния на 14 порядковых номеров.
Если такими же протонами бомбардировать уран, то получаются изотопы 16 химических элементов, при более высоких энергиях — большие количества.
— Вот вкратце я и рассказал, как получают радиоактивные изотопы.
— По-моему, кое-что нужно добавить! — вступил я в беседу. — Илья упомянул о ядерных реакциях в природе. Их только совсем недавно начали по-настоящему изучать. Они весьма разнообразны. Распад естественных радиоактивных элементов — примеры ядерных реакций в земной коре. При этом могут испускаться различные частицы, которые, в свою очередь, вступают в ядерные реакции с разными элементами. Наконец, космические лучи! Ведь составляющие их частицы обладают огромной энергией…
— Но здесь есть и другая сторона, — перебил меня Илья. — Ведь изучая ядерные реакции в земной коре, изучая процессы, протекающие в звездах, человек тем самым выясняет пути, которые привели к образованию химических элементов. Одним словом, приближается к решению проблемы происхождения элементов. На этот счет существует немало гипотез, и многие из них сводятся к тому, что химические элементы последовательно образуются на разных стадиях развития звезд. Раньше можно было лишь строить теоретические догадки, а сейчас ученые практически исследуют различные ядерные реакции.
— Но ведь это крайне сложно. И очень интересно! — воскликнула Майка.
— Разумеется. Что следует выяснить? Какие ядерные реакции с наибольшей вероятностью приводят к образованию того или иного изотопа. Известно, что химические элементы содержатся во вселенной в различных количествах. Более того, изотопы одного и того же элемента имеют различную распространенность. Можно построить кривую распространенности всех изотопов. Пока существующие теории происхождения элементов объясняют лишь отдельные участки кривой. А надо объяснить весь ее ход! Вот, друзья филологи, где чудесная тема для научной фантастики. Да что фантастики! Возьмите, например, тот же уран и как следует напишите его биографию. Целая поэма получится… Ей-богу, хорошая мысль! Мечта о превращении элементов! Она владела человеком с глубокой древности. В средние века алхимики пытались превратить в золото неблагородные металлы. А теперь получить один элемент из другого не составляет труда… Напишите об этом. Честное слово, если у вас когда-нибудь возникнет такое желание, я поверю, что наши беседы в этой заброшенной избушке не пропали даром.
— А сейчас не веришь? — укоризненно спросила Наташа.
Но монолог Ильи не так-то просто было прервать.
— Посудите сами, человек искусственно получил десять элементов тяжелее урана, трансурановых элементов, которых фактически нет в земной коре. Более того, многие из них играют роль отнюдь не меньшую, чем большинство обычных, классических элементов. Ладно уж! Чай готов. Считайте, что я справился с двойной нагрузкой: обеспечил пищу духовную и телесную…
Темнело рано. К половине четвертого вечные сумерки в нашей избушке незаметно сменялись темнотой, и лишь чуть светлым пятном выделялось маленькое оконце, от которого то и дело приходилось отгребать снег.