Ядро продлевает себе жизнь
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Есть открытия, последствия которых почти сразу предугадываются, по крайней мере, десятками людей, причастных к той области науки, где они делаются. Так было с открытием вынужденного деления ядер урана немецкими учеными Ганом и Штрассманом в 1938 году. Столь же ясными были последствия открытия самопроизвольного (спонтанного) деления ядер урана русскими учеными К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым в 1940 году. Этими событиями открылась эра атомной энергетики. Очевидной, почти тривиальной кажется сегодня идея использования энергии ядра, делящегося тем или другим способом.
В дальнейшем выяснилось, что не только уран, но и многие из трансурановых элементов склонны самопроизвольно делиться. И чем тяжелее ядро, тем оно неустойчивее, тем охотнее — с большей вероятностью — делится. Это свойство настолько характерно для трансурановых элементов, что регистрация продуктов спонтанного деления — двух осколков с массами, в сумме равными массе исходного ядра — стала основным методом обнаружения новых элементов при их лабораторном синтезе.
В работах по синтезу 104-го элемента, курчатовия, проводившихся в 1961 году физиками Дубны под руководством академика Г. Н. Флерова, был обнаружен третий тип деления ядер — деление из изомерного состояния. Этот способ деления, если вдуматься, не может вызывать особого удивления. Ведь спонтанно делиться способны ядра трансурановых элементов даже в основном, спокойном состоянии. Они только чересчур велики, настолько, что уже не хватает ядерных сил, чтобы удержать вместе протоны и нейтроны.
Тем более очевидно стремление ядра разделиться, находясь в изомерном, то есть возбужденном состоянии. Заставьте резко колебаться большую каплю воды, и вы увидите, что с ней произойдет. Нечто подобное происходит и с изомерами.
Затем дубненскими физиками был открыт еще один, четвертый тип деления ядер. Пучком ионов бора бомбардировали, мишень из тория. Образующиеся в реакции изотопы 95-го элемента Аm232 и Аm234 делились каждый на два осколка. Но не сразу после своего рождения, как если бы они рождались в возбужденном состоянии, а спустя некоторое время, с запаздыванием. Период полураспада составлял 1,4 минуты для Аm232 и 2,6 минуты для Аm234. Но для спонтанного деления из основного состояния это происходило слишком быстро — в миллиарды раз быстрее. В чем же дело?
Выяснилось, что ядра делятся по совершенно новой схеме. Через некоторое время после рождения ядро захватывает электрон с ближайшей к нему орбиты. (В тяжелых атомах самые ближние к ядру электроны находятся в «ужасных» условиях. Снаружи на них давят десятки внешних орбитальных электронов, изнутри не менее сильно их тянет к себе ядро.) С захватом электрона заряд уменьшается на единицу: один из протонов, получив подарок, превращается в нейтрон. Так происходит превращение ядра 95-го элемента — америция, в ядро 94-го элемента — плутония. Причем ядро плутония рождается в уже возбужденном состоянии и практически мгновенно делится.
Так что продлить жизнь (а может быть, укоротить?) на несколько минут ядрам америция удается именно благодаря захвату электрона.
О значении этого открытия, пожалуй, лучше всего судить по тому факту, что с синтезом трансурановых элементов открылась совершенно новая страница в науке — физика сверхтяжелых ядер. Здесь мало изведанного — исследования только начинаются. А потому открытие каждого нового явления — это шаг к следующим открытиям.
Важно знать, как поведет себя каждое новое ядро, останется ли устойчивым или распадется, а если распадется, то каким образом. В конечном счете, это важно потому, что почти вся масса окружающего нас вещества, а значит и энергия, сосредоточена в ядрах атомов. Чем тяжелее ядро, тем больше заложено в нем энергии. Как знать, может быть, и из сверхтяжелых ядер удастся извлекать энергию…
Автор: Ю. Слюсарев.