§ 4. Нейтрон - необычный снаряд

В то время как на высоковольтных ускорителях проводились первые опыты по искусственному получению быстрых частиц - снарядов для расщепления атомных ядер, физики, работавшие с естественными препаратами α-частиц, открыли новый снаряд атомной артиллерии и, пожалуй, самый удивительный из всех.

Начало было положено немецкими физиками Боте и Беккером. Изучая результаты бомбардировки различных ядер α-частицами полония, они натолкнулись на непонятное явление: легкий металл бериллий под действием α-частиц испускал какое-то необычное излучение, способное, почти не поглощаясь, проникать сквозь значительные толщи вещества. Было очевидно, что новое излучение нельзя приписать ни р-лучам, пробег которых в твердых телах не превышает нескольких миллиметров, ни тем более α-лучам, неспособным проникнуть даже сквозь тонкий лист бумаги.

Может быть, в ходе ядерной реакции на бериллии образуются улучи. Опыты супругов Жолио-Кюри показали, что и это предположение является маловероятным. Они помещали на пути загадочного излучения парафин, содержащий, как известно, большое количество атомов водорода. В результате из парафина вылетали быстрые протоны с энергией в несколько Мэв. Простой расчет показывает, что передать протонам столь значительную энергию могли лишь γ-лучи с энергией в несколько десятков Мэв, что гораздо больше, чем энергия первичных α-частиц.

Секрет нового явления был разгадан в 1932 г. английским физиком Чадвиком. Он показал, что "бериллие-вое" излучение состоит из потока нейтральных, т. е. не имеющих электрического заряда частиц-нейтронов, близких по массе к протонам¹. В той же лаборатории, где Чадвик сделал свое открытие, за 12 лет до этого Резерфорд вел поиски нейтральной частицы, предполагая, что она должна существовать в природе. Однако тогда обнаружить нейтрон не удалось.

¹ ( Масса нейтрона больше массы протона на 0,0025*10^-24 г.)

Открытие нейтрона позволило значительно уточнить представление о строении ядра. Оказалось, что нейтрон наряду с протоном является составной частью всех атомных ядер (впервые подобное предположение было высказано советским физиком Д. Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом). Если заряд ядра, равный порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, зависит только от числа протонов в нем, то масса ядра, а следовательно, и атомный вес (А) определяются полным количеством в нем протонов и нейтронов. Например, знакомая уже нам α-частица состоит из двух протонов (Z = 2) и двух нейтронов (А = 4).

Теперь, после открытия нейтрона, природа изотопов стала понятной - они отличаются друг от друга только количеством нейтронов. Так, например, водород имеет три изотопа. В ядре наиболее распространенного изотопа Н¹ - один протон. Ядро второго изотопа водорода - дейтерия - состоит из протона и нейтрона (этот изотоп встречается очень редко, его распространенность - 0,015%). Существует и третий изотоп - тритий Н³, получаемый искусственным путем. В его ядре, помимо протона,- два нейтрона. Есть элементы, имеющие большое количество стабильных, встречающихся в природе изотопов. У олова, например, насчитывается 10 стабильных изотопов.

Вскоре после открытия нейтрона исследователи ядерных расщеплений добились еще одного крупного успеха. И снова снарядами послужили испытанные α-частицы, испускаемые радиоактивными элементами. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции обнаружили, что мишени из бора, алюминия и магния после обстрела α-частицами становились радиоактивными. До этого времени считалось, что в результате искусственных ядерных расщеплений образуются быстрые частицы и устойчивые, стабильные атомные ядра. Предполагалось, что радиоактивность есть свойство лишь некоторых тяжелых элементов. Супруги Жолио-Кюри открыли такие ядерные превращения, в результате которых образовывались неустойчивые радиоактивные изотопы различных элементов. С ядром элемента бора, например, может происходить реакция¹.

¹ (Цифра внизу слева означает число протонов, вверху справа - полное число протонов и нейтронов в ядре.)

Изотоп азота ₇N¹³ в отличие от встречающегося в природе стабильного изотопа ₇N¹⁴ неустойчив и распадается с периодом полураспада около 10 минут, переходя в устойчивый изотоп углерода ₆С¹³

В этих опытах был открыт новый вид радиоактивности с испусканием положительно заряженной частицы - позитрона ₁e⁰. Эта частица с массой, равной массе электрона, незадолго перед тем была обнаружена в космических лучах, среди потока частиц, несущихся на Землю из межзвездного пространства.

Открытие искусственной радиоактивности сыграло огромную роль в развитии представлений о ядре. Впоследствии, когда стало возможным получение посредством ядерных реакций значительных количеств радиоактивных изотопов, они нашли себе применение в различных областях науки и техники. В настоящее время открыто уже около 1100 радиоактивных изотопов, причем значительная часть их получается под действием нейтронов.

Огромная проникающая способность нейтронов, их свойство "не замечать" атомы вещества, сквозь которые они проходят, объясняется отсутствием у нейтронов электрического заряда. Нейтрон не взаимодействует с электронами атомов и, следовательно, не теряет энергию на ионизацию. Столкновения непосредственно с ядрами происходят крайне редко из-за незначительных относительных размеров ядра. Впрочем, и столкновения с ядрами далеко не всегда ведут к потере энергии нейтроном. При ударе о тяжелое ядро нейтрон отскакивает почти с той же скоростью, какая у него была до столкновения. Здесь картина весьма напоминает явления с обычными для нас большими предметами. Бильярдный шар отскакивает от борта бильярда, не теряя скорости, и лишь изменяет свое направление. Наоборот, при ударе о другой шар первый шар теряет в среднем половину своей скорости. Таким же образом быстрые нейтроны передают часть своей энергии ядрам водорода, содержащимся в парафине. Поэтому, чтобы замедлить нейтроны, применяют не плотные, тяжелые вещества, а легкие водородосодержащие предметы, как, например, вода, парафин, бетон.

Отсутствие у нейтрона электрического заряда обеспечивает ему свободный подход к любому атомному ядру. Для нейтрона вокруг ядра не существует барьера. Естественно, что физики сразу же воспользовались новым оружием для своих атак на атомное ядро.

Первые же исследования ядерных превращений, вызванных нейтронами, привели к неожиданным и очень интересным результатам. В этих исследованиях, которые впервые производил итальянский физик Энрико Ферми с сотрудниками, нейтроны получались в результате облучения бериллия α-частицами радиоактивного препарата. Происходили как бы двойные расщепления (рис. 17). Попадая в ядро бериллия, α-частица выбивала из него нейтрон, который в свою очередь поглощался одним из ядер мишени.

Рис. 17. Реакция под действием нейтронов

Во-первых, оказалось, что под действием нейтронов ядра почти всех элементов периодической системы переходят в радиоактивное состояние. Новое ядро, образовавшееся при поглощении, становилось радиоактивным.

Во-вторых, радиоактивность бомбардируемых мишеней сильно возрастала при окружении источника нейтронов или самого вещества мишени водой или парафином. Мы знаем, что такое окружение означало уменьшение скорости нейтрона. Оставалось сделать поразительный вывод - чем медленнее нейтрон, тем больше вероятность, что он поглощается ядрами, чаще происходит ядерное превращение. В некоторых веществах поглощение нейтронов является особенно сильным. Так, тонкий как папиросная бумага слой металла кадмия оказался более сильным поглотителем, чем несколько сантиметров свинца.

Мы видим, что нейтроны как ядерные снаряды обладают удивительными свойствами, непохожими на свойства α-частиц и протонов. Чем меньше их скорость, тем большее действие они производят. Объясняется это тем, что нейтрону, в отличие от заряженной частицы, нет надобности преодолевать силы отталкивания электрического поля ядра. Поэтому ему не нужна скорость. Наоборот, чем медленнее он движется, тем больше времени находится вблизи ядра и тем скорее будет захвачен ядром.

Ядерные реакции, идущие с поглощением медленных нейтронов, никак нельзя назвать ядерными расщеплениями. В результате их ядро не расщепляется, а усложняется, так как к нему добавляется еще один нейтрон. Испускается же ядром один или несколько γ-квантов. γ-кванты - это частицы света столь же реальные, как и другие элементарные частицы. Особенность γ-квантов состоит в том, что их масса покоя равна нулю и движутся они в пустоте всегда (независимо от энергии) со скоростью распространения света.

Что же происходит с ядром при ядерных превращениях? Существует ли разница между ядерными реакциями и столкновениями быстрых частиц с атомами? Ответы на эти вопросы были даны в 1936 г. датским физиком Нильсом Бором. Он предложил для объяснения ядерных реакций и свойств ядра следующую простую модель. Представим себе неглубокую чашу, в которой лежит несколько бильярдных шаров (рис. 18). Пусть в чашу влетает один бильярдный шар. Шар, попавший в пустую чашу, скатится на дно и затем выскочит наружу с другой стороны. Но в чаше есть другие бильярдные шары. Влетевший извне шар будет неминуемо с ними сталкиваться и передавать им часть своей энергии. Пусть чаша и шары совершенно гладкие и упругие. В таком случае столкновения между шарами будут продолжаться до тех пор, пока вся кинетическая энергия не сконцентрируется на каком-либо одном шаре, расположенном близко к поверхности, после чего этот шар покинет чашу.

Рис. 18. Иллюстрация хода ядерной реакции на модели Н. Бора

Нечто подобное происходит во время ядерной реакции в атомном ядре. Протоны и нейтроны ядра согласно модели Бора аналогичны бильярдным шарам. Частица, попавшая в ядро, застревает в нем, причем энергия частицы перераспределяется между всеми нуклонами ядра¹. Образуется сложная система, так называемое "составное ядро". Длительность существования составного ядра в миллионы раз превышает то время (~ 10^-21 секунды), которое необходимо частице, чтобы пройти сквозь ядро. Таким образом, по модели Бора, ядро - непрозрачный шар, "поглощающий" любой снаряд, ударяющий в него. В результате поглощения энергии снаряда образуется "возбужденное" ядро, переходящее в спокойное, невозбужденное состояние посредством испускания частицы или γ-кванта.

¹ (Нуклоны - общее название протонов и нейтронов, входящих в состав ядра.)

Очень важным свойством ядер является их способность приобретать в возбужденном состоянии лишь вполне определенные значения энергии. В этом заключается одна из особенностей микрочастиц, отличающая их от видимых предметом.

Модель ядра Бора сыграла важную роль в объяснении свойств атомных ядер. Однако опыты последних лет показали, что далеко не во всех случаях попавшая в ядро частица застревает в нем. Иногда эта частица может пройти сквозь ядро, почти не растеряв свою энергию. При больших энергиях бомбардирующих частиц из ядра могут вылететь несколько частиц, причем наряду с протонами, нейтронами и α-частицами вылетают также и более тяжелые образования.

Останавливаясь на ядерных реакциях, происходящих под действием нейтронов, нельзя не коснуться процесса деления атомных ядер. Этот процесс был открыт при попытках получить искусственным путем новый элемент с числом протонов, большим, чем в уране (Z = 92). Атомы урана, облученные медленными нейтронами, действительно обнаружили радиоактивность, по своим свойствам не похожую ни на уран, ни на близлежащие элементы. Опыты, продолжавшиеся несколько лет, привели физиков в 1939 г. к удивительному открытию. Найденная активность принадлежала не зауоановому элементу, а двум элементам, находящимся в середине периодической таблицы Менделеева. Так был обнаружен новый тип ядерной реакции - деление тяжелых ядер. Казалось бы, что разорвать ядро урана на две примерно равные части можно, лишь сообщив ему очень большую энергию. Однако это не так. Дело в том, что в тяжелом ядре крайне велики силы отталкивания между протонами, пока ядро имеет форму, близкую к шарообразной, ядерные силы, действующие между нуклонами, уравновешивают силы отталкивания. Однако стоит ядру под действием поглощенного нейтрона несколько изменить свою форму (рис. 19), как силы отталкивания разрывают ядро на два осколка, с большой скоростью разлетающихся в противоположные стороны. Существует некоторая, правда, очень небольшая, вероятность самопроизвольного деления ядра урана (период полураспада ˜8*10¹⁵ лет). Явление это было открыто в 1939 г. советскими физиками К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым.

Рис. 19. Процесс деления ядра

Открытие реакции деления тяжелых ядер сыграло решающую роль в практическом использовании энергии, заключенной в атомных ядрах. "В истории физики очень часто случается, что новое открытие, которое сначала представляется имеющим только чисто научный интерес, в конце концов находит себе полезные практические применения" (Резерфорд). Так получилось и с процессом деления атомных ядер.

Выяснилось, что процесс деления при известных условиях может приобрести цепной, лавинный характер; один случай деления вызовет цепь последующих делений других ядер урана. Возможность такого процесса объясняется тем, что при делении ядра, помимо осколков, с большой скоростью вылетают два или три нейтрона. Каждый из них способен при благоприятных условиях разделить новое ядро урана, из которого опять вылетают нейтроны. Число нейтронов, а следовательно, и разделившихся ядер возрастает с огромной быстротой, за миллионную долю секунды разделяются все ядра, содержащиеся в куске урана весом около килограмма.

Подобный процесс может происходить только в одном из изотопов урана - уране-235. Основной изотоп - уран-238 (его в природном уране 99,3%) -делится только очень быстрыми нейтронами, а сравнительно медленные нейтроны захватывает, образуя уран-239. Последний является нестабильным и, испытывая последовательно два радиоактивных распада, превращается в ядра новых элементов с Z = 93 (нептуний) и Z = 94 (плутоний).

Мирное использование энергии, выделяющейся при делении урана, осуществляется в управляемом цепном процессе. В нем используется то обстоятельство, что часть нейтронов образуется не мгновенно, а выделяется осколками с запозданием на несколько десятков секунд. Эти запаздывающие нейтроны позволяют регулировать скорость процесса. Обычно в ядерном реакторе применяется не чистый уран-235, получение которого обходится крайне дорого, а природный уран или смесь, обогащенная до нескольких процентов ураном-235. При этом используется свойство урана-238 слабо поглощать нейтроны малых энергий - тепловые нейтроны. Если создать условия, при которых нейтроны деления будут эффективно замедляться, то цепная реакция будет идти, несмотря на присутствие большого количества ядер. урана-238. В качестве замедлителей применяют тяжелую воду (вода, в которой содержится тяжелый водород - дейтерий) или графит.

Обычно в ядерных реакторах не смешивают уран с замедлителем, а заполняют замедлителем пространство между урановыми стержнями. Таким путем удается удалить ядра урана из области, где замедляются нейтроны, и, следовательно, сократить число нейтронов, захваченных ураном-238.

В ядерных реакторах получают колоссальные потоки тепловых нейтронов. Через каждый квадратный сантиметр активной зоны реактора в секунду проходит до 10 и нейтронов. Понятно поэтому, что реакторы служат основным поставщиком радиоактивных изотопов, которые образуются в количествах, исчисляемых тоннами.

Часть радиоактивных продуктов в реакторе представляет собой осколки ядер урана. Помимо этого, большое количество радиоактивных веществ образуется в специальных каналах, где облучаются нейтронами различные элементы.