В 1971 году человечество отметило две знаменательные юбилейные даты 75 лет со дня открытия радиоактивности, принадлежащего Анри Беккерелю, и 100 лет со дня рождения великого английского ученого Эрнеста Резерфорда, который вслед за Беккерелем, Марией, и Пьером Кюри стоит в ряду пионеров великого переворота в естествознании, происшедшего на рубеже XIX и XX столетий.
О том, какое громадное место занимает в науке нашего времени радиоактивность, можно судить хотя бы по тому, что с ее исследованием, и применением связаны - в той или иной мере - по крайней мере семь Нобелевских премий по физике и восемь - по химии. Хотя сейчас о радиоактивности чаще приходится слышать в связи с ее использованием в разных областях науки, и техники, изучение самой радиоактивности тоже не стоит на месте - в этой области в последние годы имеется много новостей, да и в будущем можно ожидать важных, и интересных открытий.
ЧТО СЧИТАТЬ И ЧТО НЕ СЧИТАТЬ РАДИОАКТИВНОСТЬЮ!
Открытие Резерфорда - альфа, бета и гамма-лучи. Гамма-излучение не меняет состава ядра, и поэтому не подпадает под определение радиоактивности. Двустадийность - основное понятие боровской теории ядерных реакций. Компаунд-ядра, и критерий времени в определении радиоактивности.
Целесообразно начать с определения.
Будем называть радиоактивностью самопроизвольные превращения изотопов химических элементов, обусловленные распадом их атомных ядер.
Скажем, если ядро испускает протон, то и масса, и заряд ядра уменьшатся на единицу - элемент сместится на одну клетку влево в таблице Менделеева. Испускание нейтрона не влечет такого смещения (вот почему при определении радиоактивности нужно сказать о превращениях именно изотопов, а не обязательно элементов!). При вылете из ядра альфа-частицы, состоящей из двух протонов, и двух нейтронов, массовое число уменьшается на четыре, а заряд на два. Есть среди радиоактивных превращений, и такие, которые сопровождаются лишь изменением заряда например нейтрон может превратиться в протон, испустив электрон, и антинейтрино.
В последних двух примерах нетрудно узнать «старейшие» (по дате их обнаружения) виды радиоактивности. В 1898 году Эрнест Резерфорд доказал, что радиоактивное излучение урана неоднородно по составу, и выделил в нем альфа и бета-лучи, представляющие собой, как мы знаем сегодня, потоки альфа-частиц, и электронов.
Известен и третий вид радиоактивного излучения - гамма-лучи. Однако сам по себе процесс гамма-излучения вряд ли имеет смысл считать видом радиоактивности - ведь испускание гамма-лучей влечет за собой изменение лишь энергетического состояния ядра, но не его состава.
Скажем попутно еще об одном ограничении, которое необходимо иметь в виду при описании типов радиоактивности. Ради ясности начнем с примера.
Возьмем два тяжелых изотопа водорода - дейтерий, и тритий. Взаимодействуя друг с другом, ядра дейтерия и трития могут превратиться в альфа-частицу. Такое превращение происходит в два этапа сначала ядра дейтерия, и трития сливаются в ядро изотопа гелия с массовым числом 5, а затем образовавшееся ядро распадается на альфа-частицу и нейтрон.
Двустадийность превращений является основой теории ядерных реакций, предложенной в 30-е годы Нильсом Бором. Продукт слияния первичных ядер, распад которого образует в дальнейшем конечные продукты реакции, называется промежуточным, или компаунд-ядром. В нашем примере роль компаунд-ядра играет гелий-5. Можно ли назвать это возбужденное, весьма неустойчивое ядро радиоактивным? Нет, и вот почему. Набор различных вариантов, по которым могут распадаться компаунд-ядра при достаточно больших энергиях их возбуждения, чрезвычайно многообразен и если причислить все подобные процессы к радиоактивности, потеряет всякий смысл классификация радиоактивных распадов по виду испускаемых при распаде частиц.
По, какому же признаку удобнее исключить из рассмотрения компаунд-ядра? Оказывается, что живут они очень недолго. Так, например, время жизни ядра гелия-5, которое встретилось нам в предыдущем примере, составляет около 10~21 секунды. Чтобы не иметь дела с компаунд-ядрами, к радиоактивным изотопам причисляют лишь те, время жизни которых - от образования до распада - превышает 10 12 секунды.
Итак, радиоактивным распадом ядра является самопроизвольное изменение его состава, отделенное от момента образования этого ядра временем, существенно превышающим продолжительность жизни компаунд-ядра при ядерных реакциях.
ВИДЫ РАДИОАКТИВНОСТИ
Три варианта бета-распада. Флеров, и Петржак обнаруживают спонтанное деление ядер. Поиски новых элементов продолжаются. Аномально быстрое спонтанное деление ядер-изомеров ждет количественного объяснения.
Приняв строгое определение, мы можем теперь перечислить основные виды радиоактивности. Прежде всего это альфа-распад, известный еще с первых лет изучения радиоактивности. Далее надо назвать бета-распад, точнее, три его разновидности, отвечающие разным вариантам взаимного превращения протонов и нейтронов внутри ядра:
либо нейтрон распадается на протон, электрон, и антинейтрино;
либо протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино;
либо протон захватывает электрон из электронной оболочки, и превращается в нейтрон, испуская нейтрино.
Первый из перечисленных вариантов именуется бета-минус-распадом (подобно испусканию альфа-частиц он был известен еще Резерфорду, как уже говорилось выше), второй - бета-плюс-распадом (его открыли Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 году), третий - электронным захватом (его обнаружил Луис Альварец в 1938 году).
В 1940 году Г. Н. Флеров, и К. А. Петржак открыли третий основной вид радиоактивности - спонтанное деление ядер. Этот вид радиоактивного распада привлекает к себе в последнее время самое пристальное внимание, особенно по той причине, что он накладывает важные ограничения на возможность существования заурановых элементов.
Если сравнить времена жизни изотопов тяжелых элементов - например, от тория до курчатовия, то окажется, что с относительно небольшим ростом заряда - от 90 до 104 - скорость спонтанного деления возрастает в 10 28 раз. Простая экстраполяция такой зависимости к более тяжелым элементам не оставляла бы ни малейшей надежды на их существование. Однако различные теоретические расчеты, проведенные по так называемой оболочечной* теории ядра, приводят к выводам, что прочность тяжелого ядра может значительно повыситься, если число протонов приблизится к 114 или 126, а число нейтронов - к 184. Заряд ядра Z=114 отвечает элементу, подобному по своим химическим свойствам свинцу (в гипотетических описаниях его так и называют «эка-свинцом»), заряд Z=126 - весьма своеобразному по химическим свойствам элементу, не имеющему аналога среди ныне известных (в атомах этого элемента будет происходить заполнение четвертой снаружи электронной оболочки, содержащей 18 вакансий, и пустующей у всех элементов менделеевской таблицы).
Во многих лабораториях мира сейчас пытаются синтезировать искусственно или найти в природе долгоживущие - альфа-радиоактивные или спонтанно делящиеся - изотопы элементов, расположенных далеко за нынешними рамками периодической системы Менделеева.
Другой причиной повышенного интереса к спонтанному делению явилось открытие советских физиков, сделанное свыше десяти лет тому назад.
В 1961 году в Дубне Г. Н. Флеров и С. М. Поликанов с сотрудниками наблюдали новый вид спонтанного деления - спонтанный распад ядер, находящихся в возбужденном (изомерном) состоянии.
Как правило, ядра переходят из возбужденного в обычное состояние, испуская гамма-квант. Дубненские физики столкнулись с любопытным исключением из правила оказалось, что возбужденное ядро америция-242 вместо того, чтобы испустить гамма-квант, и перейти в основное состояние, делится, причем время его спонтанного деления составляет всего 14 микросекунд, что примерно в 1023 раз превышает скорость его деления в основном состоянии.
За последние годы открыто около 30 делящихся изомеров среди изотопов урана, плутония, америция и кюрия. Но все еще нет ответа на вопрос почему так резко убыстряется спонтанное деление ядер-изомеров при отсутствии других наблюдаемых путей их дезактивации?
Четвертым, и пятым типом радиоактивного распада являются протонная и двупротонная радиоактивность.
ПРОТОННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Марсден исследует Н-частицы. Резерфорд открывает первую ядерную реакцию. Залог протонной радиоактивности - дефицит нейтронов. Джелепов анализирует вероятность наблюдения протонно-радиоактивных ядер.
Начало истории протонной радиоактивности относится к тем временам, когда еще даже не существовало самого термина «протон», а ядра водорода именовались Н-частицами.
В 1914 году Эрнест Марсден в лаборатории Резерфорда в Кембридже начал исследовать взаимодействие между альфа-частицами, и водородом.
Ударяя атом водорода «в лоб», альфа-частица передавала ему почти две трети своей энергии. Пробег Н-частиц, получивших эту энергию. оказывался гораздо больше, чем пробег бомбардирующих альфа-частиц.
Вскоре Марсден обнаружил, что длиннопробежные Н-частицы наблюдаются и тогда, когда альфа-источник заключен в стеклянную или кварцевую ампулу, наполненную не водородом, а другим газом.
Быть может, Н-частицы испускаются самим радиоактивным источником?
После войны к дальнейшим опытам приступил сам Резерфорд. В 1919 году он показал, что ядра водорода непосредственно источником альфа-частиц не излучаются, а выбиваются из легких ядер газа, заполняющего ампулу, - скажем, азота.
Ясно, что, теряя протон, и приобретая альфа-частицу, ядро азота превращалось в ядро другого элемента - кислорода. Таким образом, поиски радиоактивного распада с испусканием Н-частиц уже на самом раннем этапе увенчались замечательным успехом - открытием первой ядерной реакции.
Поиски же протонной радиоактивности прервались на многие десятилетия. Лишь в 1951 году советский ученый Б. С. Джелепов проанализировал вопрос о том, сколь вероятным является обнаружение протонного распада легких ядер, и пришел к довольно неутешительным выводам.
К этому времени (после открытия нейтрона, и общеизвестных успехов ядерной физики 30-х - 40-х годов) было уже совершенно ясно, что неустойчивость к протонному распаду, а возможно, и протонная радиоактивность должны появиться у так называемых нейтронодефицитных изотопов, ядра которых содержат заметно меньшее число нейтронов, чем стабильные ядра.
Чтобы понять естественность такого предсказания, достаточно обратиться к рисунку на стр. 27. Как видно из него, в ядрах устойчивых изотопов легких элементов содержится примерно одинаковое число протонов, и нейтронов. Для ядер более тяжелых элементов стабильность по отношению к радиоактивному распаду достигается при некотором недостатке протонов - сказывается их кулоновское отталкивание, которое приходится компенсировать добавкой нейтронов.
Нейтронодефицитные ядра переполнены протонами. Достичь той пропорции между числом протонов и нейтронов, которая обеспечит ядру устойчивость, можно двумя способами. Во-первых, испустить протон - при достаточно большом времени жизни ядра это, и будет протонная радиоактивность. Но возможен и другой путь протон превращается в нейтрон, испуская позитрон, и нейтрино (это уже знакомый нам бета-плюс-распад).
Почему же первый из этих процессов - испускание протонов - казался столь невероятным?
Представляется очевидным, что для извлечения протона из ядра нужно затратить энергию (в таком случае говорят, что энергия связи протона положительна). Взяв для примера устойчивое ядро, мы убеждаемся, что так оно и есть. Недостаток нейтронов, как мы уже знаем, сказывается на устойчивости ядра, - энергия связи протона при этом уменьшается. При сильном дефиците нейтронов энергия связи становится даже отрицательной, - ядро склонно к испусканию протонов. С уменьшением на единицу числа нейтронов энергия связи протона скачком падает на многие сотни, и даже тысячи килоэлектрон-вольт.
Казалось бы, все это облегчает испускание протонов. Однако время испускания протона должно быть меньше 10 - 100 секунд, иначе резко преобладающим окажется бета-плюс-распад. Вместе с тем это время, по определению радиоактивности, должно превышать 10~12 секунды. Время протонного распада тем больше, чем меньшей энергией обладают вылетающие протоны. И вот оказывается, что интервал времени распада от 100 секунд до 10^-12 секунды отвечает увеличению энергии протона на сравнительно небольшие величины - 40 килоэлектрон-вольт для ядер натрия, 250 килоэлектрон-вольт для ядер скандия, и т. п.
Итак, перебирая один за другим нейтронодефицитные изотопы, мы передвигаемся по шкале энергии связи чрезвычайно большими шагами - в сотни, и тысячи килоэлектрон-вольт. А интервал энергий, в который должна попасть отрицательная энергия связи протона для успешного наблюдения протонной радиоактивности, весьма узок - он измеряется десятками килоэлектрон-вольт. Попасть в него маловероятно - так капля редкого дождя едва ли упадет в крохотную лужицу на асфальте. Вот почему, по мнению Джелепова, вряд ли можно было надеяться обнаружить более чем одно протонно-радиоактивное ядро среди легких элементов вплоть до неона.
Так, значит, список видов радиоактивности завершен и попытки дополнить его заранее обречены на неудачу?
ПОИСКИ ПРОТОННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ
Ядерные силы не зависят от электрического заряда нуклонов. Формула масс атомных ядер предсказывает свойства еще не открытых изотопов. Около сотни ядер заподозрены в протонной радиоактивности. Тяжелые ионы - основной инструмент «ядерной хирургии»
Прошло несколько лет.
Обсуждая вопрос о пределах стабильности ядер вплоть до величины заряда, равной 70, В. А. Карнаухов назвал скандий-39, мышьяк-63, и сурьму-106 в качестве возможных протонно-радиоактивных изотопов. (В той же работе титан-41 и селен-67 были указаны, как возможные излучатели запаздывающих протонов.)
Еще несколько лет спустя перспективы поисков протонной радиоактивности удалось подвергнуть детальному анализу. Провести его позволила формула масс атомных ядер, полученная нами в 1960 году. Формула явилась следствием замечательной особенности ядерных сил, установленной ранее. Эта особенность, именуемая изотопической инвариантностью, состоит в том, что ядерные силы не зависят от электрического заряда частиц. Это открывает возможность, зная свойства известного ядра, предсказывать свойства еще не известного, в котором протоны заменены нейтронами, и наоборот (такие ядра называют зеркальными).
Формула масс атомных ядер позволила предсказать основные свойства (стабильность или нестабильность к распаду с испусканием протонов, массу, энергию бета-плюс-распада, время жизни) десятков неизвестных нейтронодефицитных изотопов - и во всех случаях, когда эти изотопы были впоследствии открыты, согласие с предсказаниями оказалось превосходным. Далее, формула помогла обнаружить ряд ошибок, фигурировавших в разных таблицах масс атомных ядер, - иногда даже ошибок не предсказательных, а уже экспериментальных.
Использование нашей формулы, и данных различных таблиц о массах ядер привело к выводу о существовании многих десятков (быть может, более сотни) протонно-радиоактивных ядер почти всех нечетных элементов периодической системы Д. И. Менделеева - от фосфора или хлора и до висмута или даже дальше (здесь «опасным» конкурентом протонной радиоактивности становится альфа-распад).
Однако, несмотря на то, что протонно-радиоактивных ядер должно существовать немало, получить их далеко не просто - слишком много нужно для этого выбросить из ядра нейтронов. Наиболее эффективным способом тонкой «ядерной хирургии», позволяющей удалить из ядра нейтроны, не затрагивая других частиц, является бомбардировка различных мишеней многозарядными тяжелыми ионами - ускоренными ядрами лития, бора, углерода, и т. д.
Известны два механизма такой бомбардировки. Пока суммарная энергия взаимодействующих снаряда и мишени меньше высоты кулоновского барьера, слияния этих двух ядер не происходит, но возможен туннельный перенос одного или нескольких нуклонов от мишени к снаряду (или в противоположном направлении) в момент столкновения, так сказать, «на пролете». Очевидно, что реакции множественного переноса нейтронов от одного ядра к другому могут приводить к образованию не только обедненных, но, и обогащенных нейтронами ядер. Реакцией переноса были, например, получены ядра сверхтяжелого гелия - гелия-8 - при бомбардировке альфа-частицами магния.
Если же суммарная энергия обоих ядер превосходит высоту барьера, то мишень и снаряд сливаются, образуя сильно возбужденное, кипящее компаунд-ядро. Если заряд компаунд-ядра велик, то из него выкипают почти исключительно нейтроны, ибо вылету заряженных частиц относительно малой энергии сильно препятствует кулоновский барьер (см. рисунок на след. стр.). Он «проверяет пропуска» с обеих сторон, и если положительно заряженной частице трудно подойти к положительно заряженному ядру, а тем более проникнуть к него, то столь же труден и обратный переход.
ДВУПРОТОННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
У границы устойчивости. В атомном ядре протоны с антипараллельными спинами объединяются в пары. Сквозь потенциальный барьер протонам легче пройти в паре, нежели поодиночке.
Подобно тому, как для макроскопических количеств вещества наука проявляет особый интерес к их свойствам в экстремальных условиях - при сверхвысоких или сверхнизких давлениях, температурах, в сверхчистом виде, и т. д., так и для ядер наименее изучен, а стало быть, и наиболее интересен вопрос, каковы свойства ядер, расположенных «у границы устойчивости», когда энергия связи отдельных нуклонов близка к нулю и вдобавок - при дефиците нейтронов - особенно велика энергия кулоновского взаимодействия протонов? Какими оказываются размеры, и форма ядер в таких условиях? Продолжают ли - и с, какой точностью - выполняться следствия изотопической инвариантности ядерных сил? Все эти вопросы стоят сейчас перед исследователями радиоактивности.
Но особенно много интересного обещает экспериментальное открытие, и подробное изучение так называемой двупротонной радиоактивности.
К выводу о необходимости существования такого - пятого по счету - основного типа радиоактивного распада мы пришли в 1960 году. Новый вид радиоактивности предсказала формула, определяющая энергию связи протонов в нейтронодефицитных ядрах с четными атомными номерами.
Казалось бы, с прибавлением нового протона к нейтронодефицитному ядру избыток протонов должен ощущаться все резче, и энергия связи протонов должна понижаться. Однако ситуация оказывается обратной, если при такой добавке число протонов изменяется с нечетного на четное.
Вот в чем тут дело. Есть у элементарных частиц - протонов, электронов, и т. д. - такая характеристика - спин, собственный момент количества движения. Наличие спина можно объяснить вращением частицы вокруг собственной оси. Однако такое представление является лишь грубой аналогией, заимствованной из классической механики. Квантовые свойства спина проявляются в том, что спин может лишь определенным образом ориентироваться в пространстве. В ядре два протона, спины которых антипараллельны, связываются друг с другом. Энергия связи составляет 2 - 3 Мэв - она-то, и выигрывается, когда к ядру с нечетным числом протонов добавляется еще один. Таким образом, четный протон всегда связан сильнее предыдущего нечетного. В результате зачастую оказывается энергетически выгоднее удалить из ядра сразу два протона, чем оторвать один из них от другого.
Выход пары протонов из ядра связан с преодолением потенциального кулоновского барьера, а это приводит к тому, что время двупротонного распада может существенно превышать 10~12 секунд. Таким образом, возникает возможность не просто нестабильности ядра к вылету сразу двух протонов, а именно двупротонной радиоактивности.
И тут встает вопрос, как поделят два протона между собой ту энергию, которая высвобождается при их вылете из ядра?
Если один получит большую долю, то ему, казалось бы, легче просочиться сквозь барьер. Но при этом второй протон с меньшей энергией опускается к подножию барьера, и действует на первый, как гиря, висящая на ногах пловца, - ведь оба протона обязаны вылетать только вместе! В результате общая скорость двупротонного распада падает очень резко, по кривой Гаусса, она тем меньше, чем неравномернее делится энергия между протонами. Благодаря этому соображению можно рассчитать коэффициент энергетической корреляции двух протонов.
Этот же коэффициент измерим, и опытным путем. Экспериментальное значение коэффициента корреляции, разумеется, может отличаться от расчетного. Расхождение - признак того, что неточны, какие-то исходные предположения. Неверным может оказаться представление о том, что кулоновские силы ядра на достаточно малых расстояниях резко сменяются ядерными силами. Иными словами, может оказаться неверной принятая нами форма потенциального барьера, окружающего ядро.
Если опыт покажет значение коэффициента корреляции меньше расчетного, это будет свидетельствовать о том, что внутренняя стенка потенциального барьера не вертикальна, а наклонна. Выяснив -истинную форму барьера, мы тем самым узнаем, как убывают ядерные силы вблизи поверхности ядра.
На характер энергетической корреляции должно влиять, и наличие - наряду с кулоновским - так называемого центробежного барьера. Это понятие связано с тем, что условия выхода протона из ядра зависят от того, на, какой оболочке находился протон внутри ядра перед вылетом. Стоит учесть наличие центробежного барьера, и мы приходим к любопытным эффектам. Во-первых, подтверждается, что протонам легче пройти сквозь потенциальный барьер в паре, нежели поодиночке, независимо друг от друга. Во-вторых, центробежный барьер, как бы «сдерживает» развал пары протонов - она сохраняется в виде единого целого на расстояниях, значительно превышающих радиус ядра, и распадается порой только близ внешней границы потенциального барьера.
Если пара протонов проходит почти весь свой подбарьерный путь, как единое целое, то при ее развале возникает довольно сильная угловая корреляция между двумя протонами - они вылетают преимущественно в близких направлениях. Специфические особенности энергетической, и угловой корреляции двух протонов дают уникальные возможности изучить их взаимодействие под потенциальным барьером, то есть в зоне между внутриядерной областью, где преобладают ядерные силы притяжения, и областью внеядерной, где действуют лишь кулоновские силы отталкивания.
АНАЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Двупротонная радиоактивность, и сверхпроводимость. В прогнозе - около шестидесяти двупротонно-радиоактивных ядер. Существует ли двунейтронная радиоактивность!
Напомним читателю несколько фактов из области физики, которая, казалось бы, никакого отношения к радиоактивности не имеет.
Речь пойдет о сверхпроводимости.
Как известно, для нее требуется, чтобы электроны проводимости с антипараллельными спинами оказались спаренными. В обычном, несверхпроводящем металле пары разваливаются, и электроны движутся независимо друг от друга. Однако, если несверхпроводящий металл образует тонкую прослойку между двумя образцами сверх проводника, электронные пары благодаря туннельному эффекту способны пройти из одного сверхпроводника в другой сквозь разделяющий их потенциальный барьер - металл в обычном состоянии. В этом проявляется знаменитый ныне эффект Джозефсона (названный по имени предсказавшего его теоретика), который стал предметом сотен теоретических, и экспериментальных исследований по физике низких температур.
Самую прямую аналогию с вышеописанным имеет характерное для двупротонной радиоактивности сочетание спаривания частиц, и их прохождения сквозь потенциальный барьер.
Вылет пары протонов с противоположными спинами из ядра схож с туннельным переходом электронной пары из сверхпроводника в металл в нормальном состоянии. Развивая эту аналогию, автор этой статьи указал на возможность существования, а затем совместно с А. И. Ларкиным предложил теорию ядерного аналога эффекта Джозефсона.
Таким образом, изучение двупротонной радиоактивности оказывается в, какой-то мере пограничной между ядерной физикой, и физикой низких температур проблемой.
Нам остается сказать о том, сколь реальны надежды на экспериментальное обнаружение этого интереснейшего нового типа радиоактивного распада в обозримом будущем.
Можно ожидать существование свыше шестидесяти двупротонно-радиоактивных ядер, причем около половины их приходится на элементы с зарядом, большим, чем 50, следующие в таблице Менделеева за оловом. Энергия протонов, вылетающих из ядра, для таких элементов составит 2 - 3 Мэв - величину достаточно большую для того, чтобы их было удобно регистрировать с помощью схем совпадений, которые выделят случаи одновременного вылета пары протонов. К тому же у ядер с зарядом, большим 50, число нейтронов превышает число протонов, а это снимает опасность конкуренции со стороны достаточно быстрого бета-плюс-распада, который также характерен для легких нейтронодефицитных ядер.
Наиболее реальный путь получения двупротонно-радиоактивных ядер - реакции слияния при бомбардировке ядер тяжелыми, многозарядными ионами. Например, два ядра кальция-40, слившись, и испустив четыре нейтрона, могут дать ядро циркония-76, два ядра никеля-58 в ходе такого же процесса - ядро бария-112.
В ряде случаев могут оказаться удобными, и процессы множественного переноса нейтронов или испарения многих нейтронов при бомбардировке ядер ионами гелия-3 или даже просто протонами. Как, и при открытии протонной радиоактивности, менее сложным делом может оказаться обнаружение двупротонного распада ядер не из основного, а из изомерного, возбужденного состояния. Например, наиболее тяжелым двупротонно-радиоактивным изотопом теллура явится, по всей видимости, теллур-104, тогда, как наблюдение двупротонного распада из много частичного изомерного состояния со спином, равным 12, может быть, возможно уже для теллура-108 - ядра, полученного в основном состоянии еще в 1965 году.
Возможно, при испускании частиц из подобных изомерных состояний проявится совершенно неизвестный ранее тип радиоактивности - двунейтронный радиоактивный распад. Но это уже новая ветвь на вечно зеленом, и плодоносящем древе радиоактивности.
НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ ЗА РАБОТЫ, СВЯЗАННЫЕ С ИССЛЕДОВАНИЕМ ИЛИ ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИОАКТИВНОСТИ
ПРЕМИИ ПО ФИЗИКЕ
1903 - Анри Беккерель - за открытие спонтанной радиоактивности, Пьер, и Мария Кюри - за исследования явления радиоактивности, открытого А. Беккерелем.
1927 - Чарльз Вильсон - за создание метода визуализации греков заряженных частиц путем конденсации паров.
1935 - Джемс Чадвик - за открытие нейтрона.
1938 - Энрико Ферми - за демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образуемых нейтронным облучением, и за открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов.
1958 - Павел Черенков, Игорь Тамм, Илья Франк - за открытие, и истолкование эффекта Черенкова.
1961 - Рудольф Мессбауэр - за исследования резонансного поглощения гамма-излучения и открытие носящего его имя эффекта.
1963 - Мария Гепперт-Майер, и Фриц Йенсен - за их открытия в области ядерной оболочечной структуры.
ПРЕМИИ ПО ХИМИИ
1908 - Эрнест Резерфорд - за его исследования превращений элементов, и химии радиоактивных веществ.
1911 - Мария Кюри - за открытие радия, и полония, выделение радия и изучение его свойств, и его соединений.
1922 - Фредерик Содди - за его вклад в химию радиоактивных веществ и исследования происхождения, и природы изотопов.
1935 - Фредерик и Ирен Жолио-Кюри - за синтез новых (искусственно) радиоактивных элементов.
1944 - Георг де Хевеши - за работы с использованием изотопов, как меченых атомов при изучении химических процессов.
1945 - Отто Хан - за открытие деления тяжелых ядер.
1951 - Эдвин Макмиллан, и Гленн Сиборг - за открытия в области химии трансурановых элементов.
1960 - Уиллард «Либби - * за метод использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки.
ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
ЭНЕРГИЯ, СВЯЗИ НУКЛОНА
Если подсчитать число нуклонов (такое совместное обозначение применяется для протонов, и нейтронов), входящих в состав, какого-либо атомного ядра, а затем сложить их массы, то ока жется, что сумма несколько превосходит массу ядра.
Куда же делся остаток? Он превратился в энергию согласно известной формуле Е = тс2. В ядре нуклоны связаны ядерными силами энергия связи выделилась при слиянии нуклонов в ядро.
Разделив энергию связи на число нуклонов, мы получим среднюю энергию связи - свою для ядра каждого элемента. Средняя энергия характеризует прочность ядра.
Диаграмма показывает зависимость прочности ядер от их массового числа. Легко убедиться, что самыми прочными являются ядра, соответствующие середине периодической системы, расположенной в районе железа. Более легким ядрам энергетически выгодно сливаться воедино, более тяжелым - делиться или, скажем, испускать альфа-частицы. устремляясь таким путем к области наибольшей стабильности. Однако фактическая скорость таких выгодных процессов зачастую неизмеримо мала. Ведь для того, чтобы вылететь из ядра, положительно заряженной частице требуется преодолеть кулоновский барьер. В результате, хотя вблизи вершины кривой расположено всего несколько изотопов, известно более трехсот стабильных изотопов, не проявляющих ни малейших признаков радиоактивного распада.
УСТОЙЧИВОСТЬ АТОМНЫХ ЯДЕР
Каждая точка на диаграмме справа соответствует атомному ядру с определенным числом входящих в него протонов и нейтронов, Жирная полоса отвечает известным изотопам, встречающимся в природе или полученным искусственно. Скрещения линий выше, и ниже темной полосы и справа от нее означают нестабильные ядра.
Как видно, наибольшая устойчивость для легких ядер достигается тогда, когда они состоят из одинакового числа протонов, и нейтронов. Для более тяжелых ядер максимальная устойчивость достигается небольшим избытком нейтронов - сказывается кулоновское отталкивание положительно заряженных протонов.
Недостаток ней тронов в легких ядрах приводит к бета-плюс-распаду, электронному захвату, протонной, и двупротонной радиоактивности (первая характерна для ядер с нечетными зарядами, вторая - для ядер с четными). Для нейтронодефицитных ядер с зарядом, большим 70. более существенным становится альфа-распад. В области наиболее тяжелых ядер с альфа-распадом начинает конкурировать спонтанное деление, скорость которого при данном числе нейтронов чрезвычайно быстро возрастает с увеличением числа протонов. Как видно из диаграммы, граница, обусловленная спонтанным делением (жирная линия), прорезана узким перешейком - здесь оболочечная теория ядра допускает существование относительно стабильных сверхтяжелых ядер - например, с числом нейтронов, равным 184, и числом протонов, равным 114 или 126.
Что касается нейтроноизбыточных изотопов, то для них преобладает бета-минус-распад, а границы существования определяются постепенным уменьшением - вплоть до нуля - энергии связи нейтрона при возрастании числа нейтронов для данного числа протонов.
Учет всех возможных вариантов ядерной нестабильности при использовании различных формул для масс атомных ядер, и для скорости радиоактивного распада (в том числе, и скорости спонтанного деления) позволяет очертить границы изображенной на диаграмме области существования (в радиоактивных масштабах времени, то есть не менее 10 12 секунд) ядер. Очевидно, что в настоящее время мы знаем лишь около одной трети (!) всех возможных изотопов - уже одно это обстоятельство делает вполне законным интерес к продвижению в область сильного дефицита, и избытка числа нейтронов, к тщательному изучению свойств ядер, расположенных вдали от области стабильных изотопов.
ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ НЕЙТРОНЫ.
ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ ЯДЕРНЫХ СИЛ
Известны такие радиоактивные процессы, как испускание ядрами так называемых запаздывающих альфа-частиц, протонов, и нейтронов. Однако все эти процессы не являются элементарными актами радиоактивного распада происходят они в два приема и наблюдаемая их длительность связана с малой скоростью первого этапа - бета-распада, а не с задержкой последующей эмиссии самих альфа-частиц или нуклонов, происходящей столь же быстро, как, и распад компаунд-ядер.
Среди подобных двухступенчатых процессов наиболее широко в последние годы исследовалось открытое в 1962 году в Дубне В. А. Карнауховым с сотрудниками испускание запаздывающих протонов.
Возьмем для примера распад, в ходе которого ядро кальция-37 превращается в ядро аргона-36 с испусканием протона. Испусканию протона предшествует бета-плюс-распад выбрасывая позитрон и нейтрино, ядро кальция-37 превращается в ядро калия-37, находящееся в момент возникновения в возбужденном состоянии, а уже оно испускает протон, превращаясь в ядро арго на-36.
В нашей работе было предсказано, что при бета-плюс распаде многих излучателей запаздывающих протонов с наибольшей вероятностью должно образовываться такое возбужденное состояние дочернего ядра, которое характеризуется в точности тем же ядерным взаимодействием между нейтронами, и протонами, что и в исходном, материнском ядре.
Действительно, опыты показали, что, например, при распаде кальция-37 ядро калия-37 образуется преимущественно в том же (как говорят, в аналоговом) состоянии, что, и исходное ядро, несмотря на то, что в исходном ядре имеется 20 протонов и 17 нейтронов, а в ядре калия-37 - 19 протонов, и 18 нейтронов. Благодаря этому удается с высокой степенью точности проверить важное положение о независимости ядерных сил от электрического заряда - так называемое свойство изотопической инвариантности ядерных сил.
Большой круг детальных исследований механизма испускания запаздывающих протонов был выполнен в Монреале Робертом Беллом с сотрудниками
Недавно Э. Е Берлович и IO. Н. Новиков в Ленинграде предсказали возможность существования еще двух вариантов двухступенчатых запаздывающих процессов, первым актом которых является бета-распад испускание ядер гелия-3 (после бета-плюс-распада) или трития (после бета-минус-распада).
ОБОЛОЧЕЧНАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА
Планетарные изображения атомов стали традиционными. Глядя на внешнюю электронную оболочку атома, можно сразу определить характер этого элемента. Если там немного электронов - это металл, если оболочка близка к заполнению - неметалл, если оболочка заполнена целиком - это инертный газ, атомы которого отличаются наибольшей устойчивостью.
Устойчивость ядра также зависит от числа входящих в него протонов, и нейтронов. Систематическое изучение огромного количества изотопов показало, что ядра, содержащие 20, 50 и 82 протона или 20, 50. 82, и 126 нейтронов, оказываются особенно устойчивыми. Указанные числа получили название «магических чисел», а соответствующие ядра - «магических» ядер.
Магические ядра отличаются более высокой распространенностью; радиоактивные магические ядра обладают особенно большими периодами полураспада.
По аналогии с инертными газами была предпринята попытка объяснить существование магических ядер тем, что в них целиком заполняются определенные состояния протонов или нейтронов, так, что прибавление следующего нуклона отвечает началу заполнения новой нейтронной или протонной оболочки. В каждую оболочку включаются частицы, находящиеся в состояниях с одинаковыми (или близкими) энергиями, число частиц в различных оболочках различно.
Такова в общих чертах так называемая оболочечная модель ядра.
ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР
В органической химии известны соединения, называемые изомерами. Их молекулы состоят из одних, и тех же атомов, но по-разному расположенных по отношению друг к другу. Разная структура приводит к различию свойств молекул-изомеров.
Аналогичное явление наблюдается, и среди атомных ядер. В ядерной физике изомерами называются ядра данного элемента, содержащие одинаковое число протонов, и нейтронов, но обладающие различными радиоактивными свойствами.
Детальное изучение ядерной изомерии показало, что это явление связано с существованием у радиоактивных ядер возбужденных состояний с большим периодом полураспада. Именно такие состояния получили название изомерных.
С точки зрения модели ядерных оболочек при переходе нуклона с «обычного» места на другую оболочку ядро оказывается в возбужденном состоянии. В ядрах-изомерах один нейтрон или один протон обычно перемещен из своей «нормальной» оболочки в другую с существенно отличным характерным моментом количества движения,
КУЛОНОВСКИЙ БАРЬЕР
Чтобы приблизить к положительно заряженному ядру положительно заряженную частицу - например, протон. - нужно затратить некоторую энергию на преодоление кулоновских сил отталкивания. Чем меньше расстояние сближения, тем выше нужная для этого энергия. Определяя численно ее зависимость от расстояния, мы получим гиперболическую кривую, изображенную на рисунке (см. след, стр.)
Однако, если частица прикоснется к ядру (расстояние сближения составит при этом величину порядка 10 13 сантиметра), силы отталкивания резко сменятся силами притяжения. Теперь энергия требуется, и же для того, чтобы удалить частицу из ядра. На графике это значение энергии следует отложить уже не вверх, а вниз от оси абсцисс.
Энергия взаимодействия нуклонов в ядре (около 30 - 40 Мэв), вертикаль, соответствующая радиусу ядра, и гиперболическая кривая, полученная нами вначале, сложатся в характерную картину потенциальной ямы, ограниченной потенциальным барьером.
Над дном ямы на различных энергетических уровнях расположены нуклоны, входящие в ядро. Расстояние от, какого-либо уровня до верхушки барьера означает энергию, необходимую для того, чтобы удалить из ядра соответствующий нуклон.
Верхушка барьера обрисована пунктиром. Дело в том, что для слияния частицы с ядром достаточна энергия несколько меньшая, чем та, которую определяет пересечение гиперболы, и вертикали. Чтобы картина более соответствовала действительности, чересчур высокая и острая вершина потенциального барьера притуплена. округлена.
ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
Если энергия частицы превышает высоту потенциального барьера, частица беспрепятственно приблизится к ядру, и сольется с ним. Если же частица обладает энергией, не превышающей высоты барьера, то она, казалось бы, лишь приблизится к ядру на расстояние, определяемое гиперболической кривой, не ближе. Если же такая частица уже находится в ядре, то она не сможет выйти из него, не преодолеет барьер. Однако по законам квантовой механики барьер преодолим и при таких «подбарьерных» энергиях посредством так называемого туннельного перехода. Вероятность туннельного проникновения чрезвычайно сильно возрастает по мере приближения энергии частицы к вершине барьера-то есть по мере того, как укорачивается «туннель», и уменьшается высота «горы» над ним.
ВАРИАНТЫ ДВУПРОТОННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ
Мыслимы два основных варианта двупротонной радиоактивности.
Для легких двупротонно-радиоактивных ядер с зарядом. меньшим 50 (то есть вплоть до олова), испускание одиночного протона попросту запрещено законом сохранения энергии энергия связи «четного» протона в таком ядре положительна, удаление его из ядра требует энергетических затрат. Испускание одиночного протона означало бы, что ядро самопроизвольно перешло на более высокий энергетический уровень.
Для тяжелых ядер, с зарядом большим 50, энергетически возможны, и вылет пары протонов сразу, и последовательное их испускание. Но вылет пары энергетически более выгоден
(протоны не нужно отделять друг от друга - выигрывается энергия спаривания) и, следовательно, значительно более вероятен.
ПРИЕМЫ «ЯДЕРНОЙ ХИРУРГИИ»
Выкипание нейтронов, про которое говорилось в главе о поисках протонной радиоактивности, можно проиллюстрировать реакциями получения трансплутониевых элементов на ускорителях тяжелых ионов. Возьмем для примера синтез 102-го элемента, осуществленный в Дубне в 1963 году ускоренное ядро неона-22 сливалось с ядром урана-238; слившись, они испускали четыре нейтрона - в результате получалось ядро 102-го элемента с атомным весом 256
Пусть теперь целью поиска является протонно-радиоактивное ядро кобальта - по формуле масс атомных ядер это должен быть кобальт-49. Чтобы получить такое ядро в реакции переноса, надо отобрать у стабильного изотопа кобальта (кобальт-59) целых десять нейтронов, а это фактически неосуществимо. Что же касается реакций слияния, то здесь образование кобальта-49 возможно, например, при бомбардировке кальция-40 ядрами азота-14 с испарением пяти нейтронов.
Беда, однако, в том, что в отличие от упомянутого примера со 102-м элементом для относительно легких ядер типа кобальта кулоновский барьер уже не служит особенно серьезной преградой для протонов, и потому не обеспечивает надежного отбора, позволяющего выпустить из ядра только нейтроны, но не, какие-либо заряженные частицы.
Поэтому вероятность получения ядра кобальта-49, которое должно быть протонно-радиоактивным, составляет, видимо, не более 10-9 от образования других продуктов бомбардировки кальция азотом, а, значит, обнаружить это ядро дело очень грудное.
На помощь приходит, однако, ядерная изомерия. Ядра - продукты радиоактивного распада или разных ядерных реакций могли находиться не только в основном, но, и в долгоживущем возбужденном (изомерном) состоянии, когда, какой-либо нуклон располагается не на своем обычном месте, а в другой ядерной оболочке.
Существуют так называемые многочастичные изомеры, в которых сразу несколько нуклонов сидят «не на месте». Вероятность перехода многочастичных изомеров в основное состояние путем излучения гамма-кванта весьма мала, и преобладающим процессом, в котором «снимается» энергия возбуждения, является вылет частиц И если даже ядро в своем основном состоянии вполне устойчиво к испусканию протона, изомер может быть протонно-радиоактивным, разумеется, если его энергия возбуждения превышает энергию связи протона. При этом, естественно, испускание протонов из возбужденного состояния не требует столь же сильного дефицита нейтронов, как «обычная» протонная радиоактивность в основном состоянии, и может наблюдаться у ядер с большими массовыми числами.
В нашем примере (кобальт) протонная радиоактивность из изомерного возбужденного состояния вместо изотопа с массовым числом 49 появляется уже для кобальта-53. Протонный распад этого изомера наблюдался в 197и году в Беркли (США) Джозефом Черны с сотрудниками, причем образование протонно-радиоактивных ядер кобальта-53 происходило при облучении кальция ионами кислорода, и железа протонами.
