События и люди. Издание пятое, исправленное и дополненное. - Анри Рухадзе

На этом наша простая аналогия почти заканчивается. Но, прежде чем перейти к дальнейшему изложению, надо уяснить еще один момент, который нам будет очень важен в дальнейшем. Дело в том, что в самом ядре взаимоотношения между протонами и нейтронами крайне непросты, что, впрочем, и в семейной жизни не редкость. Так, в семействе урана самым устойчивым является изотоп с массовым числом 238, и как следствие его содержание в природном уране составляет 99,27 %. Следующий по своей устойчивости изотоп с массовым числом 235, его содержание в природной смеси около 0,72 %. А самым нестабильным изотопом, входящим в состав природного урана, является уран-234 — его всего 0,006 %. Изотопы урана 236, 237, 239 совсем нестабильны и, если и образуются, то распадаются за столь короткие времена, что в сравнении с временами жизни других представителей этого семейства о них и говорить не приходится.

Из приведенного примера видно, что для 92 протонов (именно эта цифра характеризует семейство урана) предпочтительнее иметь в качестве соседей 146 нейтронов (146 + 92 = 238, уран-238), менее предпочтительно 143 нейтрона (143 + 92 = 235, уран-235), на крайний случай 142 (уран-234), соседство же со 144, 145, или 147 нейтронами в силу причин, которые мы не будем здесь обсуждать, практически невозможно.

Таким образом, получается, что в семье урана могут устойчиво существовать ядра только с определенным количеством нейтронов. Или, говоря более физическим языком, имеющие определенные нейтронно-протонные соотношения. Такое соотношение для урана 238 равно 146 нейтронов: 92 протона «1,587. Запомним это число. Теперь вычислим, каково то же отношение для химических элементов в середине таблицы Менделеева. Возьмем хотя бы серебро. У семейства изотопов этого элемента 47 протонов, и они могут образовывать стабильное ядро либо с 60 (серебро-107), либо с 62 нейтронами (серебро-109). Если вычислить нейтронно-протонное соотношение для одного из ядер серебра, то увидим, что оно равно «1,32. Сравнив эту величину с предыдущей, мы видим, что в различных частях таблицы Менделеева соотношения между протонами и нейтронами для стабильных ядер различно. Если бы нам, к примеру, удалось разделить ядро урана-238 ровно на две части, что подразумевает деление и протонов, и нейтронов, то мы получили бы два ядра палладия-119, у которого 46 протонов и 73 нейтрона. Но такое ядро было бы, как говорят физики, нейтронно-избыточным. Действительно, максимальное количество нейтронов, которое может иметь стабильное ядро палладия, равно 64 (палладий-110), а все ядра с большим числом нейтронов, т. е. нейтронно-избыточные, будут категорически неустойчивыми. Таким образом, наше «мысленное» ядро палладия-119 было бы весьма озабочено тем, как ему приблизиться к тому нейтрон-протонному соотношению, которое было бы приемлемым для столь приличной и уважаемой всеми семьи, как семейство палладия. Сейчас мы на время оставим ядро палладия в столь пикантном для него положении, как нейтронная избыточность, для того чтобы понять, какие физические механизмы имеются в его распоряжении, с тем чтобы стать полноправным членом клуба стабильных изотопов таблицы Менделеева.

Как мы уже говорили выше, нейтрон и протон близки по массе, но нейтрон все-таки немного тяжелее (примерно на 2,5 массы электрона), и это обстоятельство дает ему принципиальную возможность превратиться в протон плюс электрон с испусканием еще одной очень легкой частицы, которая называется антинейтрино. Если нейтрон, находясь в ядре, распадается, то электрон (который в этом случае называется β-частицей) и антинейтрино вылетают за пределы ядра, а протон остается в ядре. При этом, как несложно понять, заряд ядра увеличивается на единицу и тем самым ядро передвигается вверх по таблице Менделеева («меняет фамилию»). Этот процесс называется β-распадом. Испытав последовательно несколько β-распадов, ядро перемещается на столько же клеточек вверх по таблице Менделеева. Можно спросить, а зачем ему это надо? Ответ достаточно очевиден. Как мы с вами уже видели, для стабильных ядер оптимальное нейтронно-протонное соотношение увеличивается с возрастанием номера химического элемента (а значит, и количества протонов в ядре), достигая максимума на уране. Таким образом, испытывая β-распад, нейтронно-избыточное ядро всегда стремится улучшить (с точки зрения стабильности) свое нейтронно-протонное соотношение.

Однако не следует думать, что у конкретного нейтронно-избыточного осколка имеется единственный путь улучшения своего нейтронно-протонного отношения. В ядерной физике все процессы носят вероятностный характер. Это означает, что, с одной стороны, ядра урана будут образовывать различные осколки деления, а с другой — что нейтронно-избыточный осколок в свою очередь может улучшать свое нейтронно-протонное соотношение различными путями. Вероятности всех возможностей могут быть вычислены теоретически и находятся в удовлетворительном согласии с экспериментом. Сказанное может быть проиллюстрировано следующей простой аналогией.

Предположим, что вы, катаясь на горных лыжах где-нибудь в районе Шамони или Аварьяза, поднялись по канатной дороге на вершину. Как обычно, у вас есть ряд возможностей для спуска по различным трассам. Но, начав спуск в соответствии с вашим желанием, вы уже выбрали ту долину, в которую будете спускаться. Точно так же поступает ядро, только оно согласует свой выбор не с личным желанием, а со строгими вероятностными законами. Однако некоторые из возможных каналов β-распада приводят к тому, что последовательный β-распад становится весьма затруднительным по причинам, которые мы, из-за их сложности, здесь обсуждать не будем. В нашей аналогии это эквивалентно тому, что на вашем пути оказались скалы или участок без снега. Что же в таких обстоятельствах делать нейтронно-избыточному ядру, каким образом ему избавиться от своего избытка нейтронов? Выход простой: можно излучить нейтрон (в горнолыжном случае — перебраться через препятствие, спустившись немного с помощью промежуточной канатной дороги), после чего продолжить цепочку β-распадов (то есть спуск на лыжах). Такие нейтроны называются «запаздывающими». Но запаздывающие по отношению к чему? Конечно же, к моменту первоначального деления ядра урана. Когда уран-235 поглощает медленный нейтрон, он на миг превращается в уран-236, который тотчас разваливается на два осколка. Этот процесс называется вынужденным делением и сопровождается испусканием 2,4 нейтрона. (Не будем забывать, что один нейтрон мы потратили на деление). Конечно, не надо думать, что испускается дробная часть нейтрона. Просто в одних актах деления испускается два, а в других три нейтрона, и в зависимости от этого, конечно, образуются различные осколки деления.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});