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

Далее нам необходимо совершить небольшой экскурс в государство физики, а точнее — в одну из ее провинций под названием «ядерная физика» и в ее индустриальный анклав «реакторостроение». Мы вынуждены это сделать, в противном случае читателю будет непонятен ход дальнейших рассуждений и как следствие логика цепи событий, которые затем будут происходить. Что касается физиков, то им мы советуем пропустить несколько следующих абзацев.

Итак, как правило, все хорошо помнят со школьной скамьи, что химические элементы состоят из протонов (количество которых в ядре и определяет местоположение данного атома в таблице Менделеева) и нейтронов. Нейтрон по массе близок к протону, но в отличие от него не обладает электрическим зарядом, чем и определяется его название. Известно только одно ядро, в состав которого не входят нейтроны, — это ядро водорода, простейшего химического элемента. Во все остальные ядра нейтроны входят в качестве необходимого условия устойчивости ядра. Так, например, невозможно существование ядра, состоящего из двух протонов. Но если в состав ядра входят два протона и один нейтрон, то такое ядро устойчиво и называется гелием-3. Если мы в ядро гелия-3 добавим еще один нейтрон, то это по-прежнему будет гелий (так как не изменилось число протонов, а мы уже говорили, что именно от количества протонов зависит название химического элемента), но в нем будет уже четыре частицы (два протона плюс два нейтрона), и называется он гелием-4. Точнее говоря, это ядро гелия-4, но если добавить к ядру два электрона, то получится атом гелия-4. Если добавить два электрона к ядру гелия-3, то получится атом гелия-3. И тот и другой атомы существуют в природе, и с точки зрения химии они почти эквивалентны. Это и понятно, поскольку химия определяется количеством электронов у данного атома, а их в обоих гелиях ровно два. Таким образом, возникает парадокс: с точки зрения ядерной физики мы имеем совершенно различные объекты, которые очень сильно отличаются по своим ядерным свойствам, но с точки зрения химии они практически одинаковы. Так часто бывает в семьях: дети носят одну фамилию, но совершенно различны по характеру. Но в физике они называются не братьями или сестрами, а изотопами. Если продолжить аналогию, то следует отметить, что достаточно часто встречаются семьи, где всего один ребенок, и в физике такой атом называется моноизотопом (например, золото-197). А самая многодетная семья у олова — в нее входит одиннадцать родственников.

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.