Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Превращение свободного протона в нейтрон обычно в природе не наблюдается, поскольку масса протона меньше массы нейтрона, и не обеспечивает такого превращения. Но, находясь внутри ядра, протон может превратиться в нейтрон. Такое превращение наблюдается в ядрах некоторых искусственно радиоактивных веществ, получаемых путем бомбардировки разных нерадиоактивных материалов быстрыми частицами. В ядрах атомов этих веществ слишком мало нейтронов, а протонов имеется в избытке. В этом случае один из протонов ядра, получивший добавочную массу и энергию за счет бомбардирующих частиц, может превратиться в нейтрон, испуская положительный электрон ( позитрон) и нейтрино.

Возможен и второй путь превращения протона в нейтрон. Протон может захватить один из электронов атома, вращающихся вокруг ядра, и стать в результате этого нейтроном. Чаще всего происходит захват электрона из ближайшего к ядру слоя K электронной оболочки. Вследствие этого такой процесс получил название Л-захвата. Представление о том, что электроны и протоны рождаются в ядре в результате превращения протонов и нейтронов друг в друга, было выдвинуто и обосновано Д. Д. Иваненко.

Ядра атомов какого-либо элемента при строго определенном числе протонов, равном атомному номеру элемента, могут иметь различное число нейтронов и, следовательно, различный вес. Атомы данного элемента, имеющие разный вес вследствие различия в числе нейтронов, называются изотопамиэтого элемента. Само слово «изотоп» происходит от греческого: «изос»— равный и «топос»— место. Следовательно, буквально изотопы — это атомы, занимающие в периодической системе Менделеева одинаковое место.

В настоящее время известны изотопы у всех химических элементов. Многие элементы имеют по нескольку изотопов.

Так, например, у водорода известны три изотопа. Обычный легкий водород — протий — 1Н 1, ядра его — протоны. В 1932 г. был обнаружен второй изотоп водорода — тяжелый водород ( дейтерий— 1D 2), который присутствует в природном водороде в количестве около 0,02%. Ядро тяжелого водорода, называемое дейтероном, имеет один протон и один нейтрон. Вода, молекулы которой построены по известной формуле химии из атомов тяжелого водорода и обычного кислорода, называется тяжелой водой. Тяжелая вода присутствует в природной воде в малом количестве. По своим физическим свойствам она несколько отлична от обыкновенной воды: замерзает тяжелая вода при +3,8° Ц, кипит при +101,4°.

Третий изотоп водорода — сверхтяжелый водород, или тритий( 1Т 3). Ядра его — тритоны— построены из одного протона и двух нейтронов. Тритоны радиоактивны и распадаются, испуская бета-частицу (электрон). Строение атомов изотопов водорода показано на рис. 18.

Большое значение в ядерной физике имеют изотопы урана, различающиеся тремя нейтронами: уран 235, в ядрах которого по 92 протона и 143 нейтрона, и уран 238, в ядрах которого по 92 протона и 146 нейтронов. Физические свойства этих изотопов урана несколько различны в силу различия в числе нейтронов.

Большинство известных в настоящее время изотопов получается искусственным путем по методу «ядерной» артиллерии.

Все протоны и нейтроны в атомном ядре удерживаются друг около друга особыми ядерными силами притяжения. Эти силы имеют сложную природу, которая к настоящему времени изучена еще недостаточно. Ясно только, что ядерные силы не похожи на силы всемирного тяготения и на электрические силы и уменьшаются с увеличением расстояния между взаимодействующими нуклонами значительно быстрее и тех и других. Ядерные силы действуют лишь в самом ядре, имея там огромную величину, и в непосредственной близости от него. С увеличением расстояния между частицами ядра (нуклонами) ядерные силы настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10 -13 см .

В этом отношении ядерные силы напоминают собой силы молекулярного сцепления в капле жидкости, которые удерживают молекулы жидкости друг около друга и стремятся придать капле сферическую форму как наиболее устойчивую.

Учитывая характер изменения ядерных сил с расстоянием и ряд других фактов, относящихся к ядру, Я. И. Френкель в СССР и Дж. Уилер за рубежом предложили «капельную» модель ядра. Согласно этой модели атомное ядро подобно положительно заряженной капле жидкости очень большой плотности и построено из нуклонов (протонов и нейтронов) наподобие того, как капля жидкости построена из молекул.