Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

class="p">Почему α-частицы вылетают из ядра? Потому, что радиоактивные ядра нестабильны по своей природе, они, как и люди, уже в момент своего рождения обречены на смерть.

Чем объясняется моноэнергетичность вылетающих α-частиц? α-частица в ядре имеет строго определенную квантованную энергию, с которой она и движется, покинув ядро.

От чего зависит период полураспада ядер? Он определяется, в основном, энергией α-частиц: чем больше эта энергия, тем уже барьер, который ей необходимо преодолеть, тем больше вероятность просочиться сквозь него и тем меньше время жизни радиоактивного ядра. Зависимость эта очень сильная: при изменении энергии α-частиц всего в полтора раза их период полураспада изменяется в миллиарды раз (для урана-238 En=4,2 МэВ, T1/2=4,5·109 лет, для радия-226 En=4,8 МэВ, Τ1/2=1,6·103 лет, для радона-222 (эманация радия) En=5,5 МэВ, Т1/2 = 3,8 дня, для полония-218 Еп=6,0 МэВ, Τ1/2=3 мин, а для полония-214 Еп=7,7 МэВ, Т1/2=1,6·10-4 с). Зависимость между периодом полураспада ядер и энергией испускаемых α-частиц, известная как закон Гейгера — Нэттола, была обнаружена еще в 1909 г., но лишь 20 лет спустя получила удовлетворительное объяснение.

Чем определяется время и место распада радиоактивных ядер? Законами случая. Ядро — это микрообъект, подчиняющийся законам квантовой механики, поэтому при его описании понятие вероятности является основным. Можно достоверно предсказать среднее время жизни ядра и сколько в среднем ядер из большого их числа распадется в секунду. Но момент распада каждого отдельного ядра предсказать нельзя. Это — некорректно поставленный вопрос. Среднее время жизни ядра радия-226 τ = 2300 лет, но это совсем не означает, что ядро радия, которое только что образовалось при распаде тория-230, проживет именно столько: с равной вероятностью оно может распасться и в следующую секунду, и через миллион лет. Радиоактивные ядра можно уподобить людям, больным неизлечимой болезнью: рано или поздно они умирают. Однако в отличие от людей, смертность которых с возрастом увеличивается, радиоактивные ядра не стареют: вероятность их распада не зависит от времени, которое они «прожили» к моменту распада.

На эту особенность радиоактивных явлений обратил внимание еще в 1905 г. австрийский физик Эгон Швейдлер (1873—1948). По существу, это было первое свидетельство о квантовом характере внутриядерных процессов, хотя глубокий смысл наблюдения Швейдлера стал ясным только четверть века спустя.

Оглядываясь назад, трудно удержаться от мысли, что α-распад — значительно более простое явление, чем извержение вулкана, и лишь предрассудок о заведомой трудности и непонятности квантовой механики мешает признать это сразу. В самом деле, никому еще не удалось предвидеть, когда проснется вулкан и сколько камней он при этом выбросит. А свойства α-распада мы можем предсказать вполне надежно.

Объяснение радиоактивности, столь просто и естественно следующее из основных представлений квантовой механики, произвело на современников исключительное впечатление. Снежный ком противоречивых гипотез и безнадежных вопросов, скопившихся за 30 лет вокруг явления радиоактивности, неожиданно распался. Резерфорд и Мария Кюри дожили до этого времени и могли видеть, как новое знание осветило путь, впервые пройденный ими ощупью, и объяснило смысл их гигантской работы, проделанной много лет назад со страстью и энтузиазмом юности.

С работы Гамова, Гёрни и Кондона берет начало современная ядерная физика. Именно они заставили поверить, что квантовая механика — это не узкоспециальная наука о строении

атомов и молекул (вначале ее так и называли: атомная механика), а наука о всех явлениях атомной и ядерной физики. (По прихоти судьбы Эдвард Кондон родился в том самом году, когда Резерфорд и Содди впервые поняли природу радиоактивности, в местечке Аламогордо на краю той самой пустыни, где 43 года спустя взметнется пламя первого атомного взрыва.)

ЭФФЕКТИВНЫЕ СЕЧЕНИЯ РЕАКЦИИ

Мы хорошо представляем теперь, как α-частицы вылетают из радиоактивного ядра. Сталкиваясь с ядрами других элементов, они могут вызвать ядерную реакцию, то есть проникнуть внутрь ядра. Квантовая механика позволяет вычислить вероятность и таких процессов. Например, она может объяснить, почему только одна α-частица из 300 000 вызывает знаменитую реакцию Резерфорда

α + 14Ν →17O + p.

Чтобы привыкнуть к терминам, которые при этом используются, полезно на время освободиться от гипноза слова «квантовый» и рассмотреть более простой процесс. Представьте себе увеличенную модель кристалла, подобную изображенной на рисунке (в каждой школе такая наверняка найдется). Пусть в каждом кубическом сантиметре такого «кристалла» содержится n0 «ядер» с радиусом r0, длина «кристалла» равна l, площадь его торца — S, и мы в этот торец стреляем из дробовика, причем скорость дробинок равна υ. Площадь поперечного сечения одного «ядра» σ0 = πr02, а площадь сечения всех «ядер» в объеме «кристалла» равна σ0n0Sl, то есть произведению σ0 на общее число ядер n0Sl в объеме кристалла Sl. Пролетая через кристалл, дробинка попадет в любое из ядер с вероятностью

которая равна отношению суммарной площади σ0n0Sl геометрического сечения всех «ядер» в объеме «кристалла» к площади S его торца. Вероятность попадания в единицу времени после этого легко вычислить, поделив полученную величину на время t = l/υ пролета дробинок через кристалл, то есть

вероятность попадания в единицу времени = w = σ0υn0.

Таким образом: если каждую секунду со скоростью υ (см/с) через площадь в 1 см2 пролетает одна дробинка, то с вероятностью w=σ0υn0 она попадет в одно из «ядер».

Эта очень важная формула справедлива и в квантовой механике, только под σ0 там надо понимать не геометрическое сечение ядра σ0=πr02, а некоторое другое, «эффективное сечение», которое может быть как меньше, так и больше геометрического,— в зависимости от вида реакции, которую мы изучаем. Например, если мы интересуемся только теми столкновениями дробинок с «ядрами», при которых последние раскалываются, то ясно, что число таких столкновений всегда меньше, чем число простых попадании.

Это уменьшение можно учесть с помощью некоторого коэффициента после чего прежняя формула примет вид

w=wfσ0υn0=συn0.

Величину σ=wfσ0 называют эффективным сечением реакции. При желании его можно представить себе наглядно, как некую «работающую» часть геометрического сечения ядер. Полезнее, однако, помнить его истинный физический смысл: эффективное сечение или просто сечение — это мера вероятности ядерной реакции, которую оно характеризует.

В ядерной физике сечения принято измерять в специальных единицах барнах:

1барн =1б=10-24 см2.

Барн — это английское слово «barn», то есть «амбар». Очевидная несообразность этого