Открытия в исследованиях радиоактивности (типы деления атомных ядер)

Открытие радиоактивности, сделанное А. Беккерелем на рубеже прошлого и нашего века, и становление новой области науки, связанной с изучением этого явления, представляет собой яркий пример резкого революционного скачка уровня знаний об окружающем нас материальном мире. Мы продолжаем узнавать все новые явления и закономерности радиоактивного распада атомных ядер. В наши дни открываются новые виды радиоактивности, и каждое такое открытие оказывает существенное воздействие на ядерную физику.

Пока еще нет общепринятого строгого определения радиоактивности. Специалисты-физики обычно подразумевают под этим понятием любое превращение атомных ядер, связанное с изменением их заряда или массы, которое происходит самопроизвольно, за счет особенностей внутреннего строения ядра.

"Приняв такое определение, - рассказывает академик Г. Н. Флеров, - можно схематично представить развитие учения о радиоактивности за 75 лет. Советская школа радиоактивности, сделавшая значительный вклад в эту область физики, впервые заявила о себе в конце 20-х - начале 30-х гг. Ее направление и традиции были окончательно сформированы крупнейшим ученым нашей страны И. В. Курчатовым".

Ныне ядерной физике известны несколько типов деления атомных ядер. В 1938 г. немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман, облучая уран нейтронами, обнаружили, что возбужденное ядро урана разваливается на две примерно равные части. Так был установлен первый тип деления атомных ядер - вынужденное деление. Советские физики открыли еще три типа деления атомных ядер: в 1940 г. - спонтанный, в 1961 г. - изомерный, а в 1971 г. - запаздывающий,

Спонтанное деление ядер урана

В 1940 г. в лаборатории И. В. Курчатова молодыми физиками К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым был открыт новый, очень своеобразный вид радиоактивного распада атомных ядер - спонтанное деление. При всех прочих превращениях атомное ядро испускает частицы, которые существенно меньше его по массе и размерам. При спонтанном делении ядро атома делится, грубо говоря, на две равные части. Эта особенность спонтанного деления позволяет получить совершенно новую и очень ценную информацию об атомном ядре.

В течение трех десятилетий спонтанное деление широко изучалось крупнейшими физиками мира. Большой вклад в исследование этого явления внесли советские физики, в особенности авторы открытия. К настоящему времени изучены многие детали, экспериментально установлены и теоретически обоснованы важные закономерности спонтанного деления.

Было доказано, что атомное ядро делится спонтанно потому, что, начиная с некоторой массы, электрические силы расталкивания протонов превосходят специфические ядерные силы, обеспечивающие ту связь, которая заставляет свободные нуклоны сливаться и образовывать атомное ядро. Нестабильность относительно деления возникает с ростом массы не вдруг, а постепенно. В очень слабой степени она проявляется на опыте только для самого тяжелого природного элемента - урана.

За время существования Земли (около 5 млрд. лет) спонтанное деление испытала только одф двухмиллионная часть ядер урана. По мере продвижения в область искусственных трансурановых элементов спонтанное деление играет все более существенную роль. Самые тяжелые из известных элементов - курчатовий-104 и нильс-борий-105, о которых еще будет рассказано, были открыты в Объединенном институте ядерных исследований путем регистрации их спонтанного деления. Изотопы этих элементов живут всего несколько секунд или долей секунды. Более тяжелые элементы из-за спонтанного деления будут распадаться еще быстрее.

Благодаря разработке совершенных методов регистрации спонтанного деления (в частности, с помощью твердотельных трековых детекторов) оно находит широкое практическое применение - в геологии, геофизике, геохимии, сельском хозяйстве, археологии и т. д. В данном случае важнейшее значение имеет возможность определения возраста различных объектов по накопленному эффекту спонтанного деления. Этот эффект обычно проявляется в виде следов осколков деления, которые могут сохраняться во многих объектах исследования сотни миллионов лет. По эффекту спонтанного деления определяется возраст лунных образцов, метеоритов, костей ископаемых животных, древней керамики и т. д.

Открытие спонтанного деления ядер урана и трансурановых элементов позволило определить количество и изотопный состав некоторых других элементов. Изучая таким путем, например, благородные газы, можно понять многое в истории образования Солнечной системы, в происхождении земной атмосферы, подземных газовых источников и т. д. Значительную роль в общем нейтронном фоне Земли играют нейтроны, испускаемые при спонтанном делении урана. Изучая плотность этого нейтронного потока, ученые делают выводы о распределении урана в земной коре.

Открытие Г. Н. Флерова и К. А. Петржака внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 33 с приоритетом от 14 июня 1940 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально обнаружено спонтанное - без возбуждения какими-либо частицами - деление ядра естественного урана на две части. Это новый вид радиоактивности, при котором первоначальное ядро превращается в два ядра, разлетающиеся с кинетической энергией около 160 МэВ".

Спонтанное деление атомных ядер из возбужденного состояния (спонтанно делящиеся изомеры)

Важной вехой, позволившей существенно углубить понимание процессов спонтанного деления, явилось открытие физиками Объединенного института ядерных исследований академиком Г. Н. Флеровым, кандидатом физико-математических наук С. П. Поликановым и научными сотрудниками В. Л. Михеевым, В. П. Перелыгиным, А. А. Плеве и В. А. Фомичевым спонтанного деления изомеров.

В 1961 г. авторы открытия пытались синтезировать сто четвертый элемент таблицы Д. И. Менделеева, облучая изотоп плутония, имеющего массу в 242 атомные единицы, пучком ионов неона. Они хотели зарегистрировать спонтанное деление нового элемента. Ожидалось, что период его полураспада составит около 0,01 с. Такой спонтанно делящийся излучитель был обнаружен. Однако скоро выяснилось, что это не изотоп нового элемента, а изомер известного элемента америция, вероятность спонтанного деления которого примерно в 1023 раз больше, чем вероятность спонтанного деления изотопа в основном состоянии.

Спонтанно делящиеся изомеры исследуются во многих лабораториях мира. Они дают ученым богатую пищу для теоретических обобщений. В настоящее время известно около 40 таких изомеров с периодами полураспада от нескольких миллиардных долей секунды (наносекунд) до миллисекунд. Особенность состояний этих изомеров, привлекшая к ним пристальное внимание ученых, заключается в том, что они оказались неожиданно стабильными относительно всех других видов распада.

Обычное изомерное состояние ядер сильно отличается от основного по квантовомеханнческому признаку - угловому моменту, но близко ему по энергии. Со спонтанно делящимися изомерами дело обстоит сложнее. У некоторых ядер в этом состоянии энергия значительно больше, чем в основном, а угловой момент близок к угловому моменту в основном состоянии.

Рассматривая проблему в общем, физики приходят к заключению, что, находясь в изомерном состоянии, ядро имеет необычно большую деформацию, которая существенно облегчает его деление. Многообещающей с точки зрения интерпретации спонтанно делящихся изомеров является модель "двугорбого барьера" деления, предложенная в 1967 г. В. М. Струтинским. Теоретические построения, лежащие в основе этой модели, приводят, в частности, к предсказанию относительной стабильности элементов с порядковыми номерами 110-126.

Описанное открытие зарегистрировано под № 52 с приоритетом от 24 января 1962 г. в такой формулировке:

"Экспериментально обнаружено явление спонтанного деления атомных ядер, находящихся в нестабильном состоянии, характеризующееся уменьшением периода спонтанного деления на много порядков по сравнению с периодом полураспада для основного состояния этих ядер".

Явление запаздывающего деления атомных ядер

Академик Г. Н. Флеров, кандидат технических наук В. И. Кузнецов и кандидат физико-математических наук Н. К. Скобелев (Объединенный институт ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление запаздывающего деления атомных ядер - четвертый тип деления. Во время экспериментов в 1966-1971 гг. в лаборатории ядерных реакций впервые такое деление наблюдалось при облучении мишени из тория-230 (порядковый номер 90) ионами бора-10 (порядковый номер 5). Были получены легкие изотопы америция (порядковый номер 95) - америций-232 и америций-234. Радиоактивный распад сопровождался делением ядер с периодом полураспада, составлявшим минуты.

В отличие от вынужденного деления, основанного на захвате ядром нейтрона, запаздывающее деление основано на захвате электрона из собственного атома. Анализ экспериментов показал, что запаздывающее деление должно наблюдаться в широкой области тяжелых атомных ядер. Это позволяет надеяться, что открытие поможет в работе по получению новых изотопов тяжелых элементов.

Следует отметить, что сотрудниками лаборатории ядерных реакций при проведении экспериментов по синтезу сто шестого элемента был получен новый излучатель осколков запаздывающего деления. В настоящее время известны уже семь изотопов, являющихся предшественниками запаздывающего деления. Открытое явление дополняет известные ранее процессы, связанные с бета-распадом: испускание запаздывающих альфа-частиц, нейтронов и протонов.

Изучение запаздывающего деления обещает дать важную информацию о величине потенциальных барьеров деления ядер, а также о характеристиках возбужденных состояний ядра при энергиях возбуждения, близких к барьеру деления. Запаздывающее деление дает возможность объяснить малую распространенность в Солнечной системе тяжелых ядер, обогащенных или обедненных нейтронами.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 160 с приоритетом от 12 июля 1971 г. Оно сформулировано так:

"Установлено неизвестное ранее явление запаздывающего деления атомных ядер, заключающееся в том, что деление атомных ядер, образующихся после β-распада, происходит при энергиях возбуждения, превышающих потенциальный барьер деления".

Протонный распад радиоактивных ядер

Предположение о возможности эмиссии (излучения) протона в радиоактивном распаде возникло еще в 1915 г. в лаборатории Э. Резерфорда. Однако ни в то время, ни значительно позже, когда в арсенале физиков появились ускорители заряженных частиц, протонный распад никем не наблюдался. Это объясняется трудностью получения ядер, испытывающих этот вид радиоактивного распада.

В 1962 г. группа физиков, в которую вошли кандидаты физико-математических наук В. А. Карнаухов и Г. М. Тер-Акопьян, кандидат технических наук В. Г. Субботин и научный сотрудник Л. А. Петров, работая на ускорителе тяжелых ионов Объединенного института ядерных исследований, открыла ранее неизвестное явление - протонный распад - эмиссию запаздывающих протонов. Новая разновидность искусственной радиоактивности была обнаружена путем тонкого анализа свойств радиоактивных продуктов, получающихся при облучении никеля пучком ядер неона.

Испускание запаздывающих протонов - двухступенчатый процесс. На первом этапе этого процесса протонно-избыточное ядро испытывает бета-плюс - распад. Образовавшееся дочернее ядро оказывается возбужденным и распадается, испуская протон. Сейчас открыто более 20 излучателей запаздывающих протонов, в результате чего стало ясно, что протонный распад - весьма распространенное свойство ядер, близких к границе существования.

Советские исследователи предложили оригинальные пути интерпретации результатов собственных опытов. Они получили ценные сведения о массах новых атомных ядер, следовательно, и о положении границы их существования, сведения о структуре их возбужденных состояний, создали условия для более углубленного изучения бета-распада.

Помимо эмиссии запаздывающих протонов существуют еще две разновидности протонного распада: распад из основного состояния и протонный распад изомеров. В 1970 г. в Беркли (США) И. Черны и другие ученые обнаружили первый протонно-активный изомер изотопа кобальта с массой в 53 атомные единицы. Изучение таких изомеров, очевидно, даст ценную спектроскопическую информацию об атомных ядрах.

Весьма важной является задача получения ядер, испытывающих протонный распад из основного состояния. Они интересны уже тем, что расположены еще ближе к границе существования, чем излучатели запаздывающих протонов. Однако это обстоятельство значительно затрудняет их синтез. В 1971 г. группа физиков Дубны ^закончила большой цикл исследований, в результате которых были получены обнадеживающие данные, свидетельствующие о возможном наблюдении протонного распада из основного состояния одного из изотопов празио-дима или латана.

Открытие явления протонного распада радиоактивных ядер зарегистрировано под № 35 с приоритетом от 12 июля 1962 г.