Ядерные реакции.

Когда окончилась идиотская первая мировая война, ученые оставшиеся в живых, стали возвращаться к своим исследованиям, и в 1919 году Эрнест Резерфорд впервые на Земле осуществил искусственное превращение элементов.

Спонтанное превращение элементов люди уже имели возможность наблюдать в процессах радиоактивного распада, но лишь наблюдать. (Напоминаю, что распад элементов – это не отщепление от куска вещества маленького кусочка – в этом случае элемент не изменится, его просто станет меньшее количество. Распад – это превращение одного элемента в другой за счет того, что в ядре изменяется количество протонов).

Никакие влияния, ничто не могло нарушить или хоть немного изменить радиоактивные процессы. Словно невидимая и непреодолимая стена отгораживала людей от событий внутри атома, и поэтому так удивительно было суметь, наконец, своими руками влезть в эту атомную кухню.

Продолжая довоенные исследования своего ассистента Марсдена, Резерфорд заметил, что при прохождении α-частиц через обыкновенный воздух возникают какие-то новые частицы, пробеги которых значительно больше пробегов исходных α-частиц. Довольно скоро Резерфорд выяснил, что вторичные частицы – это протоны, и возникают они при столкновении α-частиц с атомами азота. Но что именно происходило? Может быть, сталкиваясь с ядром азота, α-частица выбивает из него протон, в результате чего азот превращается в углерод:

α + ¹⁴₇N → α + ¹³₆C + p

Такая реакция вполне возможна, поскольку в природе существует два стабильных изотопа углерода: ¹²₆C и ¹³₆C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93% и 1,07%.

Но реакция могла бы быть и иной: α-частица могла захватываться ядром азота в результате сильного взаимодействия и превращать его в ядро кислорода:

α + ¹⁴₇N → ¹⁷₈O + p(напоминаю, что α-частица – это ядро ⁴₂He)

После тщательных наблюдений (в камере Уилсона), было доказано, что происходит именно вторая реакция.

В последующие годы Резерфорд совместно с Чэдвиком установил, что при обстреле α-частицами по крайней мере еще десяток элементов – вплоть до калия, вступают в ядерные реакции. Но на этом возможности α-частиц были исчерпаны: заряд калия равен 19, заряд α-частицы 2, и ее энергии уже не хватало, чтобы преодолеть сильное электрическое отталкивание от сильно заряженных ядер тяжелых атомов. Если бы удалось обстреливать атомы одиночными протонами, то сила отталкивания тут же уменьшилась бы вдвое и эксперименты продолжились бы. Но где взять протоны с высокими энергиями? Радиоактивных элементов, испускающих не α-частицы, а протоны, в природе не существует.

Тогда-то и возникла идея ускорителя протонов. В 1931 году первые ускорители были созданы: электростатический генератор Ван де Графа, циклотрон Лоуренса и каскадный генератор Уолтона.

Уже в 1932 году Кокрофт и Уолтон осуществили в лаборатории Резерфорда первую ядерную реакцию, вызванную ускоренными протонами. Обстреливая мишень из лития протонами, ускоренными до энергии примерно 0,2 МэВ, они обнаружили, что примерно один протон из миллиарда расщеплял ядро лития на две α-частицы, которые с огромной энергией примерно по 8,5 МэВ каждая разлетались к чертовой матери:

p + ⁷₃Li → ⁴₂He + ⁴₂He

Эта ядерная реакция стала такой же знаменитой, как и первая реакция Резерфорда по превращению азота в кислород.

Сравнивая энергии в начале (0,2 МэВ) и конце реакции (17 МэВ), можно было бы усомниться в соблюдении закона сохранения энергии, но вспомним про дефект массы – он наверняка должен тут быть. И действительно – он есть:

До реакции: m_p (1,007276 а.е.м.) + m_Li (7,014359 а.е.м.) = 8,021635 а.е.м.

После реакции: m_He (4,001506 а.е.м.) + m_He (4,001506 а.е.м.) = 8,003012 а.е.м

Итоговая ∆m = 0,018623 а.е.м.

Выделившаяся энергия равна: ∆m×931,5 МэВ = 17,3 МэВ.