Физические явления, физика, статьи по физике.

Четные количества нейтронов по сравнению с нечетными
легко стабилизируются. Для элементов выше 83, сколько бы ни
было нейтронов, стабильности все равно добиться невозможно.
Однако два элемента этой группы почти стабильные — это торий
и уран, атомные числа которых четные (90 и 92). С другой
стороны, среди всех элементов с атомными числами до 83 только
два вообще не имеют стабильных изотопов. Это технеций и
прометий, атомные числа которых нечетные (43 и 61).
Теперь рассмотрим количество изотопов на элемент. У
21 элемента только один встречающийся в природе изотоп. Из
них только у двух элементов четные атомные числа: у бериллия
(4), у тория (90). У оставшихся 19 элементов атомные числа
нечетные. Есть еще 23 элемента, у которых два встречаю-щихся в природе изотопа. Опять-таки только у двух из них
атомные числа четные: у гелия (2), у урана (92). У оставшихся
21 элемента атомные числа нечетные.
Видимо, при наличии нечетного числа протонов в ядре стабильность
возможна только в случае одного, максимум двух определенных
наборов нейтронов. Только один элемент с нечетным
атомным числом имеет три изотопа — это калий (атомное
число 19). Его изотопы: калий-39, калий-40 и калий-41. Однако
калий-40 все же проявляет слабые радиоактивные свойства
и в природе встречается достаточно редко.
С другой стороны, все элементы (кроме четырех) с четными
атомными числами имеют более двух встречающихся в природе
изотопов, а у олова (атомное число 50) их целых 10. Похоже,
при наличии четного числа протонов в ядре достичь стабильности
настолько легко, что она возможна практически при
любом количестве нейтронов в ядре.
Нейтроны также чаще всего встречаются парами. Наиболее
распространенными изотопами шести элементов, составляющих
98% Земли (см. выше), являются железо-56, кислород-16, маг-
ний-24, кремний-28, сера-32 и никель-58. Содержание протонов
и нейтронов равно 26—30, 8—8, 12—12, 14—14, 16—16 и
28—30. Во всех случаях количество и нейтронов и протонов
четное («четно-четное ядро»).
У элементов с нечетным атомным числом, имеющих лишь
один встречающийся в природе изотоп, ядра этих изотопов содержат
четное количество нейтронов («нечетно-четное ядро»). Например,
фтор-19 (9 протонов, 10 нейтронов), натрий-23 (11 протонов,
12 нейтронов), фосфор-31 (15 протонов, 16 нейтронов) и
золото-197 (79 протонов, 118 нейтронов).
У элементов с нечетным атомным числом, имеющих два встречающихся
в природе изотопа, практически всегда оба изотопа
имеют четное количество нейтронов в ядре. Например, у хлора
есть два изотопа — хлор-35 и хлор-37, — ядра которых состоят
из 17 протонов и 18—20 нейтронов. У меди есть два изотопа —
медь-63 и медь-65, — ядра которых состоят из 29 протонов и
34—36 нейтронов. У серебра есть два изотопа — серебро-117
и серебро-199, — ядра которых состоят из 47 протонов и 60—
62 нейтронов.
У элементов с четным атомным числом, имеющих три и более
встречающихся в природе изотопов, нейтронов обычно больше,
чем у элементов с нечетными атомными числами («четно-нечетные
ядра»). Например, у ксенона 9 встречающихся в природе изотопов,
7 из которых имеют «четно-четные ядра» (ксенон-124, 126,
128, 130, 132, 134 и 136). Количество протонов везде одинаково,

No Comments »

Причина этого в том, что при делении ядра урана (самопроизвольного
или вследствие поглощения нейтрона) высвобождающиеся
нейтроны поглощаются соседними атомами. Большинство
соседних атомов не являются атомами урана и неучаствуют в процессе деления ядра. В результате этого выделяющиеся
в результате деления ядра урана нейтроны поглощаются,
новые не высвобождаются и цепной реакции не происходит.
Таким образом, в ядерной цепной реакции необходимо использовать
чистый уран в форме металла или оксида. Металл
состоит из одних лишь атомов урана, и в этом случае велика
вероятность, что атом урана поглотит высвобождающийся нейтрон
другого атома и реакция примет цепной характер.
Впрочем, это требование выполнить было достаточно сложно.
До 1941 года уран особо нигде не применялся, поэтому его получали
лишь в небольших количествах. Однако даже этот уран не
был достаточно чистым. Как только были сделаны первые попытки
получить чистый уран в большом количестве, возникли еще
более строгие ограничения.
Сразу после признания возможности деления ядра урана
Нильс Бор заявил, что с теоретической точки зрения вероятность
ядерного деления урана-235 выше, чем урана-238. Вскоре
это было подтверждено экспериментальным путем. Получалось,
что заставить делиться атомы обычного, пусть даже и
очень чистого, урана очень сложно, так как 993 из 1000 атомов
урана были атомами урана-238, ядра которых поглощают нейтрон,
не начиная при этом делиться, в результате чего цепная
реакция не возникает.
Для того чтобы значительно повысить шансы возникновения
ядерной цепной реакции, нужно получить уран с большим, чем
в обычных условиях, содержанием урана-235. Для этого нужно
произвести разделение изотопов, что в крупных масштабах сделать
довольно сложно.

No Comments »

Открытие радиоактивности позволило взглянуть на пробле­

му по-новому. Гельмгольц и его современники ничего не зна­

ли о том, что атомное ядро может служить источником энергии.

Со временем было сделано предположение, что солнечное из­

лучение возникает в результате ядерных реакций.

Однако природа этих реакций оставалась неизвестной еще в

течение нескольких десятилетий. Ученые уже знали о реакции

распада урана и тория и делении ядра урана, однако вряд ли на

Солнце происходили эти реакции, так как там мало урана и

тяжелых элементов в целом. Кроме того, мощности выделяемой

при делении урана энергии просто недостаточно для создания

столь мощного излучения.

Действительно, 85% всех атомов Солнца составляет кисло­

род, еще 10% — гелий. Так что если на Солнце и происходят

ядерные реакции, то в них участвует водород.

Однако в условиях Земли водород не вступает в ядерные

реакции. Условия на Солнце отличаются в основном темпера­

турой (температура на поверхности Солнца равна 6000 °С), но

это отличие никакой роли не играет.

Дело в том, что еще самые первые эксперименты с ураном

и другими естественными радиоактивными веществами пока­

зали, что, в отличие от обычных химических реакций, ядер­

ные реакции не подвержены влиянию температуры. Период

полураспада радия не меняется ни при низкой, ни при вы­

сокой температуре, а не вступающие в ядерные реакции ато­

мы нагреванием до высоких температур реагировать не заста­

вишь.

Конечно же многое зависит от того, что понимать под «вы­

сокой температурой». В начале XX века ученые не умели полу­

чать температуру достаточную для того, чтобы два атомных ядра

пробили электронные «бамперы» и столкнулись. Впрочем, для

этого недостаточно даже температуры Солнца.

Однако английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882—

1944) привел ряд убедительных документов, доказывая, что если

Солнце является газообразным объектом, то для того, чтобы ос­

таваться стабильным, температура внутри светила должна быть

очень высокой — миллионы градусов Цельсия.

Действительно, при настолько высокой температуре два ядра

столкнутся, а немыслимые при обычной температуре реакции

станут обычным делом. Ядерная реакция, происходящая при

столь высокой температуре, называется термоядерной реакцией

(от греч. thermo — «тепло»). Понятно, что источником солнеч­

ного излучения являются термоядерные реакции, идущие внут­

ри звезды.

No Comments »

В 1961 году физики и химики пришли к компромиссу, приняв
за массовое число углерода-12 величину 12 и высчитав
атомные веса всех остальных элементов относительно углерода-
12. Как и хотели физики, отныне атомные веса были привязаны
к массовому числу, то есть к постоянной величине.
Более того, величины атомных весов элементов по новой системе
практически не отличались от их химических атомных
весов. Например, по новой системе атомный вес кислорода
равнялся 15,9994, что всего лишь на 0,0037% меньше химического
атомного веса кислорода. Атомные веса, приведенные в
табл. 2, гл. 1, высчитаны относительно углерода-12.
Так как атомный вес является средним взвешенным массовых
чисел встречающихся в природе изотопов, то можно говорить
лишь об атомном весе примордиальных элементов, тех элементов,
которые были на Земле с самого момента ее образования, то есть
появились одновременно. Таких элементов всего 83, из них 81
стабильный элемент (с атомным весом от 1 до 83, исключая элементы
с атомным весом 43 и 61) и два относительно стабильных
элемента — уран и торий.
Элементы, образующиеся из урана и тория, являются изотопами,
значение массовых чисел которых зависит от того, содержатся
эти элементы в урановой или в ториевой руде. Высчитать
среднее арифметическое таких чисел невозможно, поэтому
нельзя определить и атомное число. В результате за атомный
вес этих элементов (и других нестабильных элементов, речь о
которых пойдет в следующей главе) принято считать массовое
число изотопа с самым длительным периодом полураспада. В
таблицах такие массовые числа обычно пишут в квадратных
скобках, как, например, в табл. 10. Из приведенных в этой таблице
изотопов радон и радий являются дочерними элементами
уранового ряда, а франций, актиний и протактиний — актиниевого
ряда. Эти 5 элементов встречаются в природе, в то время
как полоний-209 и астатин-210 получены искусственным путем.

No Comments »