Радиоактивность и ядерная энергия

Фотоны из ядра

Как мы уже знаем, фотоны возникают, когда в электронной оболочке электроны возвращаются из возбужденного состояния в основное. Бывают фотоны, длина волны которых в 100 миллионов раз меньше, чем у видимого света, зато энергия в 100 миллионов раз выше. Они возникают не в электронной оболочке, а в ядре так называемых радиоактивных элементов.

Атомное ядро тоже можно привести в возбужденное состояние. Когда оно возвращается в основное, испускаются фотоны с высокой энергией. Такие фотоны порождают так называемое гамма (γ)-излучение, один из трех видов радиоактивного излучения. Другие два, альфа (α)- и бета (β)-, будут подробно рассмотрены далее.

Проникающий свет

γ-излучение обладает огромной энергией и может нанести живым существам значительный ущерб. Проникая в тело, оно повреждает клетки, а во многих случаях и генетическую информацию.

γ-излучение можно сравнить с рентгеновским, которое тоже проходит через наше тело и уже давно служит важным медицинским инструментом. Однако энергия квантов рентгеновского излучения не так высока, как у γ-квантов. Просвечивая рентгеновскими лучами человеческое тело, исследуют, например, переломы костей.

γ-лучами можно, к примеру, просвечивать сварные швы несущих поверхностей самолетов для поиска разрывов, возникающих под избыточной нагрузкой.

γ-лучи без проблем проходят даже через толстые свинцовые плиты.

Их энергия примерно в 1000 раз выше, чем у рентгеновских, однако и те и другие почти одинаково опасны для организма. Поэтому при облучении рентгеновскими лучами следует избегать больших доз.

Сильные взаимодействия в ядре

Чтобы понять, как возникает радиоактивное излучение, вспомним строение атомного ядра. Оно состоит из двух видов нуклонов: протонов и нейтронов. Между нуклонами действуют огромные силы притяжения, так называемые ядерные. Эти силы невероятно велики, однако действуют они на совсем небольших расстояниях — только внутри ядра между непосредственно соседствующими нуклонами. На электронах эти ядерные силы уже вообще не сказываются. Ядерные силы всегда порождают притяжение — между нейтронами, между нейтронами и протонами и даже между положительно заряженными протонами.

Невообразимая энергия

Ядерные силы настолько велики, что почти невозможно представить. Чтобы оторвать друг от друга нуклоны в ядре, требуются невероятные количества энергии. Для наглядности рассмотрим следующий пример: если взять грамм гелия и отделить от каждого атома по одному нейтрону, понадобится 500 миллиардов джоулей. Такого количества энергий альпинисту хватит для 80000 восхождений на Эверест. Чтобы обеспечить такую потребность в энергии шоколадом, альпинисту пришлось бы съесть 250000 плиток.

Борьба сил

Чем тяжелее элемент, тем больше нуклонов в ядре, в том числе и протонов. Помимо ядерных сил притяжения, между положительно заряженными протонами действуют и значительные электрические силы отталкивания. Однако сила отталкивания растет непропорционально числу протонов. Скажем, если их количество увеличить в десять раз, сила отталкивания возрастет в сто.

Поэтому при большом числе протонов атомное ядро может стать нестабильным. Если в ядре достаточно нейтронов, силы притяжения возобладают, и ядро останется стабильным. Однако если стабилизирующих нейтронов мало, то ядро не сможет существовать бесконечно: рано или поздно оно распадется.

Альфа-излучение

При распаде атомного ядра возникает три вида радиоактивного излучения: α-, β- и γ-. При α-излучении из ядра вылетают маленькие "пакеты", состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Эти "пакеты" идентичны ядру атома гелия.

Излучающее ядро теряет 4 нуклона. Отдавая при этом 2 протона, оно лишается и 2 электронов из оболочки. Таким образом, атом превращается в другой химический элемент. Тяжелый металл радий, например, после альфа-распада переходит в благородный газ радон.

Если при радиоактивном распаде альфа-частицы просто "выпадали" бы из ядра, то такое излучение не представляло бы опасности и не могло бы причинить вреда нашим клеткам. Но в действительности альфа-частицы вылетают из атомного ядра с невероятно высокой скоростью до 20000 километров в секунду. Это более 70 миллионов километров в час.

Несмотря на высокую скорость, альфа-частицы легко остановить, и они не могут попасть в глубь вещества: по сравнению с бета-частицами они огромны и поэтому не обладают такой проникающей способностью. Лист бумаги, легкая летняя одежда, даже внешний роговой слой нашей кожи уже способны задержать их.

Однако они очень опасны, если, например, вдохнуть или проглотить радиоактивную пыль. В наших незащищенных внутренних органах за свой короткий путь альфа-частицы успевают разрушить ближайшие клетки и нанести серьезный вред. Если задетая клетка и выживает, часто возникают раковые новообразования с летальным исходом. Можно сказать, что внутри нашего тела альфа-лучи закладывают бомбу замедленного действия.

Бета-излучение

Теперь понятно, почему элемент становится нестабильным, когда число протонов значительно превышает число нейтронов. Удивительно, но ядро становится нестабильным и тогда, когда число нейтронов заметно превышает число протонов — в природе встречается и такое. Нестабильность ядер, богатых нейтронами, обусловлена сочетанием множества факторов, понятных только профессиональным физикам-ядерщикам.

Чтобы достичь стабильного состояния, ядро стремится избавиться от избыточных нейтронов. Однако это весьма сложно, поскольку нейтроны удерживаются мощными ядерными силами.

Чтобы "отделаться" от лишних нейтронов, природа придумала одну хитрость: нейтрон распадается на протон и электрон. Протон остается в ядре, электрон его покидает. При этом скорость только что возникшего электрона может приближаться к скорости света — 300000 км/с.

Эти быстрые электроны формируют уже упоминавшееся бета-излучение. Бета-излучение проникает в тела глубже, чем альфа-, однако причиняет меньше вреда, поскольку легче проходит сквозь вещество. Его воздействие распределяется на множество клеток, поэтому последствия для каждой отдельной клетки не так серьезны.

Возбужденные ядра

Сильная отдача вылетающих бета-частиц приводит ядро в возбужденное состояние. Разумеется, оно нестабильно, и ядро возвращается в основное состояние. Энергия возбуждения высвобождается в форме фотона с высокой энергией и чрезвычайно короткой длиной волны.

Эти фотоны представляют собой вышеупомянутое гамма-излучение. (Поскольку гамма-излучение возникает лишь при ядерных переходах, а не при распаде ядра, термин "гамма-распад" не вполне корректен, скорее его можно назвать "гамма-переходом".)

Радиоактивные ряды

Часто распад ядра происходит в несколько последовательных этапов. Это называется радиоактивным рядом. Через альфа-распады ядро постепенно уменьшает свое число нуклонов, пока не достигнет стабильного конечного состояния — в большинстве радиоактивных рядов это элемент свинец.

Нередко между альфа-распадами происходят еще и бета-распады, сопровождаемые гамма-переходами. Представленный радиоактивный ряд состоит из 15 ступеней, ведущих от урана к стабильному свинцу.

Счетчик Гейгера

Факт облучения мы замечаем слишком поздно, когда ущерб уже нанесен. У нас нет органа чувств, который предупреждал бы нас о радиации. Однако все три вида радиоактивного излучения можно обнаружить с помощью счетчика Гейгера-Мюллера, названного так в честь его создателей Ганса Гейгера и Вальтера Мюллера. Чаще его называют просто счетчиком Гейгера.

Этот счетчик состоит из трубки, заполненной газом. Внутри трубки протянута проволока, между проволокой и трубкой создается высокое электрическое напряжение. Проходя сквозь входное окошко счетчика, радиоактивное излучение выбивает электроны из атомов газа. При этом возникают положительно заряженные ионы газа, которые притягиваются к отрицательно заряженной проволоке. Освободившиеся же электроны летят к положительно заряженной поверхности трубки. Возникающий при этом короткий импульс тока усиливается, и из динамика слышится щелчок.

Период полураспада

Если измерять счетчиком радиоактивность, мы насчитаем, допустим, 1200 распадов в час. Через пять дней мы получим всего 600 распадов в час, еще через пять — 300, потом 150 и т.д. Это значит, что период полураспада данного радиоактивного вещества составляет пять дней. Период полураспада радиоактивного элемента — это время, за которое половина нестабильных атомов распадается и приходит в конечное стабильное состояние. Для различных элементов период полураспада может быть очень разным. Для полония-214 это всего 0.16 миллисекунд, а для урана-238 — 4.5 миллиарда лет.

Если взять отдельный атом урана, то предсказать, когда он распадется, невозможно. Он может распасться прямо сейчас, через несколько секунд или через миллиарды лет. Только для большого количества атомов можно утверждать, что через какое-то время распадется половина из них. Тем не менее процесс распада конкретного атома совершенно случаен, можно сказать, атом распадается, "когда ему удобно". Этот факт называют принципом неопределенности квантовой физики.

Атомные электростанции

Уже несколько десятилетий ученые применяют знания об атомном ядре в технических целях. На ядерных взаимодействиях основана работа атомных электростанций. Они используют энергию, высвобождающуюся при распаде крупного атомного ядра, например, уранового, на два меньших.

Эта энергия происходит из энергии связи, удерживающей нуклоны в ядре. Таким образом, сильные ядерные взаимодействия используются на АЭС для выработки электроэнергии. Из одного килограмма урана-235 можно получить столько энергии, сколько из 280 миллионов килограммов каменного угля.

Так можно сберегать полезные ископаемые и бороться с парниковым эффектом. Тем не менее проблемы с возникающими при этом радиоактивными отходами и другие опасности служат поводом для горячих дискуссий. Печально известна Чернобыльская катастрофа 1986 года, когда на АЭС расплавилась активная зона реактора и ситуация вышла из-под контроля.

Последствия были ужасными, и по сей день из-за большого периода полураспада в том районе сохраняется радиоактивное загрязнение. Физик-ядерщик Роберт Оппенгеймер, разработчик первой атомной бомбы, раскаялся, что опубликовал свои результаты. И сегодня каждая новая технология проверяется на предмет применимости в военных целях, что грозит созданием страшного оружия массового уничтожения.