§ 219. Ядерные реакции и превращение элементов

Изучению ядерных реакций очень способствовало изобретение приборов для сообщения высокой энергии заряженным частицам — ускорителей (см. §217). Ускорители создают интенсивные пучки заряженных частиц, ускоренных до энергий, не только равных, но и во много раз превосходящих энергии  частиц радиоактивных  излучений.

Оказалось, что искусственно ускоренные быстрые протоны, дейтроны (ядра тяжелого водорода), ядра гелия и ядра других, более тяжелых, элементов способны производить разнообразные ядерные расщепления, аналогичные рассмотренной реакции -частиц радиоактивного препарата с азотом. Быстрые электроны и рентгеновские фотоны (полученные торможением электронов, ускоренных до энергий  и выше), также вызывают ядерные реакции. Однако по эффективности, с которой они производят расщепления, фотоны, а в особенности электроны, уступают тяжелым частицам (протонам, дейтронам и другим ускоренным ядрам).

В настоящее время известно множество различных ядерных реакций; с некоторыми из них мы познакомимся в дальнейшем.

Особенно существенным было обнаружение среди продуктов ядерных реакций незаряженных (нейтральных) частиц с массой, равной массе протона (т. е. приблизительно 1 а.е.м.). На свойствах этих частиц, названных нейтронами, мы остановимся подробнее в следующем параграфе.

Открытие ядерных реакций имело принципиальное значение: впервые была доказана возможность искусственного превращения элементов. Правда, на первых порах удавалось превратить лишь ничтожное количество вещества. Это происходит потому, что число быстрых частиц, даваемых ускорителями или радиоактивными препаратами, сравнительно мало (см. упражнение 38 в конце главы), и, кроме того, только малая доля этих частиц производит ядерные реакции. Например, одно ядерное превращение приходится на сто тысяч — миллион бомбардирующих -частиц.

Причину такого малого числа ядерных реакций нетрудно понять. Чтобы проникнуть внутрь атомного ядра, налетающая заряженная частица должна преодолеть огромные силы электростатического отталкивания, ибо и частица, и бомбардируемое ядро обладают положительным зарядом. Поэтому ядерные превращения могут производить только достаточно быстрые частицы, способные преодолеть электростатическое отталкивание. Но, двигаясь в веществе, быстрые частицы расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Очень скоро они полностью затормаживаются, захватывают электроны и превращаются в нейтральные атомы. Ввиду малых размеров ядер (см. § 203) лишь немногие частицы сталкиваются с ядром до того, как они растратят свою энергию. Только такие редкие случаи и приводят к ядерным  расщеплениям.

Мы увидим в §226, что в условиях, существующих на звездах, ядерные реакции, раз начавшись, продолжаются сами собой подобно тому, как огонь, охватывая новые и новые порции топлива, горит до тех пор, пока последнее не исчерпается. Подобные самоподдерживающиеся, или, как говорят, незатухающие, цепные реакции удается осуществить  и  в земных условиях (см. § 227).

В цепных ядерных реакциях превращение атомов осуществляется уже в больших масштабах, не уступающих зачастую масштабам, в которых происходит превращение молекул в химических реакциях.