Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20, 29, 34, 36, 43, 47/2004;
5/2005

Основными параметрами, характеризующими процессы радиоактивной превращаемости, являются средние времена жизни нуклидов ( = 1/) и периоды их полураспада (Т_1/2), т.е. промежутки времени, в течение которых число радиоактивных нуклидов с данным значением Z уменьшается в два раза.

Эти характеристики вводились на начальном этапе изучения явления радиоактивности и в конечном счете исходили из попыток количественно оценить «степень нестабильности». Обнаруживаемые новые радиоэлементы заметно различались по своей «активности» (по интенсивности излучения). Было установлено, что активность («скорость» радиоактивной превращаемости) находится в прямо пропорциональной зависимости от исходного количества радиоактивного препарата. Это послужило основой разработки Э.Резерфордом и Ф.Содди теории радиоактивной превращаемости. Они вывели дифференциальное уравнение –dN/dt = N (N – число нуклидов, – константа радиоактивного распада). В нем уже заложена оценка радиоактивной превращаемости как вероятностного процесса, поскольку величина – вероятностная мера распада отдельного нуклида за единицу времени. Решение этого уравнения показывает, что уменьшение с течением времени числа нуклидов и скорости их распада подчиняется экспоненциальному закону.

Э.Резерфорд (1871–1937)

В развитии учения о радиоактивности понятие периода полураспада сыграло огромную роль, пожалуй, не меньшую, чем понятие «атомный вес» в эволюции учения о химических элементах. «Разброс» величин периодов полураспада для известных нуклидов – естественных и искусственных – исключительно велик: от миллиардных долей секунды до 10²² лет. Так, для нуклидов, входящих в радиоактивные семейства, максимальное значение Т_1/2 относится к торию-232 (1,39•10¹⁰ лет), а минимальное – к полонию-212 (3,03•10^–7 с).

Уравнение радиоактивной превращаемости нуклида записывается аналогично уравнению мономолекулярной химической реакции. В ходе последней испытывает превращение (разложение) данное вещество (его молекулы), а результирующими продуктами оказываются два или более простых или сложных вещества. Химическое превращение осуществляется под влиянием разнообразных внешних факторов с определенной скоростью. Оно может быть ускорено (например, посредством повышения температуры, давления или применения катализаторов) либо соответствующим образом замедлено.

Ф.Содди (1877–1956)

Особенность «мономолекулярной реакции» радиоактивной превращаемости состоит в том, что внешние воздействия не способны изменить ее скорости. Независимость скорости объясняется энергетическими факторами. Энергии радиоактивных распадов оцениваются значениями, достигающими 10 МэВ и более, в то время как энергетика химических процессов оперирует величинами, не превышающими десятка Кэв. Тем не менее высказывалось предположение, что обладающие большой энергией частицы, вызывающие ядерные реакции, способны влиять на скорости распада. Однако в данном случае понятие «превращаемость» фактически подменялось понятием «превращение».

При соответствующих условиях все молекулы данного количества вещества могут разложиться, притом в течение весьма короткого промежутка времени. Механизм химической реакции заключается в разрыве химических связей между атомами элементов, образующими молекулы, и образовании новых связей. Но могут быть подобраны такие условия, при которых реакция разложения вообще не протекает.

Пусть мы имеем множество нестабильных нуклидов с определенной комбинацией значений Z и N. Каждый из них потенциально способен реализовать присущее ему свойство нестабильности. Но какой именно нуклид распадается в данный момент времени? Вопрос не имеет ответа, и в этом смысле все нуклиды для нас одинаковы. Распад любого из них может произойти в данное мгновение, но точно так же любой из них может сохранять свойство нестабильности на протяжении неопределенно долгого промежутка времени. Радиоактивные распады каждого из нуклидов происходят абсолютно независимо друг от друга. Потому-то фундаментальная особенность процесса превращаемости – его вероятностный характер. Отсюда и следует относительность таких параметров, как среднее время жизни и период полураспада. Конечно, существует исчезающе малая вероятность того, что все нуклиды данного множества распадутся одновременно, но эта «ситуация» относится к ведомству научной фантастики…

Вероятностный характер присущ и многим основополагающим процессам теоретической ядерной физики. Однако применительно к феномену радиоактивности он нуждается в определенной конкретизации. Вероятность радиоактивного распада требует оценки двух факторов. Во-первых, принимаются во внимание массово-энергетические характеристики (массы испускаемых частиц и результирующих нуклидов, а также энергии распадов): это используется при теоретической интерпретации механизмов различного вида превращаемостей. Во-вторых, учитывается вероятность формирования нуклонного «фрагмента» внутри нестабильного ядра – «фрагмента», которому предстоит покинуть ядро. Этот аспект особенно сложен для теоретической интерпретации и связан с необходимостью использовать определенную ядерную модель. Между тем процесс формирования «фрагментов» по существу является первичным, «подготовительным» актом, предшествующим самому распаду.

Радиоактивный распад данного нуклида приводит к образованию другого нуклида, который в свою очередь может оказаться либо стабильным, либо радиоактивным. В этом случае процесс радиоактивной превращаемости будет протекать до тех пор, пока не завершится рождением стабильного нуклида. Тогда можно говорить о цепочке последовательных превращаемостей, между членами которой устанавливается определенное радиоактивное равновесие. Исходный нуклид необязательно будет наиболее долгоживущим. Его полное «исчерпание» обусловит укорачивание цепочки, и теперь дальнейшая последовательность превращаемостей определится продолжительностью жизни самого долгоживущего нуклида в цепочке. Таким образом, процесс реализации свойства нестабильности (радиоактивная превращаемость) имеет четкую одностороннюю направленность.

Иначе обстоит дело в отношении искусственного превращения. Здесь могут реализоваться четыре ситуации: 1) превращение стабильного нуклида в стабильный же; 2) превращение стабильного нуклида в нестабильный; 3) превращение нестабильного нуклида также в нестабильный;
4) превращение нестабильного нуклида в стабильный. Все эти возможности могут быть реализованы практически посредством выбора подходящих нуклида-мишени и бомбардирующей частицы, т.е. использования определенного типа искусственной ядерной реакции. С реализации первой ситуации началась сама история искусственного превращения элементов (эксперименты Э.Резерфорда, 1919 г.), причем на первых порах не ставился вопрос о том, какие именно изотопы вступают в ядерную реакцию. Вторая ситуация получила практическую разработку в синтезе нуклидов с Z = 43, 61, 85, а также ряда нуклидов, относящихся к трансурановой области; туда же надо отнести искусственное получение нестабильных нуклидов почти для всех значений Z на интервале 1–83. Третья ситуация воплотилась в синтезе большого числа трансурановых нуклидов. Наконец, четвертая (наиболее редкая) ситуация относится к некоторым ядерным реакциям определенного типа (например, реакциям расщепления).

Схема искусственного радиоактивного превращения ядра-мишени свинца при бомбардировке протонами

Каждый процесс искусственного превращения протекает через две последовательные стадии. На первой бомбардирующая частица взаимодействует с ядром-мишенью. В результате образуется в возбужденном состоянии составное, или компаунд-ядро. Вторая стадия заключается, так сказать, в снятии возбуждения, что достигается различными способами. Возбужденное ядро может испускать только -квант, в таком случае образующееся ядро будет характеризоваться суммарными зарядами и массами ядра мишени и бомбардирующей частицы и окажется стабильным или нестабильным. Составное ядро может также «разряжаться», испуская определенную материальную частицу. По существу компаунд-ядро испытывает превращаемость, аналогичную той, которая имеет место для «обычных» нестабильных нуклидов.

Правомерно ли считать, что компаунд-ядро проявляет феномен радиоактивности? Этот вопрос недостаточно отчетливо разработан в методологическом плане. По-видимому, наиболее рациональный ответ на него такой: в данном случае понятия «нестабильность» и «радиоактивность» нельзя признать тождественными. Должен существовать некий дополнительный критерий определения понятия «радиоактивный распад», иначе говоря, количественная временная характеристика минимальной длительности процесса превращаемости. Этот критерий связан с совершенствованием теоретических представлений и возможностями оценки очень коротких времен жизни. Долгое время к радиоактивным распадам относили все акты - и -превращаемостей, продолжительность которых могла быть измерена экспериментально. В настоящее время техника измерения малых времен достигла значений 10^–11 с.

Очевидно, что для определения понятия «радиоактивная превращаемость» необходимо основываться на четком ограничении стадии образования компаунд-ядра и стадии последующего его распада. Другое существенное требование – период полураспада образовавшегося радиоактивного ядра должен на несколько порядков превосходить так называемое характерное ядерное время (10^–21–10^–22 с). В конечном счете правомерным оказывается вывод, что распад составного ядра следует рассматривать не как процесс радиоактивной превращаемости, т.е. нестабильность компаунд-ядра имеет иную природу, нежели нестабильность «обычных» нуклидов.

Такое заключение позволяет внести уточнение в понимание процесса радиоактивности. Радиоактивность есть самопроизвольное изменение состава атомного ядра, которое реализуется посредством испускания элементарных частиц или ядер из основного состояния ядра за время, существенно большее времени жизни возбужденного составного ядра, образующегося в результате ядерной реакции.

ЛИТЕРАТУРА

Старосельская-Никитина О.А. История радиоактивности и возникновения ядерной физики. М.: Изд-во АН СССР, 1963
Учение о радиоактивности. История и современность. М.: Наука, 1973.

Д.Н.ТРИФОНОВ