Превращение элементов

Превращение элементов

• Трансформация элементов. Первый успешный эксперимент по искусственному преобразованию элементов был проведен Резерфордом в 1919 году. Резерфорд провел этот процесс, используя радиоактивный материал a-radiation. It давно известно, что при столкновениях с молекулами водорода частицы иногда сбрасывают протоны. Протоны имеют значительно большую скорость и средний свободный путь, чем сама исходная частица.

• Это явление может быть изучено с помощью схематической установки, показанной на рисунке. ХVI-31. Установка состоит из герметичного латунного ящика, внутри которого на пластине (а) помещен радиоактивный препарат. На боковых стенках коробки имеется небольшое отверстие (5), которое покрыто очень тонкой металлической пластиной. Кромка(G) служит для заполнения оборудования тестовыми частицами и снижения давления в них (для увеличения среднего свободного пробега частиц). М и Р U2 Диаграмма Xvi-31. Схема устаиовкж Ресер Форд.

Рядом с ним находится экран (Б) из сульфида цинка NS, сцинтилляция которого наблюдается с помощью микроскопа (м). Людмила Фирмаль

Изменяя расстояние от А до В или вставляя тонкую пластинку слюды в зазор между В и С, можно контролировать удержание частиц на пути к экрану, тем самым разделяя быстрые частицы и медленные частицы. Аналогично, при использовании водорода, слабая вспышка может появиться на экране из-за проникновения протонов в экран, даже когда частицы полностью удерживаются. Длина их траекторий (рассчитанных для движения в воздухе) достигала 28 см. Очевидно, что выбивание Протона из молекулы водорода — это еще не превращение элемента. Но, заменив водород в устройстве азотом, Резерфорд также обнаружил появление сцинтилляции из-за влияния быстро движущегося Протона на экран.

Максимальная длина пути достигала 40 см. То есть он отличался от случая с hydrogen. In кроме того, дальнейшие исследования показали, что высвобождение протонов происходит практически в равных количествах практически во всех направлениях. Все это наглядно демонстрировало появление азота из самого ядра, под воздействием падающих в эти ядра частиц. Относительная редкость протонной сцинтилляции на экране хорошо совпадала с этой идеей. Подсчитав их, было показано, что на 1 выбитый Протон приходится около 50 000 а-частиц. Использование камеры конденсации для фотографирования отпечатков столкновений частиц и ядер позволило нам лучше понять суть процесса.

После столкновения было обнаружено, что следы летящих частиц расходятся на 2 ветви (рис. XVI-32).Это указывает на то, что частица, которая разбивает ядро атома, попадает в него и не отскакивает off. In в противоположном случае необходимо наблюдать 3 ветви (соответствующие выбитым протонам, остаткам ядра и самой частице а).То же самое происходит и с отношением длины пути протона к ядерному остатку. Это должно быть настолько большим, насколько этот остаток тяжел.

Точные измерения обеих ветвей, сделанные на аналогичных фотографиях, ясно показали, что масса азотного остатка составляла не 13, а 17.So весь процесс-это реакция ядерного замещения. Эта реакция протекает только с образованием изотопов кислорода по схеме, так как необходимо сохранить не только переход от начального атома к конечному, сумму массовых чисел, но и сумму атомных чисел (то есть заряд ядра).： ; не +,; н =!ч +,; о Расчет, основанный на длине пути, показывает, что полная кинетическая энергия продукта, образованного из ядра азота, меньше, чем у падающих частиц.

Согласно уравнениям взаимосвязи, энергетический эффект ядерной реакции определяется по разности масс исходного продукта и конечного продукта. В этом случае, 14.00307 + 4.00260 = 18.00567 и 16.99913-Ф 1.00783 = 18.00696, то есть, конечный продукт тяжелее, чем первый продукт. Это означает, что преобразование рассматриваемого элемента происходит с поглощением энергии (1,2 МэВ).Наоборот, аналогичный процесс по схеме 4Не + реакции 27al=, ч + 30Si РНС. ХVI-32.Частицы и ядра азота сталкиваются Поставляется с выделением энергии (2,4 МэВ).в то же время преобразование L1 выполняется еще реже, чем nitrogen.

In в этом случае протоны выбиваются только 12 частицами а на 1 миллион штук. Количество преобразованных элементов в обоих случаях ничтожно мало. Например, чтобы получить 1 кубический миллиметр водорода из алюминия, требуется более 6 лет, чтобы подвергнуть водород воздействию линии А, но、 Рисунок XVI-ZZ. Целая иллюстрация маленького циклотрона. Он выделяется килограммом радия. Очевидно, что такой процесс не может быть использован на практике.

Это связано прежде всего с тем, что » воздействие частиц радиоактивного происхождения с трудом поддается контролю. С одной стороны, нет возможности существенно изменить количество»снарядов» и соответствующие им силы, но с другой стороны, направление полета невозможно контролировать. Таким образом, число удачных попаданий ничтожно мало по сравнению с числом выстрелов, а трансмутация осуществляется только десятками или даже сотнями тысяч а-частиц. Беспрецедентно широкое поле зрения открывает путь для бомбардировки атомных ядер потоками искусственно полученных заряженных частиц, таких как протоны, дейтроны и гелионы.

Эти частицы легко образуются из 1 литра р «» р под действием разряда на соответствующий разреженный газ (водород, дейтерий или гелий). ХVI-34.Последняя схема, вообще говоря, может быть добыта работой циклотрона. В 1 неделю больше «снарядов», чем 1 тонна чистого радия released. By подвергая полученные частицы комбинированному воздействию электрического и магнитного полей, можно собрать их в узкий пучок, сообщить ему о той или иной скорости и поместить его в предписанную direction.

So пучок таких заряженных частиц обладает высокой управляемостью, что принципиально отличает рассматриваемый метод от обстрела ядер альфа-частицами радиоактивного происхождения. Наиболее практичным устройством для создания мощного потока быстро движущихся заряженных частиц является циклотрон. XVI-ЗЗ. Основная рабочая часть циклотрона состоит из полого внутреннего металлического полудиска, который расположен в вакуумной камере на определенном расстоянии друг от друга (D, рисунок XV1-34).Оба подключены к генератору изменений-

Он имеет большой ток и под действием сильного магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости. Пучок заряженных частиц, попадающий в пространство между обеими полукруглыми пластинами («Ди») циклотрона под действием магнитного поля из центральной части устройства (к), приобретает круговое движение. Частота переменного электрического поля выбирается таким образом, что частица подвергается ускорению каждый раз между 2 полукругами. Из-за наличия непрерывного роста общая траектория луча принимает вид spiral. At в конце этого пути поток частиц отклоняется отрицательно заряженной пластиной (Р), выходящей из устройства со скоростью, соответствующей заданным условиям.

Еще до разработки конструкции циклотрона (1932) было изучено большое количество трансмутаций, использующих частицу радиоактивного происхождения в качестве «оболочки».Однако из-за наличия 2 положительных зарядов в самих частицах а применимость этого метода была ограничена относительно легкими элементами. При движении к атому с большим положительным ядерным зарядом сила отталкивания частицы становится настолько большой, что вероятность ее попадания в ядро равна negligible.

So, превращение под воздействием частиц радиоактивного происхождения наблюдалось только с элементами с порядковым номером около 20 и менее. С другой стороны, максимальная энергия а-частиц радиоактивного происхождения составляет 8,8 МэВ (ТГК’).Используя новейший циклотрон, можно получить направленный поток заряженных частиц, который имеет выход в десятки тысяч МэВ, а количество испускаемых частиц при этом превышает 1 килограмм чистого радия.

С его помощью сфера применения огнестрельного оружия частицами значительно расширяется. Однако использование протонов и дейтронов открывает еще большие возможности possibilities. As как видно из рисунка XVI-35, проникающая способность при равной кинетической энергии значительно выше, чем у А-частиц. Это связано с двойным зарядом последнего, в результате чего ионизация встречных молекул, связанная с потерей энергии, становится более интенсивной pronounced. At в то же время низкий заряд протонов и дейтронов значительно облегчает их взаимодействие с атомными ядрами.

С помощью протонов и дейтронов происходила трансформация большинства химических элементов place. As пример реакции алюминия с протонным ударом показан ниже. ЧД-Ф ^ Аи = * не + Этот процесс протекает с относительно небольшим выделением энергии (1,6 МэВ). по существу, он обычно противоположен тому, что наблюдается при столкновениях с частицами: если происходит усложнение ядра, то здесь, наоборот, происходит его упрощение.

На рисунке XVI-36 показаны результаты дейтронового воздействия азота, захваченного толстой пленкой пленки, выраженные в виде реакции по схеме. 2D + UN = 4 <нет Диаграмма Xvi-35.Энергия и средние свободные удары в воздухе. Эта реакция сопровождается большим энергетическим эффектом (6,3 МэВ), который определяет большую кинетическую энергию полученного а particles. As как видно из рисунка, средний свободный путь в пленке рассчитывается только в микронах или нескольких десятках микрон. То есть его нельзя сравнить со средним свободным ходом в воздухе.

Наиболее эффективными для осуществления трансмутации «оболочками» являются нейтроны. Отсутствие уникального заряда облегчает включение нейтронов в атомные ядра при лобовом столкновении collision. So, вероятность трансмутации под действием нейтронов значительно выше, чем в случае, когда под действием а-частиц, дейтронов и протонов. Простейший источник нейтронов-стеклянная ампула, смешанная с порошком бериллия и солью радия. Последняя реакция по схеме в присутствии 0,1 г 4Не-Ф^®быть=2С-ф п + 5.7 МэВ Каждую секунду образуются сотни тысяч нейтронов.

Используя циклотрон, можно получить еще более мощные токи, столкнув дейтроны с пластиной металлического бериллия. 2Д +^®быть=, 0В-ф Н + 4> 4 МэВ Выход нейтронов начинается с энергии дейтрона около 5 МэВ и быстро увеличивается с ее увеличением. Циклотрон среднего размера может производить I012 нейтронов в секунду, но только небольшая часть может быть использована для трансмутации. Нейтроны, полученные тем или иным способом, обычно имеют большую начальную скорость и высокую кинетическую energy.

As упомянутые ранее, такие высокоскоростные нейтроны легко проходят через довольно толстый слой различных веществ. Большое значение имеет тот факт, что зависимость последней»прозрачности»от ее свойств по отношению к нейтронам имеет совершенно иную природу, чем в других случаях. Например, все виды радиоактивности удерживаются гораздо лучше воды по сравнению со свинцом, но в случае нейтронов она становится противоположной(рис. XVI-37).

Это связано с тем, что удержание высокоскоростных нейтронов в основном вызвано потерей скорости при столкновении с ядрами антираспространяющихся атомов. Поскольку передача кинетической энергии нейтронов к приближающемуся ядру осуществляется так же эффективно, как ядро легче, то среда, образованная самыми легкими атомами, оказывает самое сильное замедляющее действие на быстрый нейтрон, и все остальное то же самое. В результате потери скорости при столкновении кинетическая энергия нейтронов в конечном итоге уравновешивается кинетической энергией обычных молекул газа.

Такие нейтроны называются «тепловыми».Из вышесказанного, чтобы замедлить нейтроны、 Диаграмма Xvi-36.Следы превращения азота в гелий. Диаграмма Xvi-37. прозрачность быстрых нейтронов постоянного тока. Достаточно пройти через несколько толстый слой вещества, богатого легкими атомами (обычно используют графит, парафин или воду) 7 Характер протекания нейтронных реакций сильно зависит от скорости нейтронов. После захвата быстрых нейтронов ядро обычно испускает частицы или протоны.

Напротив, захват медленных нейтронов обычно сопровождается только испусканием гамма-лучей с образованием более тяжелых изотопов исходного элемента. Таково, например, поведение кадмия. Слой кадмия почти полностью захватывает тепловые нейтроны толщиной 1 мм. Простейший пример ядерной реакции, включающей конверсию нейтронов при захвате медленных нейтронов в дейтерии (протии! Он дается по формуле ！Ч + / Я — * 2Д + Г Энергия испускаемого фотона (y) равна 2,2 МэВ.

Эта реакция происходит частично при нейтронной бомбардировке парафина или воды и, как правило, служит синтетическим способом получения deuterium. In в отличие от обычной тяжелой воды (Дао), нейтроны почти не захватываются. Рассмотрим в качестве примера взаимодействие нейтронов с ядрами»N» среди многих других нейтронов reactions. It может осуществляться по 4 различным схемам. «Н + я + 0.2 МэВ = „Б +“ Не я » н-ф Н=, 4С + ДХ + 0.6 МэВ «н + л + 4.0 МэВ = 12С + 3Н» Н+ / 1 + 10.5 Лев=, 3Г + 2-я Возможность первой реакции (и наиболее распространенной реакции) относительно легко обеспечивается кинетической энергией поглощенных нейтронов.

Напротив, последние 2 реакции требуют больших затрат энергии, поэтому они могут протекать только под воздействием достаточно быстрых нейтронов. Одним из продуктов 3-й реакции является изотоп водорода с массой 3.И. Трития (Т), распространенность которого в природе ничтожна (10 ′ ^®атомов протия на 1 атом триллиума). В результате 4-й реакции происходит своеобразное «умножение» нейтронов.9- ’ 2 . Однако, в отличие от естественного преобразования радиоактивности, вышеупомянутая ядерная реакция протекает только при внешнем воздействии.

Рассмотрим в этом разделе методы, воздействующие на атомное ядро, можно искусственно осуществить преобразование всех его элементов Людмила Фирмаль

Мост между этими и другими процессами был перекинут открытием искусственной радиоактивности. Добавь ！) Имеется монография*о различных превращениях атомных nuclei. To для обеспечения правильной работы циклотрона поле ускорения должно находиться в резонансе с вращением частиц. Вращение частиц зависит от заряда и mass. In наличие смесей и изотопов, условия резонанса соблюдаются для каждого из них индивидуально. * Гольдаек В. В. И. лейки Е. М. конверсия атомных ядер. М.. Издательство Академии Наук СССР. 1968.442 секунд

Поэтому циклотрон действует как масса spectrometer. In в этом случае масса каждого изотопа рассчитывается по напряжению магнитного поля и электрической частоте, что обеспечивает выделение непрерывного потока particles. In таким образом, в частности, были разделены изотопы гелия массой 3, и для ускорения до определенной скорости электронов было построено аналогичное устройство, как правило, бетатрон. 2) область применения циклотрона и бетатрона ограничена резким увеличением массы частиц при очень высокой скорости(рис. XVI-30), что нарушает условия резонанса.

Эти условия можно сохранить, используя принцип синхротрона, то есть ускорителя, учитывающего изменения массы частиц. Такое объяснение осуществляется частотой переменного электрического поля, напряженностью магнитного поля или соответствующими изменениями в обоих из них. Различные типы синхротронов называются синхроциклотрон, Фазотрон и синхрофазотрон. С помощью этих ускорителей можно получить частицы с энергией около десятков тысяч лет. meV. So с Серпуховским синхротроном энергия Протона может быть увеличена до 760 миллиардов эВ (76 ГэВ).

3) экспериментально подтверждена применимость Основного Закона статического электричества к взаимодействию заряженных частиц на расстоянии до 10 дюймов* см. На расстоянии, меньшем, чем MO’1 * cm, доминирование переходит к силе ядерного сжатия. 4) потому что расход энергии, необходимый для разложения дейтрона на нейтроны и протоны, относительно невелик (2,2 МэВ), может возникать под действием силового поля атома nucleus. In в этом случае протоны отбрасываются, а нейтроны захватываются в атмосферу. nucleus.

As в результате ядерная реакция происходит на первой стадии и протекает не вокруг ядра, а вблизи него. По-видимому, такой процесс невозможен с протонами, а в частицах он весьма маловероятен из-за их высокой энергии связи(рис. XVI-20). б) обычной первой стадией трансмутации под воздействием внешне летящих частиц является захват последних, в результате чего в ядре создается метастабильное состояние, характеризующееся наличием избыточной внутренней энергии.

Такое состояние можно наглядно объяснить, используя идею «температуры» ядра (Я. И. Френкель, 1936).С этой точки зрения, захват частиц сопровождается резким повышением температуры ядра. Среднее время его существования в возбужденном («нагретом») состоянии явно составляет около 10-14 секунд. То есть она очень длинная по сравнению с единицей времени ядра (10 секунд).

Это означает, что перераспределение энергии между составными частями возбужденных ядер может происходить многократно. Таким образом, 2-я стадия трансформации-стабилизация ядра, то есть освобождение от избыточной энергии за счет перехода в более стабильное состояние-не зависит напрямую от 1-й стадии и может вообще осуществляться по-разному ways.

As в результате под воздействием одной и той же» оболочки » возможны различные превращения этого ядра. Если вероятности этих преобразований равны, то их параллельные реализации должны иметь доступ к экспериментальным наблюдениям. Правильность этого представления о ходе ядерного процесса неоднократно доказывалась. Например, когда 7Li запускается Протоном, сначала формируется метастабильное ядро{^®Be).Тогда одновременно происходят 2 вида преобразований. {*Быть} —►»не +«не N {«Солнечная>» —►8Ве + у 

В первом, более общем случае, метастабильное ядро распадается на частицы 2 а (энергия 8,7 МэВ), а во втором-преобразуется в стабильное ядро Be РНС. В XVI-38.Энергетический барьер ядра урана. 17.4 слияние фотонов с энергией МэВ. Для сравнения интересно отметить, что энергия самого сильного излучения и естественного радиоактивного происхождения составляет всего 2,6 МэВ (ТГК»). в) достаточно сильное улучшение может вызвать трансмутацию и обычно происходит с отрывом нейтронов (не очень часто, но протонов).

Такой процесс называется ядерным фотоэффектом. Самый простой пример этого-реакция ’Ч + г-> н + н и 9be + В —’ быть + Н Оба связаны с относительно небольшим поглощением энергии (2,2 и 1 МэВ соответственно).То есть они уже могут быть вызваны гамма-излучением радиоактивного происхождения. Жесткие фотоны, которые можно получить искусственно с помощью новейшего синхротрона, открываются гораздо шире possibilities.

At в настоящее время многие реакции, такие как ядерный фотоэффект, уже изучены. 7) число столкновений, необходимых для замедления нейтрона от 1,75 МэВ до тепловой энергии (около 0,03 эВ).С изменением массы ядра меняется-модераторы бывают: Ядро-это модератор….. * Н * д * Не ббэ * * с, * бо МУ Число столкновений….. 18 24 41 50110145 2100 Эти примеры данных дают четкое представление о том, что описано в основном тексте. 8) вероятность захвата нейтронов (и возникновения других ядерных процессов) обычно оценивается величиной эффективного поперечного сечения (о) соответствующего атомного ядра.

Их радиус находится в порядке n-10″, e см, поэтому площадь, занимаемая самим ядром, не превышает 10 ″ см.Эта величина считается единицей поперечного сечения («b ar i»).Значение o для конкретного ядерного процесса рассчитывается на основе экспериментальных данных. Полное эффективное поперечное сечение (ЭПС) ядра обычно состоит из поперечного сечения захвата (а») и поперечного сечения рассеяния (ОП).То есть, оо » — fop.

In в случае быстрых нейтронов он относительно невелик и естественно увеличивается по мере роста ядра. size. As в качестве примера сравним значения О для нейтронов с энергией 90 МэВ. Ядро….. ’Н Д С К О Ал Ди так П У О……. 0.08 0.12 0.43 0.С5 0.66 0.77 1.12 1.38 2.22 3.28 4.53 5.03 Индивидуальные свойства атомных ядер при воздействии высокоскоростных нейтронов выявляются редко. Напротив, при воздействии тепловыми нейтронами они играют главную роль, а поперечные сечения захвата и рассеяния оказывают различное воздействие： Ядро….. * П б н о-л КР П Би би ю ОС…… 0.33 0.009 755 0.0037 1.88 0.0002 0.24 2450 0.17 0.034 7.6 Х5 Или…… 20 6.1 3 4.8 10 4.1 1.5 «5.3 13 9.2 10 8.2

Наиболее активным по отношению к захвату тепловых нейтронов является гадолиний (o = 46000), а наименее активным-гелий(o * = 0).Кислород (oe «0,0002) и дейтерий (o» = 0,00057).Насколько тонкая характеристика ядра определяет величину o *видно из того, что в эли Oe = 945, в 7Li она составляет всего 0,033, а высокая радиоактивность кадмия по отношению к тепловому захвату нейтронов составляет почти 5Cd (12,3% изотопа в изотопной смеси). РНС. XVI-39 показывает, что поперечное сечение захвата сильно зависит от энергии нейтрона. Нейтронов кадмием.

9) очень важной для детектирования нейтронов (особенно медленных нейтронов) является ядерная реакция, которая протекает легко по схеме ’ °V h- * * 7Li + A. поскольку этот процесс представляет собой лихорадку(2,8 МэВ), полученное ядро обладает достаточной кинетической энергией для ионизации соседних молекул. Когда определенное количество BE *вводится в конденсационную камеру или ионизационный счетчик, описанные выше реакции позволяют обоим устройствам обнаруживать входящие в них нейтроны. Аналогично, вы можете создать нейтронную чувствительность films.

As это видно из рисунка XVI-40.Чем меньше вероятность того, что бор поглотит нейтроны, тем больше энергия. 10) средняя скорость медленного нейтрона составляет порядка 10-10 см /С, поэтому соответствующая длина волны равна углу или его 10 минутам 1 (III§ 4 доп. 10).Поэтому при взаимодействии с кристаллической плоскостью направленный поток низкоскоростного нейтрона подвергается нормальной дифракции (в отличие от рентгеновских лучей и электронов, обусловленных только атомным ядром).Это позволило разработать нейтронно-дифракционные методы исследования структуры.

Это, как правило, похоже на дифракцию электронов (XII§ 2, доп. 22).Например, на рисунке XV1-41 показана нейтронная дифракционная картина кристаллов NaCl (фиксированная). 11) некоторые особенности дифракции нейтронов являются очень ценными и открытыми. prospects. So при сильном рассеянии нейтронов водородом пространственное расположение атомных ядер может быть установлено непосредственно (иначе недоступно).

Например, с помощью нейтронной дифракции было доказано, что протоны занимают центральное положение HF-ионов. С другой стороны, при наличии водородной связи льда(рис. IV-22) Протон непрерывно колеблется по схеме O — H — 0 ** O — H-O. Рассеяние низкоскоростных нейтронов, которые сильно варьируются в зависимости от околоатомного номера металла, позволяет изучать внутреннюю структуру сплава.

Есть интересные признаки. Ее нейтронная бомбардировка резко увеличивает твердость меди. 12) Человеческое тело состоит в основном из легких атомов, поэтому, когда нейтроны падают, они быстро теряют энергию. Эффект, вызываемый ими, по своей природе аналогичен действию рентгеновских или гамма-лучей. Они концентрируются не в тяжелой (костной), а в легочной ткани организма. Эта ситуация может служить осевым медицинским применением потока нейтронов. ’00 WOMtf Ряса. XVMO. Вероятность поглощения нейтронов бором. Ряса. XVI-4!。 Неядерная диаграмма кристаллов NaCl.

Смотрите также:

Предмет химия

Изотопы	Искусственная радиоактивность
Состав атомных ядер	Деление ядер