Превращение химических элементов

Мы сосредоточились на получении энергии. Но смотрите, что происходит: от атомного ядра отщепляются (или наоборот присоединяются) протоны. А мы знаем, что химический элемент определяется количеством протонов в ядре.

Так что же получается: можно добавить в ядро несколько нуклонов или удалить их оттуда, то есть превратить атом в любой другой? Действительно, все многообразие химических элементов так и образовалось. До сих пор во вселенной самый распространенный элемент – водород, а его ядра – это отдельные протоны, и путем их соединения в процессе развития вселенной образовывались другие элементы.

Получается, можно взять атом свинца, забрать три протона и получить атом золота, как мечтали алхимики?

Не все так просто, чтобы свободно комбинировать нуклоны и получать из них ядра любых элементов. В большинстве случаев потенциальный барьер для желаемого превращения очень велик, чтобы его было легко преодолеть, и проще этот элемент найти где-то в природе в готовом виде. Но когда мы все же проводим ядерные реакции, пусть с главной целью получить энергию, мы должны иметь в виду, что при этом происходит превращение химических элементов.

Период полураспада

Мы рассмотрели самую простую модель, поведение одного протона, и при этом не обращали внимания на свойства самого ядра. Энергетически выгодным может быть отделение от ядра не одного протона, а, например, ядра гелия – оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Потенциальный барьер для перехода в такое состояние может быть меньше, чем потенциальный барьер для отделения одного протона. Бывает, когда пытаешься отломать от плитки шоколада маленький кусочек, отламывается целый ряд, потенциальный барьер такого надлома меньше (см. рис. 6).

Рис. 6. Потенциальный барьер для отделения атома Не

Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые как-то между собой взаимодействуют. Важно, сколько в ядре протонов, сколько нейтронов и как они расположены, от этого зависит соотношение электрических и ядерных сил, действующих в этом ядре. В нашей модели это определит форму графика энергии, с которым мы работаем.

У ядер некоторых атомов потенциальный барьер высокий, такие ядра стабильны: нужно сильное воздействие, чтобы такое ядро распалось. Ядра некоторых атомов имеют небольшой потенциальный барьер или вообще его не имеют. Таким ядрам для распада достаточно сообщить небольшую энергию, это то начальное воздействие, которое провоцирует распад ядра. А если барьера нет, то такие ядра распадаются самопроизвольно, они нестабильны, их время жизни составляет доли секунды (см. рис. 7).

Рис. 7. Примеры потенциальных барьеров нестабильных элементов

Именно элементы с небольшим потенциальным барьером являются радиоактивными, их ядра время от времени распадаются, излучая альфа-частицы, электроны и т. д. (виды радиоактивного излучения вы знаете). Часто дополнительный нейтрон делает ядро атома менее стабильным. Например, углерод стабилен, а (в его ядре на 2 нейтрона больше) радиоактивен.