Наука и удивительное (Вайскопф) - страница 80
Изотопы и радиоактивность
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Протон заряжен, а нейтрон электрически нейтрален, поэтому заряд ядра определяется числом протонов. Величина этого заряда играет очень важную роль, так как она определяет род атома, построенного вокруг ядра, и поэтому характеризует элемент, которому принадлежит данное ядро. Нейтроны служат только «клеем», они помогают удержать протоны в ядре.
Ядерные силы действуют наиболее эффективно в тех случаях, когда число нейтронов приблизительно равно или несколько больше числа протонов. Так устроено большинство ядер. Например, ядро гелия (его заряд — две единицы) состоит из 2 протонов и 2 нейтронов; ядро углерода содержит 6 протонов и 6 нейтронов, ядро азота — 7 протонов и 7 нейтронов.
Иногда определенное число протонов образует ядра с различным числом нейтронов. Эти различные ядра принадлежат одному и тому же элементу (элемент определяется числом протонов), но с различным весом. Два вида одного и того же элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов в их ядрах и, следовательно, атомным весом; они называются изотопами. Например, существуют изотоп обычного углерода — его ядро содержит 6 протонов и 7 нейтронов — и изотоп обычного азота — его ядро содержит 7 протонов и 8 нейтронов. Изотопы углерода обозначаются символами С>12 и С>13, а изотопы азота — N>14 и N>15. Верхний индекс показывает общее число частиц (нейтронов и протонов), составляющих ядро. Изотопы С>13 и N>15 встречаются гораздо реже обычных С>12 и N>14.
Почему в ядро углерода нельзя поместить больше (например, 8) или, наоборот, меньше (например, 5) нейтронов? Тогда мы получили бы изотоп углерода с общим числом частиц, равным 14 или 11, т. е. С>14 или С>11. Это и на самом деле возможно, С>11 и С>14 можно получить в ускорителях. Однако в таких ядрах с их аномальным избытком или недостатком частиц одного рода происходит странное явление.
Это явление, наблюдаемое во всех случаях, когда между числом нейтронов и числом протонов нарушается баланс, называется радиоактивностью. Медленно, но верно протон сам собой превращается в нейтрон, если протонов слишком много, как в С>11, или нейтрон превращается в протон, если есть аномальный избыток нейтронов, как в С>14. Тогда из С>11 получается ядро с 6 нейтронами и 5 протонами, т. е. ядро бора В>11; С>14 превращается в ядро с 7 протонами и 7 нейтронами, т. е. в ядро азота N>14 (рис. 45).
Рис. 45. Радиоактивное превращение С>14 в N>14. Один нейтрон превращается в протон, испуская отрицательный электрон (е