Ионизирующее излучение и термоядерный синтез

Излучение невидимо, но оставляет следы в веществе. Ядра могут делиться или соединяться, а частица с античастицей — превращаться в новые частицы. Проследим во всех случаях, куда передаётся энергия и что именно меняется.

Когда излучение передаёт атому достаточно энергии, электрон может стать свободным, а атом — ионом. Так происходит ионизация. В молекулах подобные взаимодействия могут менять связи; в живой ткани возможны повреждения клеток. Последствия определяются полученной дозой, видом излучения и условиями, а не одним фактом невидимости или названием источника. Доза описывает воздействие на вещество; для оценки эффекта нужно учитывать, как и где передана энергия.

Представим неизменные условия облучения: за каждую секунду ткань получает одну и ту же добавку дозы. Тогда удвоение времени удваивает дозу, а уменьшение времени вдвое уменьшает её вдвое. Это справедливо при постоянной мощности дозы — темпе её накопления. Время t выражают в секундах или другой согласованной единице. Если источник ослабевает, расстояние меняется или появляется экран, одного t для сравнения уже недостаточно.

При внешнем облучении сократить время, увеличить расстояние или поставить подходящий экран — значит изменить получение энергии от источника. Но эффективность зависит от геометрии, вида и энергии излучения. Отдельно стоит загрязнение: радиоактивное вещество оказывается на поверхности или внутри объекта и само продолжает испускать излучение. Поэтому облучение и загрязнение не синонимы; один и тот же экран не решает все возможные ситуации.

Альфа-частицы быстро теряют энергию и плохо проходят через наружные слои, однако альфа-излучающее вещество при попадании внутрь может облучать близкую живую ткань. Бета-излучение задерживают подходящие материалы; гамма-излучение обычно требует более массивных экранов и постепенно ослабляется в них. «Проникает глубже» не равнозначно «опаснее при любых условиях»: нужно знать, где источник, какую энергию передаёт и какую дозу получает ткань.

Можно ли получить энергию не разделением, а соединением ядер? При синтезе лёгкие ядра образуют более тяжёлые продукты. Выделение энергии происходит, если их суммарная масса меньше массы исходных частиц; разность связана с энергией через c². Это тот же критерий энергетической выгоды, что и при делении, но состав перестраивается иначе. Само слово «соединение» не гарантирует выделения энергии для любых выбранных ядер.

Почему подходящие ядра не соединяются сразу при обычной температуре? Положительные заряды электрически отталкиваются и мешают тесному сближению. Высокая температура означает большие скорости частиц и повышает вероятность реакции; точное описание сближения требует квантовой физики. Для значительного термоядерного синтеза нужны также достаточная плотность и время удержания плазмы — вещества со свободными зарядами. Один короткий нагрев ещё не обеспечивает много реакций.

В звёздах реакции синтеза лёгких ядер могут образовывать более связанные системы и выделять энергию. В земных исследованиях важен пример: дейтерий и тритий, изотопы водорода, дают ядро гелия и нейтрон. Заряд сохраняется: два начальных протонных заряда переходят ядру гелия, нейтрон нейтрален. Такая проверка не вычисляет вероятность реакции, но помогает отличить допустимое превращение от схемы, нарушающей сохранение заряда.

Если протон так мал, обязательно ли он элементарный? Нет: размер не определяет это название. Элементарной называют частицу, у которой не обнаружено внутренней структуры. Электрон служит примером; протон и нейтрон имеют состав из кварков. Это утверждение опирается на исследования взаимодействий, а не на возможность увидеть частицу обычным микроскопом. «Элементарная» означает границу обнаруженной структуры в принятом физическом описании.

У электрона есть античастица — позитрон: та же масса и противоположный электрический заряд. Для других пар частиц и античастиц массы также одинаковы, а соответствующие зарядовые характеристики противоположны. Однако античастица не обязана быть электрически заряженной: существуют нейтральные античастицы. Поэтому правило «анти — значит просто минус перед электрическим зарядом» недостаточно для всех свойств; электронная пара лишь самый наглядный пример.

При взаимодействии частицы с античастицей возможна аннигиляция: исходная пара превращается в другие частицы, например фотоны. Это не бесследное исчезновение массы и энергии. Энергия покоя и движения исходной системы входят в энергию продуктов, а полный импульс сохраняется. Если исходная пара покоилась как целое, продукты должны в сумме иметь нулевой импульс. Фотоны могут уносить энергию и импульс, хотя не имеют электрического заряда.

Вернёмся к полураспаду и закроем образец в сосуде. Через каждый период в среднем остаётся половина текущего количества исходного изотопа, но распавшиеся ядра превратились в другие частицы и ядра. Многие продукты могут остаться внутри. Поэтому уменьшение массы именно исходного изотопа не означает такого же уменьшения массы всего содержимого. Нужно назвать, что считаем: исходные ядра, продукты или полную систему с переданной энергией.

В закрытом образце было 80 г одного радиоактивного изотопа. Его период полураспада 4 суток. Сколько исходного изотопа ожидается через 12 суток?

Время 12 суток и период 4 суток выражены в одинаковых единицах. Прошло t/T = 12/4 = 3 периода.

Считаем массу только ещё не распавшегося исходного изотопа. Каждый период она в среднем уменьшается вдвое: 80 → 40 → 20 → 10 г.

Проверка: 80·2⁻³ = 10 г, то есть одна восьмая начального изотопа. Остальные исходные ядра превратились в продукты распада, которые могут оставаться в закрытом образце.

В среднем останется 10 г исходного изотопа. Это не общая масса содержимого сосуда: в нём могут находиться также продукты распада.

Ионизация объясняет передачу энергии веществу, но эффект зависит от дозы, вида и условий воздействия.

Деление и синтез перестраивают ядра по-разному; выделение энергии в обоих случаях связано с меньшей массой продуктов.

Аннигиляция превращает частицы, сохраняя энергию и импульс; распад также не означает бесследного исчезновения вещества.

В следующем классе вернёмся к этим идеям с более точными моделями движения, вещества и полей.