«Наше ядерное будущее: факты, опасности и возможности»

калий⁴⁰ → кальций⁴⁰ + электрон + нейтрино,

(1,1 миллиарда лет)

и

калий⁴⁰ + электрон → аргон⁴⁰ + нейтрино.

(11 миллиардов лет)

Кальций⁴⁰ и аргон⁴⁰ — оба являются стабильными ядрами. За второй реакцией немедленно следует испускание гамма-луча аргоном⁴⁰. Один процент аргона, обнаруженный в земной атмосфере, почти полностью происходит из второй реакции. Эти радиоактивные процессы также интересны тем, что заметные количества калия⁴⁰ всегда присутствуют в тканях человека.

Все ядра в конце периодической системы являются радиоактивными альфа-излучателями. Уран, например, не имеет стабильных изотопов; все они претерпевают альфа-распад. Но существует другой способ спонтанного распада урана, который встречается гораздо реже, чем альфа-распад, но имеет гораздо большее практическое значение. Это процесс деления ядер.

Процесс деления ядер похож на альфа-распад тем, что ядро распадается на два фрагмента. Главное различие между этими процессами заключается в относительных массах фрагментов. При альфа-распаде U²³⁸, например, один фрагмент имеет массу четыре, а другой 234. В процессе деления фрагменты стремятся быть более близкими по массе. Например, один может весить 90, а другой 148. Другие комбинации масс также возможны.

Объяснение спонтанного деления в сущности такое же, как и для альфа-распада. Однако спонтанное деление — менее вероятный процесс, потому что два фрагмента сильнее связаны друг с другом ядерными силами, чем в случае альфа-распада. Нужно занять больше энергии, и на более долгий срок, чтобы преодолеть энергетический барьер.

Относительную вероятность спонтанного деления и альфа-распада можно оценить по следующему факту. За один час в одном грамме U²³⁸ происходит около 45 миллионов альфа-распадов, но только около 25 спонтанных делений.

Как только энергетический барьер преодолен, энергия, высвобождаемая при альфа-распаде или спонтанном делении, пропорциональна зарядам двух фрагментов. Для альфа-распада произведение зарядов равно 2 × 90 = 180; для спонтанного деления это произведение обычно составляет около 40 × 52 = 2080. Следовательно, можно было бы ожидать, что высвобождение энергии при делении будет в 10–15 раз больше, чем при альфа-распаде. На самом деле высвобождение энергии при делении даже больше, чем указывает эта оценка, будучи примерно в 30–50 раз больше, чем при альфа-распаде. То, что высвобождается такое огромное количество энергии, является очень важной особенностью процесса деления с точки зрения практического использования атомной энергии.

Находясь в конце периодической системы, уран требует большого отношения нейтронов к протонам для своей максимальной стабильности. Фрагменты деления, однако, лежат в середине системы элементов, требуя гораздо меньшего отношения нейтронов к протонам для стабильности. Это имеет два последствия.

Одно из них заключается в том, что сами фрагменты могут оказаться нестабильными. Они будут претерпевать бета-распад (испускание электрона) несколько раз подряд, прежде чем будет достигнута стабильная комбинация нейтронов и протонов. Эта радиоактивность продуктов деления представляет собой потенциальную опасность при любом практическом применении энергии деления ядер. В последующих главах этой книги мы рассмотрим, в частности, возможную опасность от радиоактивных осадков продуктов деления, создаваемых при ядерных взрывах, а также опасность, связанную с эксплуатацией и обслуживанием ядерных реакторов.

Второе последствие избытка нейтронов заключается в том, что нейтроны могут испаряться из фрагментов сразу после того, как произошел процесс деления. Это может произойти потому, что в процессе деления внутри фрагментов генерируется много беспорядочного внутреннего движения, и эти фрагменты не особенно сильно удерживают свои нейтроны. Практическую ценность высвобожденных нейтронов мы подробно обсудим в следующей главе. Пока мы лишь упомянем, что эти нейтроны обеспечивают механизм, благодаря которому становится возможной цепная реакция.

Спонтанное деление и альфа-распад ответственны за тот факт, что элементы с зарядом более 92 не встречаются в природе. Мало сомнений в том, что эти элементы были созданы в самом начале. Но они давно распались.

Интересным случаем спонтанного деления ядер является калифорний²⁵⁴ (заряд 98) с периодом полураспада 55 дней. Этот изотоп образуется в больших количествах при определенных звездных взрывах, называемых сверхновыми. Раз в тысячелетие одна из миллиарда звезд вспыхивает с невероятной яркостью. В течение нескольких недель эта единственная звезда сияет с совокупной энергией и блеском миллиарда обычных звезд — затем она постепенно угасает. Такая «новая» звезда (нова) с величайшей силой излучения называется «сверхновой».

Мы полагаем, что в сверхновой происходит множество ядерных реакций. Было замечено, что через несколько недель после первоначальной вспышки света интенсивность света уменьшается почти ровно в два раза каждые 55 дней в течение года или около того. Это именно то, чего можно было бы ожидать, если бы энергия, генерируемая в звезде в это время, была обусловлена спонтанным делением калифорния²⁵⁴. Здесь мы видим модель того, что происходит с природными радиоактивными элементами. Из них на Земле сохранились только те, у которых самые длинные периоды полураспада, такие как уран, торий и калий.

ГЛАВА VI Реакции между ядрами

Алхимики пытались искусственно превратить один элемент в другой. Они использовали тепло, они использовали химикаты; они даже использовали колдовство. Они потерпели неудачу. Их простейший метод — нагревание вещества для его трансформации — был на самом деле верным. Проблема была в том, что их температуры были слишком низкими, более чем в 10 000 раз. Что необходимо, так это температура порядка десятков миллионов градусов.

При таких высоких температурах два ядра могут иногда сближаться, несмотря на электрическое отталкивание между ними. Иногда они могут даже подойти достаточно близко друг к другу, чтобы вступить в ядерную реакцию. Это, конечно, происходит с наименьшими трудностями, если ядерный заряд мал. Ядра водорода, которые несут заряд 1, участвуют в таких реакциях легче всего.

В недрах звезд температуры варьируются от 10 до 100 миллионов градусов, и ядерные реакции действительно происходят. Реакция, ответственная за производство энергии в звездах, такова:

4H¹ → He⁴ + энергия

Четыре протона объединяются, образуя альфа-частицу с высвобождением энергии. На самом деле эта реакция происходит не сразу, а требует нескольких этапов. То, что энергия должна высвобождаться, ожидается из того факта, что альфа-частица очень стабильна. Любой процесс, в котором легкие ядра объединяются с образованием более тяжелого ядра с высвобождением энергии, известен как «термоядерный синтез».

Конкретный процесс синтеза, который происходит в звездах, высвобождает свою энергию во многих формах: в виде позитронов, нейтрино, электромагнитного излучения и движения реагирующих частиц. Позитроны также уносят избыточный заряд реакции.

Нейтрино пролетают сквозь звезду, не взаимодействуя, унося свою энергию в космическое пространство, вероятно, никогда больше не вступая в контакт с материальной Вселенной. Остальная часть энергии синтеза откладывается внутри недр звезды, которые таким образом поддерживаются достаточно горячими, чтобы реакция синтеза могла продолжаться. Название «термоядерный» уместно применяется к этому типу реакции.

Много усилий и воображения посвящается проблеме создания управляемой термоядерной реакции. Мотивация для этого проекта исходит из того факта, что хорошие термоядерные виды топлива, такие как дейтерий (H²), обильны и дешевы. В океанах мира достаточно дейтерия, чтобы обеспечить энергетические потребности человечества на многие миллионы лет. Одна трудность, конечно, заключается в том, чтобы найти контейнер для реакции.

Даже в звездных условиях скорость реакций синтеза не очень велика. Требуется примерно миллиард лет, чтобы прореагировал только один процент ядер. Следовательно, для производства больших количеств энергии за короткое время требуются еще более высокие температуры, чем те, что встречаются в звездах. Но никакие известные материалы не могут выдержать температуры более нескольких тысяч градусов по Цельсию. Одна из идей состоит в том, чтобы удерживать «горящее» топливо вдали от стенок материала с помощью магнитных полей.

Есть ли способ заставить ядра реагировать без экстремальных температур, необходимых в термоядерных реакциях? То, что на самом деле пытаются сделать, — это привести две ядерные частицы в достаточно тесный контакт, чтобы между ними могли действовать ядерные силы. Нет причин, по которым нельзя было бы использовать холодный материал мишени, который бомбардируется снаружи энергичными ядерными снарядами, например протонами или альфа-частицами. Снаряды, если они достаточно энергичны, могут преодолеть электрическое отталкивание ядер мишени и действительно могут проникнуть внутрь. Результирующие «составные» ядра либо были бы нестабильными и мгновенно распадались, либо были бы почти стабильными (т.е. радиоактивными) и распадались через некоторое время. В любом случае в реакции, вероятно, образовались бы ядра новых элементов. Эта процедура звучит просто, но у нее есть свои трудности.

Недра Солнца. Термоядерные реакции происходят в основном в очень горячей, очень плотной центральной области (заштриховано). Эта область имеет радиус около 20 000 миль и плотность примерно в 80 раз превышающую плотность воды.

Главная трудность заключается в том, что ядро — это очень крошечная мишень. Его площадь примерно в 100 миллионов раз меньше площади атома в целом. Если кусок материи бомбардируется энергичной частицей, только случай определит, направлена ли частица к ядру. Конечно, если частица промахивается мимо ядра одного атома, у нее все еще есть возможность попасть в ядра других атомов, которые могут лежать на ее пути. Однако у нее не так много таких возможностей, потому что, будучи заряженной, она постоянно взаимодействует с атомными электронами, которые постепенно поглощают энергию, заставляя частицу замедляться.

По мере замедления частицы ее шанс попасть в ядро уменьшается, даже если она направлена прямо на него, из-за отталкивания между ее зарядом и зарядом ядра. Если частица не обладает достаточной скоростью, она не может преодолеть это отталкивание.

Заряженным частицам можно придать требуемые скорости, ускоряя их через большие электрические поля. Если единичный заряд ускоряется через разность потенциалов в один вольт, он приобретает энергию в один электрон-вольт. Энергии, необходимые для ядерной бомбардировки, составляют порядка нескольких миллионов электрон-вольт, что может быть обеспечено машинами для расщепления атомов, такими как циклотрон.

Даже при таких высоких энергиях очень немногие ядерные снаряды действительно находят путь к ядру мишени. Большинство из них замедляются электронами, тратя свою энергию на нагрев материала мишени. Возможно, одна частица из миллиона будет достаточно удачливой, чтобы вызвать ядерную реакцию.

Если бы целью машин для ускорения ядерных частиц было производство дешевой энергии, они не представляли бы большой ценности. Ядерная реакция может типично высвобождать от пяти до 20 миллионов электрон-вольт энергии. Но чтобы получить эту реакцию, миллион частиц должны были быть ускорены до энергий в несколько миллионов электрон-вольт. Восстанавливаемая и используемая энергия будет лишь ничтожной долей от общего объема вложенной.

С другой стороны, как инструмент для научных открытий, ускорители атомов имели большое значение. То одно событие из миллиона дало нам большую часть наших знаний о ядерной физике.

Достижение ядерных реакций путем бомбардировки частицами на самом деле не дожидалось изобретения искусственных ускорительных машин. Энергичные альфа-частицы доступны при радиоактивном распаде тяжелых элементов. В 1919 году Эрнест Резерфорд использовал такие радиоактивные элементы в качестве источника альфа-частиц. Альфа-частицы бомбардировали обычный азот, вызывая реакцию:

He⁴ + N¹⁴ → O¹⁷ + proton (2 protons) (7 protons) (8 protons) (2 neutrons) (7 neutrons) (9 neutrons)

То есть альфа-частица плюс ядро азота¹⁴ реагируют, образуя ядро (стабильного) кислорода¹⁷ плюс протон. Кислород¹⁷ — это ядро с 8 протонами и 9 нейтронами. Обычная распространенная форма кислорода имеет 8 протонов и 8 нейтронов. Природный кислород содержит небольшое количество кислорода¹⁷.

Позже, в 1934 году, Ирен Кюри-Жолио (дочь первооткрывателя радия, мадам Кюри) и ее муж, Фредерик Жолио, использовали природные альфа-частицы, чтобы впервые создать искусственные радиоактивные ядра. Реакция была такой:

He⁴ + aluminum²⁷ → phosphorus³⁰ + neutron (2 protons) (13 protons) (15 protons) (2 neutrons) (14 neutrons) (15 neutrons)

Фосфор³⁰ — это нестабильное ядро, которое испускает бета-луч (позитрон), превращаясь в кремний³⁰ (который стабилен). Период полураспада для этого распада составляет около 2,5 минут. Реакция Жолио была первым случаем, когда человек произвел радиоактивность и осознал это. На самом деле циклотроны производили радиоактивность в хорошем количестве в течение предыдущих двух лет, но физики не знали об этом факте.

Забавно, что природа также предоставила нам машину для расщепления атомов, и, более того, такую, которая производит гораздо большие энергии, чем любой аппарат, когда-либо созданный человеком. Эта машина работает по принципу флуктуирующих, турбулентных магнитных полей в межзвездном пространстве. Космические частицы — в основном протоны, но также некоторые альфа-частицы и даже более тяжелые ядра — ускоряются этими меняющимися магнитными полями и время от времени выбрасываются в атмосферу Земли. Энергии этих космических частиц огромны, варьируясь от миллиардов электрон-вольт до значений в миллион раз выше.

Когда космическая частица попадает внутрь атмосферы Земли, она не проходит далеко, прежде чем столкнуться с ядром азота или кислорода. Из этого ядерного события выходят все фундаментальные частицы, упомянутые до сих пор, и некоторые другие, известные как мезоны. Мезоны — это частицы, которые могут быть заряженными или нейтральными и которые имеют массу в несколько сотен раз больше массы электрона. Считается, что некоторые из этих частиц связаны с силами, которые удерживают ядро вместе.

Ядерные обломки от столкновения сами будут очень энергичными и будут дальше разрушать другие ядра азота и кислорода. Вскоре развивается каскад электронов, позитронов, мезонов, нейтронов, протонов и электромагнитного излучения, движущихся к поверхности Земли.

Примерно раз в секунду каждый квадратный дюйм атмосферы Земли получает такую энергичную частицу из космоса. Возникающий каскад несет проникающие излучения к поверхности Земли. Все живые организмы постоянно подвергаются этому радиационному фону. Важным фактом является то, что интенсивность этого излучения уменьшается при прохождении через воздух, и жители Денвера или Лимы получают больше космического излучения, чем жители Лос-Анджелеса или Нью-Йорка.

Некоторые нейтроны, созданные столкновениями первичных космических частиц в атмосфере, могут сталкиваться с ядрами азота. Когда это происходит, случается следующая реакция:

nitrogen¹⁴ + neutron → carbon¹⁴ + proton (7 protons) (6 protons) (7 neutrons) (8 neutrons)

Углерод¹⁴ — это радиоактивный электронный излучатель с периодом полураспада 5600 лет. Этот период полураспада достаточно велик, так что большая часть углерода¹⁴ в мире сегодня, вероятно, была создана десять-двадцать тысяч лет назад. Уиллард Либби изучил этот процесс тщательным и количественным образом, проследил историю радиоактивного углерода из атмосферы в живые существа и, измеряя содержание углерода¹⁴ в исторических останках, открыл совершенно новую ветвь археологии.

Живые организмы вдыхают углерод (в форме углекислого газа) из воздуха. Большая часть этого углерода — обычный стабильный углерод¹²; крошечная доля — радиоактивный углерод¹⁴. Организм не способен различить эти два изотопа и поглощает углерод¹⁴ в том же соотношении к углероду¹², которое существует в атмосфере. Это соотношение сохраняется в течение всей жизни организма, но когда организм умирает и углерод больше не ассимилируется, соотношение начинает уменьшаться по мере того, как ядра углерода¹⁴ постепенно распадаются. Наблюдая соотношение углерода¹⁴ к углероду¹² в ископаемых останках и других археологических объектах, можно рассчитать дату, когда наступила смерть. Таким образом был найден возраст древних египетских мумий, и было показано, что некоторая древесина секвойи старше 1500 лет. Измеряя углерод¹⁴ в деревьях, которые были погублены последним наступлением оледенения, и изучая другие останки жизни последнего ледникового периода, удалось показать, что этот последний ледниковый период произошел всего 10 000 лет назад — вместо 20 000 лет, как считалось ранее. Углеродное датирование¹⁴ поэтому полностью пересмотрело наши представления о том, с какой быстротой империи, известные истории, вышли из самых примитивных условий. Решающая часть аргумента заключается в том, что изотопы одного и того же элемента химически неразличимы.

Альтернативная реакция, которая может произойти, когда нейтроны ударяют по азоту, — это

N¹⁴ + neutron → carbon¹² + H³ (7 protons) (6 protons) (1 proton) (7 neutrons) (6 neutrons) (2 neutrons)

H³, тритон, также радиоактивен, претерпевая бета-распад, чтобы стать He³ (2 протона и 1 нейтрон) с периодом полураспада 12,25 лет. Тритоны также могут быть использованы для датировки старых объектов — например, старого вина. Вода в вине не может быть пополнена тритонами космических лучей после того, как вино было разлито по бутылкам. Таким образом, пятьдесят процентов тритонов исчезают каждые 12,25 лет.

У нас здесь два примера ядерных реакций, вызванных бомбардировкой нейтронами. Вспоминая недостатки заряженных частиц как ядерных снарядов для алхимиков, должно, безусловно, казаться, что нейтроны были бы идеальны для этой цели. Будучи незаряженными, они не отталкиваются электрически ядрами и не замедляются постоянно столкновениями с электронами, теряющими энергию. Судьба почти каждого нейтрона, движущегося в большом куске материи, — это конечное столкновение с ядром. Нейтроны — идеальные ядерные снаряды, за исключением одного: их трудно достать.

Протоны и альфа-частицы обильно встречаются в природе как ядра атомов водорода и гелия. Нейтроны, однако, не встречаются в природе и в прошлом создавались в ядерных реакциях, которые сами по себе были инициированы заряженными частицами. Например,

He⁴ + beryllium⁹ → C¹² + neutron (2 protons) (4 protons) (6 protons) (2 neutrons) (5 neutrons) (6 neutrons)

Но теперь мы снова сталкиваемся с трудностью, связанной с заряженными частицами. Только одна альфа-частица из миллиона претерпевает ядерную реакцию, чтобы произвести нейтрон. Нейтрон, конечно, вызывает ядерную реакцию каждый раз. В целом, таким образом, мы получаем две ядерные реакции на миллион ядерных снарядов, вместо одной на миллион. Такими методами мы не намного лучше старых алхимиков. Дешевый и обильный источник нейтронов, однако, поставил бы алхимика в дело. Таким образом можно было бы создавать редкие элементы и радиоактивные изотопы, и, что более важно, он смог бы использовать концентрированную ядерную энергию.

ГЛАВА VII Деление и цепная реакция

Нейтроны — идеальные снаряды для ядерной бомбардировки, потому что они не несут заряда, могут легко приближаться к ядрам и сильно взаимодействовать с ними. Эти нейтральные частицы, открытые Джеймсом Чедвиком в 1932 году, были вскоре после этого использованы Энрико Ферми и его сотрудниками для бомбардировки большинства элементов периодической таблицы. Очень часто в этих экспериментах ядро захватывало нейтрон и становилось нестабильным, имея слишком большой вес для своего заряда. Стабильность затем восстанавливалась бета-распадом, оставляя ядро с одной дополнительной единицей заряда, чем оно имело изначально. В 1934 году Ферми попробовал этот эксперимент с ураном, заряд 92, самым сильно заряженным элементом, известным в то время. Он надеялся создать трансурановый элемент с зарядом 93.

На протяжении экспериментов уран наблюдался с помощью радиоактивных счетчиков и было обнаружено, что он становится гораздо более радиоактивным, чем уран обычно бывает в своем естественном состоянии. Не было способа объяснить всю эту радиоактивность, кроме как предположить, что в процессе бомбардировки нейтронами были образованы новые элементы. Химический анализ не выявил элементов с зарядами между 86 и 91. Из этого доказательства Ферми заключил, что никакие элементы с зарядом меньше 92 не были созданы, и поэтому радиоактивность должна быть обусловлена зарядами больше 92. Он заключил, что трансурановые элементы были созданы в лаборатории.

Ни Ферми, ни кто-либо другой, однако, не был доволен этим заключением. Было слишком большое разнообразие радиоактивности для комфорта. Приходилось предполагать, что создается не только элемент с зарядом 93, но также элементы с зарядами 94, 95 и многие другие. Это было очень трудно понять. Ида Ноддак, химик, опубликовала статью, предлагающую альтернативное объяснение эксперимента: что ядро урана, когда оно захватывает нейтрон, может расколоться на два фрагмента, которые могут иметь любые из различных масс и зарядов. Другими словами, она предположила, что Ферми произвел деление ядер.

Ферми, однако, полагал, что процесс деления — это невозможность. У него было убедительное доказательство, основанное на измеренных значениях масс ядер и формуле Эйнштейна E = mc². Из этой формулы Ферми рассчитал энергию, высвобождаемую, когда уран распадается на две части; затем он принял во внимание энергию электрического отталкивания между частями и обнаружил, что энергетический барьер настолько велик, что процесс деления не может произойти. Это доказательство было абсолютно верным. Единственная проблема была в том, что измеренные значения масс ядер оказались неточными в то время!

Если бы не эта случайность, деление было бы открыто в 1934 году, а не в 1938-м. Если бы это произошло, нацистская Германия могла бы легко стать первой страной, создавшей атомную бомбу. В то время некоторые немецкие ученые были активны в области военных применений. Американские физики еще не уделяли много внимания этому предмету.

Важной особенностью эксперимента Ферми является большое количество и разнообразие радиоактивности, которую он обнаружил. Причина этого разнообразия, как мы теперь знаем, заключается в том, что процесс деления не происходит уникальным образом. Два первичных фрагмента деления очень редко равны по массе и заряду. В среднем более легкий фрагмент весит около 90, а более тяжелый — около 140. Иногда более легкий фрагмент будет весить всего 75, а более тяжелый — до 160. По мере изменения массы, конечно, меняется и заряд. Заряд более легкого фрагмента в среднем равен 38, что является стронцием, а более тяжелого — 54, что является ксеноном. В общей сложности среди первичных фрагментов деления представлено более ста различных видов ядер.

Практически все эти ядра радиоактивны и претерпевают три или четыре распада, прежде чем достичь стабильности. В целом, таким образом, несколько сотен различных радиоактивных видов создаются процессом деления в уране. Элементы с зарядами 43 и 61 (которые не встречаются в природе) были идентифицированы как продукты деления в довольно заметных количествах. Большинство продуктов деления — это короткоживущие электронные и гамма-излучатели, которые могут способствовать только локальной и немедленной радиоактивной опасности. Два из долгоживущих продуктов обильны и важны. Это цезий¹³⁷ и стронций⁹⁰.

Цезий¹³⁷ имеет период полураспада 30 лет и испускает гамма-луч с энергией 0,6 миллиона электрон-вольт. Стронций⁹⁰ имеет период полураспада 28 лет и испускает электрон со средней энергией 0,22 миллиона электрон-вольт. Дочернее ядро в этом процессе — иттрий⁹⁰, который испускает еще один электрон со средней энергией один миллион электрон-вольт. Период полураспада иттрия⁹⁰ составляет 64 часа. В итоге, таким образом, стронций⁹⁰ испускает два электрона, каждый со средней энергией 0,6 миллиона электрон-вольт. Для долгосрочной радиоактивной опасности, особенно глобальных осадков, связанных с ядерными взрывами, два изотопа цезий¹³⁷ и стронций⁹⁰ являются наиболее значимыми. Стронций⁹⁰ более опасен для живых организмов, потому что он откладывается в костях и удерживается в организме в течение длительных периодов.

Помимо радиоактивности, есть еще одна особенность процесса деления, которая настолько заметна, что может показаться трудным понять, как Ферми не заметил ее — а именно большое количество высвобождаемой энергии. Деление одного ядра урана высвобождает энергию в 200 миллионов электрон-вольт, в отличие от обычных энергий радиоактивного распада в 5–10 миллионов электрон-вольт. (Энергия, высвобождаемая при сгорании одного атома угля, составляет всего 4 электрон-вольта.)

Из 200 миллионов электрон-вольт, высвобождаемых при делении, около 10 миллионов уходят в гамма-лучи и нейтроны, созданные в самом процессе деления. Эта энергия способствует немедленной и локальной радиационной опасности. Еще 24 миллиона электрон-вольт уходят в радиоактивность продуктов деления, и из этого около половины уходит в нейтрино, которые не являются ни опасными, ни полезными; другая половина переносится электронами и дает начало отложенной радиоактивной опасности. Но основная часть энергии, более 160 миллионов электрон-вольт, уходит в кинетическую энергию двух первичных фрагментов деления. Из этой суммы 100 миллионов, в среднем, достаются более легкому фрагменту.

Фрагменты деления со ста миллионами электрон-вольт, безусловно, должны были быть замечены радиоактивными счетчиками Ферми — если бы они могли достичь счетчиков. Фрагменты, однако, не смогли достичь счетчиков. Причина в том, что Ферми был осторожным работником. Он знал, что его образец урана будет испускать некоторые радиоактивные частицы даже до бомбардировки нейтронами. Эту естественную радиоактивность он не хотел смешивать с радиоактивностью, которая была бы произведена в эксперименте. Поэтому он поместил поглощающую фольгу между образцом урана и радиоактивными счетчиками. Фрагменты деления не могли пройти через фольгу.

Забавно, что вскоре после этого другой известный физик повторил эксперимент Ферми, но на этот раз без фольги. Он сообщил, что не смог получить никаких значимых результатов, потому что его счетчик, по неизвестным причинам, начал искрить.

Таким образом, деление оставалось секретом. Но в Англии Лео Силард получил патентные документы на ядерную цепную реакцию. Он указал, что в некоторых ядерных реакциях могут высвобождаться свободные нейтроны. Эти нейтроны могут затем преуспеть в производстве дальнейших реакций, которые произведут больше нейтронов. При условии, что по крайней мере один нейтрон, созданный в каждой реакции, был способен вызвать реакцию в другом ядре, произошла бы цепная реакция.

Главная проблема, конечно, заключалась в том, чтобы избежать чрезмерных потерь нейтронов. Есть два способа, которыми потери в основном происходят. Один — это расточительный, нерепродуктивный захват в ядрах; другой — утечка нейтронов с поверхности материала. Эту вторую потерю, показал Силард, можно минимизировать, используя достаточно большое количество цепно-реагирующего материала.

Суть в том, что нейтрон, рожденный в ядерной реакции, должен пройти в среднем определенное расстояние, прежде чем он сможет произвести другую реакцию. Если размер цепно-реагирующего материала намного меньше этого расстояния, практически все произведенные нейтроны смогут вырваться через поверхность материала, и никакая цепная реакция не будет возможна. Если размер материала велик по сравнению с этим расстоянием, потеря на утечку становится ничтожной, и возможность цепной реакции зависит полностью от величины первого вида потерь, расточительных захватов в ядрах. Если эта потеря не слишком велика и цепная реакция возможна, будет критический размер материала, при котором в среднем ровно один нейтрон на реакцию сможет вызвать другую реакцию. Просто критическая цепная реакция такого рода — это то, что нужно для ядерного реактора.

Если размер материала больше критического размера, в среднем более одного нейтрона на реакцию вызовет другую реакцию, и цепная реакция выйдет из-под контроля. Если, например, два нейтрона могут вызвать другую реакцию, будет два нейтрона после первого поколения, четыре после второго, восемь после третьего и так далее. Это принцип атомной бомбы.

Примерно через 80 поколений заметная доля всех ядер в материале претерпит ядерную трансформацию, и будет высвобождено так много энергии, что материал не останется вместе даже на короткое время, необходимое для производства следующего поколения. Весь материал начинает разлетаться, система становится подкритической, и цепная реакция останавливается. Весь процесс длится лишь долю микросекунды.

Таким образом, еще до того, как было открыто деление, Силард заложил основу для создания атомной бомбы и ядерного цепного реактора. В качестве материалов, в которых цепная реакция могла бы мыслимо быть создана, он назвал торий, уран и бериллий. Насчет бериллия он ошибся, потому что масса этого атома была известна неверно. Насчет тория его догадка была хорошей. Насчет урана он попал в яблочко.

Наконец, в декабре 1938 года секрет был раскрыт. Ган и Штрассман в Германии сделали химический анализ мишени из урана, которая была подвергнута воздействию нейтронов. Они были гораздо более тщательными, чем предыдущие исследователи, и они нашли барий, заряд 56, которого не было в материале мишени до эксперимента. Единственным возможным объяснением был процесс деления. В течение нескольких недель были найдены мощные толчки, вызванные продуктами деления в счетчиках, и в последующие дни этот эксперимент был повторен по всему миру.

Не было сомнений, что нейтроны могут вызвать деление в ядрах урана. Еще несколько недель, и было установлено, что процесс деления высвобождает нейтроны, которые могут привести к большему количеству делений.

Цепная реакция, однако, была все еще далека от реальности. Нильс Бор и Джон Уилер доказали, что нейтрон не может вызвать деление в U²³⁸, если его энергия не превышает примерно один миллион электрон-вольт. Когда нейтроны впервые создаются в процессе деления, многие из них действительно имеют энергии выше одного миллиона электрон-вольт. Но прежде чем они могут вызвать деление, они обычно совершают несколько столкновений без деления с ядрами урана, отдавая часть своей энергии ядрам и улетая с остатком. Ядра тогда остаются со слишком малым количеством энергии, чтобы претерпеть деление, а нейтроны — со слишком малым количеством энергии, чтобы вызвать деления при своих следующих встречах. Таким образом, слишком мало нейтронов воспроизводят себя, и никакая цепь невозможна.

Бор и Уилер предположили, однако, что редкий изотоп урана, U²³⁵, может претерпеть деление, когда любой нейтрон, даже медленный нейтрон, ударяет его. Таким образом, цепная реакция возможна в U²³⁵. Это было подтверждено экспериментально вскоре после этого Джоном Даннингом и Альфредом Дриром и их сотрудниками в Колумбийском университете.

Почему изотопы 235 и 238 ведут себя так по-разному, понять несложно. 235 более взрывоопасен и более склонен к делению, чем 238, потому что он меньше, и поэтому его протоны отталкиваются друг от друга сильнее. Еще важнее то, что когда нейтрон захватывается 235, он приобретает большую кинетическую энергию в силу короткодействующего ядерного притяжения, чем нейтрон приобретает, когда он захватывается 238. Это происходит по той простой причине, что ядра стремятся быть более стабильными, когда они имеют четное число нейтронов (или протонов), чем когда они имеют нечетное число. U²³⁵, имея нечетное число нейтронов, более охотно принимает дополнительный нейтрон, чем 238, который уже имеет четное число нейтронов. Следовательно, захват медленного нейтрона 235 почти всегда заканчивается процессом деления; в то время как в 238 избыточная энергия, внесенная нейтроном, просто выбрасывается из ядра в форме гамма-луча, и U²³⁸ становится U²³⁹.

Цепная реакция возможна в U²³⁵, но необходимо отделить этот редкий изотоп от обильного U²³⁸. Процесс разделения совсем не прост, поскольку изотопы одного и того же элемента химически неразличимы. Даже разница в весе в этом случае составляет немногим более одного процента. Бор отверг идею крупномасштабного разделения с замечанием: «Вам пришлось бы превратить всю страну в фабрику». Конечно, теперь это дело истории, что работа была на самом деле выполнена в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны. Во время войны Бор (псевдоним Николас Бейкер) снова посетил Соединенные Штаты, и ему показали заводы по разделению. Он сказал: «Видите, я был прав. Вы действительно превратили страну в фабрику».

Природный уран содержит U²³⁵ в соотношении 1 часть к 139 частям U²³⁸. Сначала надеялись, что этой концентрации будет достаточно для создания цепной реакции и что дорогостоящих процессов обогащения можно будет избежать. Это казалось возможным, потому что при энергиях доли электрон-вольта нейтроны гораздо легче захватываются U²³⁵, чем U²³⁸, что компенсирует низкую концентрацию. На самом деле нейтроны замедляются до тех пор, пока их энергия не станет такой же низкой, как энергия всех других частиц, участвующих в общем движении, вызванном температурой. Эта энергия достаточно низка для этой цели.

Однако нейтроны образуются в процессе деления ядер с энергией около миллиона электрон-вольт. Прежде чем они достаточно замедлятся, они должны пройти стадию, на которой их энергия составляет около 7 электрон-вольт. Вблизи этого уровня энергии вероятность захвата нейтрона ядром U²³⁸ с превращением в U²³⁹ становится чрезвычайно высокой. Вблизи некоторых других уровней энергии необходимо преодолеть аналогичные, хотя и меньшие, барьеры поглощения. Поэтому природный уран сам по себе не может быть использован для осуществления цепной реакции. В 1940 году Ферми и Силард, работавшие в то время в Соединенных Штатах, нашли способ обойти эту трудность.

Их хитрость заключалась в том, чтобы смешать природный уран с материалом, ядра которого настолько легкие, что при ударе нейтроном они испытывают сильную отдачу и, таким образом, поглощают значительную часть энергии нейтрона. Нейтрон, таким образом, быстро и большими скачками замедляется до низкой энергии, так что он либо не проводит много времени при неблагоприятных энергиях, где может быть захвачен U²³⁸, либо вовсе минует эти уровни энергии. Если поместить уран в замедляющий материал в виде кусков, а не делать из них однородную смесь, поглощение можно обойти еще лучше.

Для создания управляемой цепной реакции можно использовать метод обогащения, метод замедления или оба сразу. Но для получения бурной цепной реакции, то есть атомной бомбы, сработает только метод обогащения. Причина в том, что вся энергия бомбы должна выделиться за время, которое не превышает время разлета бомбы, а это доли микросекунды. Если бы использовался природный уран, реакция была бы медленной и вялой и прекратилась бы до того, как прореагировала бы значительная часть ядер.

Интересно отметить, что вещества, способные к цепной реакции, можно было бы легко получить шесть миллиардов лет назад, до того как U²³⁸ успел распасться и стать редким изотопом. (U²³⁵ тогда был примерно так же распространен, как U²³⁸.) Химическое разделение все равно потребовалось бы, поэтому нам не нужно воображать, что смеси, способные к цепной реакции, самопроизвольно накапливались на молодой Земле.

С другой стороны, через шесть миллиардов лет U²³⁵ станет настолько редким, что запустить реактор с помощью замедления будет невозможно. В то же время разделение изотопов станет крайне дорогостоящим, поскольку содержание изотопа, подлежащего выделению, составит менее 100 частей на миллион. Тем, кто любит беспокоиться о далеком будущем, мы поспешим добавить, что другие способы получения атомной энергии останутся возможными. И в любом случае есть веские основания полагать, что некоторые звездные взрывы производят свежие запасы U²³⁵, которые космические торговцы, несомненно, смогли бы сделать доступными.

Что касается наших нынешних земных запасов: уран, как и другие тяжелые элементы, довольно редок. Но Земля разделена на слои, верхние 10 миль которых, образующие нечто вроде шлака или пены, содержат довольно много редких соединений. В частности, почти весь уран нашей планеты удобно собран прямо у нас под ногами, чтобы мы могли использовать его по своему усмотрению.

ГЛАВА VIII Действие радиации на вещество

Когда энергичная частица движется сквозь вещество (живое или неживое), происходящее является вопросом химии. Химия — это наука, которая занимается расположением и перегруппировкой электронов в атомах и молекулах. Химическая перегруппировка обычно требует энергии в районе нескольких электрон-вольт. (Как мы видели, электрон-вольт — это энергия, высвобождающаяся при перемещении электрона через потенциал в один вольт, то есть чуть меньше одного процента движущей силы в стандартной электрической розетке.) Энергичная частица, подобная той, что может испускаться при радиоактивном распаде, обычно обладает энергией в несколько миллионов электрон-вольт. Таким образом, одна такая частица обладает потенциалом для совершения около миллиона химических перегруппировок.

Энергичные частицы могут быть заряженными или нейтральными, легкими или тяжелыми, или иметь электромагнитную природу. Из-за этого разнообразия можно было бы подумать, что нет общих оснований для сравнения действия на вещество различных частиц. Можно было бы предположить, что каждая частица создает свой собственный неповторимый вид химических перегруппировок. На самом деле это не так.

В отличие от некоторых химических ядов, которые ищут специфические молекулы в нашем организме, энергичные частицы поражают любые атомы или молекулы, которые попадаются им на пути. В этом смысле они действуют как кувалда. Их воздействие можно измерить непосредственно по силе (или энергии) удара. Не имеет большого значения, какая именно частица наносит удар, при условии, что передается то же количество энергии и затрагиваются те же ткани (в случае живого вещества). Однако после удара могут произойти некоторые специфические химические эффекты. Когда вода или какая-либо другая молекула в организме разрушается радиацией, образовавшиеся фрагменты сами могут стать химическими ядами и вторично атаковать биологически важные крупные молекулы. Фактически представляется вероятным, что значительная часть радиационного повреждения, причиняемого живым системам, как в плане здоровья, так и генетически, происходит именно таким образом.

Хотя все энергичные частицы схожи по своему конечному действию на вещество, а именно в производстве массового разрушения атомов и молекул, они несколько различаются тем, как именно они вызывают это разрушение. Заряженные частицы действуют одним способом, гамма-лучи — другим, а нейтроны — еще одним. Проще всего начать наше обсуждение с заряженных частиц.

Наиболее важными заряженными частицами являются те, которые связаны с естественным фоном радиоактивности, космическими лучами и процессом деления ядер. К ним относятся альфа-частицы, бета-частицы, мезоны и осколки деления. Для справки приведена таблица весов и зарядов этих частиц, а также некоторых других. Как обычно, мы использовали вес и заряд протона в качестве единиц измерения.

Particle Weight Charge proton 1 1 alpha 4 2 electron beta rays 1/1840 -1 positron ” 1/1840 1 deuteron 2 1 triton 3 1 meson 1/8 1, -1 average light fission fragment 97 20 average heavy fission fragment 138 22

Если бы осколки деления были полностью лишены своих орбитальных электронов, они имели бы заряды даже большие, чем значения, указанные в таблице. Читатель вспомнит, что средний заряд ядра легкого осколка деления равен 38, а тяжелого — 54. Но такие сильно положительно заряженные частицы оказывают огромное притяжение на электроны. Некоторые из них остаются присоединенными даже во время самого процесса деления. По мере того как продукты деления теряют скорость при прохождении через вещество, они захватывают больше электронов и постепенно теряют свой заряд.

Когда любая из этих энергичных заряженных частиц движется сквозь вещество, она взаимодействует с электронами в атомах. В результате этого взаимодействия электроны могут быть выбиты из своих обычных состояний движения. Если взаимодействие слабое — либо потому, что заряженная частица проходит мимо атома на значительном расстоянии, либо потому, что частица движется так быстро, что взаимодействие длится лишь короткое время, — электрон может остаться невозмущенным. Однако если взаимодействие более сильное, электрон может быть возбужден до более энергичного состояния движения, оставаясь при этом в том же атоме или молекуле; или он может быть фактически выброшен, оказавшись в другом атомном узле. В этом последнем случае исходный атом остается с остаточным положительным зарядом, и говорят, что он ионизирован. В то же время вытесненный электрон склонен соединяться с любым атомом или молекулой, которые оказываются поблизости, создавая таким образом отрицательный ион. Весь процесс можно описать как образование ионной пары. Таким образом, в следе заряженной частицы обнаруживаются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы. Теперь последует перегруппировка атомов, которая приведет к новым химическим соединениям. Однако для нас важно то, что эти химические изменения не очень сильно зависят от типа частицы, вызвавшей ионизацию; пропорция между ионизацией, возбуждением и последующей химической реакцией остается более или менее одинаковой. Грубо говоря, чем больше ионных пар образуется в живых клетках, тем больше степень биологического повреждения.

Для образования ионной пары требуется затрата определенного количества энергии. Может показаться, что эта величина должна критически зависеть от веса, заряда и энергии частицы, а также от среды, через которую движется частица. Это не так. Конечно, некоторая зависимость есть, но лишь незначительная. Любая заряженная частица, независимо от ее энергии, движущаяся в любой среде — воздухе, воде, почве или живой ткани, — создает ионные пары со скоростью около одной на 32 электрон-вольта. Частица с энергией в один миллион электрон-вольт производит около 30 000 ионных пар, прежде чем потеряет всю свою энергию. (Когда она теряет свою энергию, если это положительно заряженная частица, она захватит достаточно электронов, чтобы стать нейтральной. Альфа-частица, например, станет обычным атомом гелия; протон станет атомом водорода.)

Мы сказали, что две заряженные частицы, имеющие одинаковую энергию, производят одинаковое общее число ионизаций. Однако существует важный аспект, в котором заряженные частицы одинаковой энергии могут различаться. Это плотность ионизации вдоль их путей. В частности, чем медленнее движется частица и чем больше ее заряд, тем больше ионизации и повреждений она произведет на заданном расстоянии. В то же время она будет терять энергию с большей скоростью. Если мы сравним две заряженные частицы одинаковой энергии, проникающие в вещество, та, которая оставляет более глубокую борозду, будет остановлена быстрее.

Легко понять, что при большем заряде электрическое взаимодействие усиливается, и, следовательно, каждый атомный электрон сильнее возмущается. Если, с другой стороны, частица движется медленнее (что обычно бывает, если она тяжелая), она проводит больше времени в окрестности атомных электронов. Таким образом, электрическое взаимодействие имеет большую продолжительность и более эффективно выбивает электрон. По этой же причине плотность ионизации вдоль пути конкретной заряженной частицы должна стремиться становиться все больше и больше по мере замедления частицы. На самом деле в случае осколка деления этой тенденции противодействует повышенная вероятность захвата частицей электронов и уменьшения ее заряда. В результате плотность ионизации для этих осколков довольно равномерна. Если сильно заряженная медленная частица движется сквозь вещество, она оставляет после себя так много возмущенных и разрушенных молекул, что теперь эти молекулы могут реагировать друг с другом. Поэтому сильная ионизация может привести к своеобразным эффектам. Тем не менее все ионизирующие частицы вызывают примерно схожие химические изменения и разрушения.

За исключением бета-лучей, все заряженные частицы очень тяжелы по сравнению с электроном. Следовательно, по мере того как они движутся сквозь вещество и взаимодействуют с атомными электронами, их пути заметно не отклоняются от первоначального направления. Бета-лучи, с другой стороны, имея тот же вес, что и атомные электроны, заметно подвержены влиянию их столкновений и часто вынуждены менять направление. Таким образом, их пути извилисты и случайны.

Поскольку бета-луч не движется по прямой линии, его способность проникать в вещество не следует измерять по общей длине пути. Как правило, пробег бета-частицы, представляющий собой расстояние, которое она проходит вдоль линии своего первоначального направления, составляет около половины общей длины ее пути. Однако для более тяжелых заряженных частиц не нужно проводить различие между пробегом и фактическим пройденным расстоянием.

Самый важный факт о пробегах заряженных частиц заключается в том, что они малы. Альфа-частица, например, с типичной радиоактивной энергией в несколько миллионов электрон-вольт, имеет пробег в воде (или живой ткани) в несколько тысячных дюйма. Такая частица не смогла бы пробить лист бумаги. Осколок деления, несмотря на свою огромную энергию, обладает еще меньшей проникающей способностью, чем альфа-частица. Протон имеет несколько больший пробег, чем альфа-частица. Но бета-луч из-за своего малого веса имеет самый большой пробег из всех заряженных частиц. Однако даже он проходит лишь долю дюйма в твердых или жидких материалах.

В следующей таблице показаны пробеги (в дюймах) некоторых заряженных частиц в воздухе и воде как функция энергии (в миллионах электрон-вольт):

Range Air Water

(Same as living tissue) Energy 5 1 2 5 5 1 2 5 alpha 0.1 0.2 0.4 1.4 0.0001 0.0002 0.0004 0.0014 proton 0.3 0.9 2.8 13.4 0.0005 0.001 0.003 0.014 beta 49. 130. 300. 770. 0.063 0.16 0.38 1.0

Таблица показывает, что заряженные частицы проходят лишь короткие расстояния в веществе. По этой причине эти частицы не представляют серьезной опасности внешнего облучения. Протоны и альфа-лучи обычно останавливаются менее чем футом воздуха. Обычная одежда или даже внешний слой нашей кожи (который состоит из неживых клеток) полностью их остановит.

Бета-лучи останавливаются менее чем семьюдесятью футами воздуха или дюймом (или менее) твердого материала. (На самом деле большинство бета-лучей, образующихся в процессе деления, имеют энергию менее миллиона электрон-вольт или около того, и поэтому их пробеги еще меньше.) Радиоактивное загрязнение бета-излучателями непосредственно на одежде или теле может вызвать проблемы; но тщательное мытье вскоре после воздействия устранит эту проблему. Внутренняя часть дома или здания должна быть вполне безопасной от любого внешнего источника заряженных частиц, испускаемых радиоактивными веществами, за исключением, возможно, самых энергичных бета-лучей. Только если источник заряженных частиц находится внутри организма, так что, несмотря на их ограниченные пробеги, частицы могут найти путь к чувствительным тканям, существует опасность. В этом случае, как мы увидим в следующей главе, опасность может быть значительной.

Заряженные частицы одного типа стоят особняком. Это мезоны, обнаруженные в космических лучах. Эти частицы движутся так же быстро, как энергичные бета-лучи, и, подобно бета-лучам, несут единичный заряд. Их биологические эффекты поэтому такие же, как биологические эффекты бета-излучения, с одним важным отличием. Мезоны космических лучей несут гораздо больше энергии и поэтому имеют гораздо больший пробег. В то время как бета-лучи останавливаются в коже, мезоны могут причинить повреждения всему организму. Мезоны производят те же эффекты, что и вещество, которое равномерно испускает бета-излучение во всем организме. Этот факт важен. Он ставит нас в положение, позволяющее сравнить эффекты искусственной радиоактивности с эффектами космических лучей, которым мы постоянно подвергаемся.

Не вся энергия в космических лучах переносится мезонами. Мы также находим ливни электронов. Они почти такие же, как бета-лучи, за исключением того, что они обладают большей энергией и часто прибывают в довольно значительных количествах, двигаясь по почти параллельным траекториям. Их эффекты, однако, такие же, как эффекты мезонов.

Мы говорили сейчас о взаимодействиях между заряженными частицами и атомными электронами. Не было упомянуто о взаимодействиях между заряженными частицами и ядрами. Ядерные взаимодействия иногда происходят, но в целом они оказывают лишь пренебрежимо малое влияние на замедление заряженной частицы. Они, однако, влияют на бета-лучи.

Когда бета-луч сталкивается с сильно заряженным ядром, бета-частица сильно отклоняется. Сила этого процесса обусловлена тяжелым зарядом ядра и малой массой бета-частицы. При внезапном изменении скорости, которое происходит, часть электрического силового поля, окружающего электрон, отрывается; результатом является высокочастотное излучение, называемое рентгеновскими лучами. Важность такого электромагнитного излучения заключается в том, что оно может проникать глубже в вещество. В наших организмах для типичных энергий бета-лучей лишь малая часть энергии бета-лучей преобразуется в рентгеновские лучи. Но во многих радиоактивных процессах гамма-лучи (которые физически идентичны рентгеновским лучам) образуются довольно обильно. Эти лучи могут нести столько же или больше энергии, чем бета-лучи.

В отличие от заряженных частиц, которые постоянно взаимодействуют при движении сквозь вещество, гамма-лучи могут проходить большие расстояния, не имея ни одного столкновения. Фактическое расстояние зависит от энергии гамма-луча, среды, в которой он движется, и чистой случайности. В среднем гамма-луч с энергией в один миллион вольт проходит около шести дюймов в воде, прежде чем с ним что-либо произойдет. Гамма-луч с энергией в четыре миллиона вольт проходит около фута. В живом веществе расстояния примерно такие же. Таким образом, гамма-лучи от внешнего источника могут найти путь глубоко внутрь организма.

Конечно, живое вещество не повреждается от одного лишь присутствия гамма-луча. Существует небольшая вероятность того, что гамма-луч может пройти прямо сквозь организм, не имея ни одного столкновения. Если это так, биологического эффекта не будет. Эффект производится только тогда, когда гамма-луч взаимодействует с веществом. Существует три наиболее важных способа, которыми может произойти такое взаимодействие.

Один способ — это простое поглощение гамма-луча одним из атомных электронов. Гамма-луч исчезает в этом процессе, а электрон приобретает всю его энергию. Крошечная часть этой энергии используется электроном для разрыва своей связи с атомом. Остаток уходит на кинетическое движение электрона. Электрон теперь на свободе и может вызвать биологическое повреждение, возбуждая и ионизируя другие атомные электроны. Фактически это теперь то же самое, что мы привыкли называть бета-лучом.

Второй способ, которым гамма-луч может взаимодействовать с веществом, — это рассеяние. В этом случае гамма-луч не исчезает, а лишь теряет часть своей энергии, передавая ее атомному электрону. Опять же, электрон свободен вызывать биологическое повреждение, в то время как гамма-луч продолжает путь к своему следующему столкновению.

Третий способ требует, чтобы гамма-луч находился рядом с ядром и имел энергию более миллиона электрон-вольт. (Обычные рентгеновские лучи, используемые в медицинской практике, недостаточно энергичны для того, чтобы этот процесс произошел.) При этих условиях гамма-луч может исчезнуть с одновременным появлением электрона и позитрона. Это пример создания материи из чистой энергии. В соответствии с формулой E = mc², часть энергии гамма-луча расходуется на создание частиц с определенными массами. Это составляет около одного миллиона электрон-вольт. Остаток энергии гамма-луча уходит на кинетическое движение двух частиц. Опять же, биологическое повреждение является результатом последующей ионизации, вызванной заряженными частицами. После того как позитрон израсходует свою кинетическую энергию в процессе ионизации, он соединится с электроном в акте исчезновения. Энергия вновь появляется в форме двух или трех гамма-лучей (каждый из которых имеет меньшую энергию, чем исходный гамма-луч).

Ни в коем случае гамма-луч не несет прямой ответственности за какое-либо биологическое повреждение. Повреждение всегда наносится электронами (или позитронами), которым гамма-луч передал часть или всю свою энергию. Но это только делает гамма-лучи еще более опасными. Они могут сначала проникнуть к чувствительным тканям организма, а затем вызвать ионизацию.

Мы уже упоминали, что рентгеновские лучи — это то же самое, что и гамма-лучи. Последние образуются возбужденным ядром, первые — при столкновении электрона (или бета-луча) с ядром. Искусственные рентгеновские лучи получают путем предварительного ускорения потока электронов, а затем направления их на мишень, содержащую сильно заряженные ядра.

Полезность рентгеновских лучей, конечно, обусловлена их проникающей способностью; это то же самое свойство, которое делает рентгеновские лучи опасными. Можно использовать рентгеновские лучи, чтобы узнать, что находится внутри человеческого тела. Но это невозможно сделать без производства некоторого разрушения и перегруппировки в тканях, которые лежат на пути рентгеновских лучей. Повреждение того же рода, что и вызванное радиоактивностью или космическими лучами.

Эффекты нейтронов на вещество довольно схожи с эффектами гамма-лучей. Подобно гамма-лучам, нейтроны могут проходить большие расстояния в веществе, не взаимодействуя. В среднем нейтрон с энергией в миллион вольт проходит несколько дюймов в воде, прежде чем произойдет столкновение любого рода. Также, подобно гамма-лучам, нейтроны сами по себе не несут прямой ответственности за какое-либо биологическое повреждение. Будучи нейтральными, они взаимодействуют только с атомными ядрами, к которым они сильно притягиваются. Безусловно, наиболее важным из этих взаимодействий является взаимодействие с ядрами водорода. Их огромное количество содержится в живой ткани в форме молекул белка и воды.

Столкновения с ядрами водорода (т.е. протонами) важны, потому что в этом процессе передается большая часть энергии нейтрона. Это происходит потому, что нейтрон и протон имеют очень близкий вес. Если нейтрон ударяет тяжелое ядро, он теряет лишь малую часть своей энергии при ударе. После столкновения с водородом или более тяжелым ядром нейтрон продолжает путь к другим подобным столкновениям. Ядро, однако, будучи заряженным и энергичным, теперь вызывает возбуждение и ионизацию атомных электронов. Таким образом, подобно гамма-лучам, энергичные нейтроны чрезвычайно опасны, потому что они могут сначала проникнуть, а затем вызвать ионизацию.