Вторым важнейшим шагом в развитии ядерной химии было открытие искусственной радиоактивности.

Это явление связано с именами супругов Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри — представителей второго поколения Кюри.

Так же, как и Резерфорд, супруги Жолио-Кюри пытались в 1933 году провести реакцию превращения элементов. «Мишенью» они избрали металлический алюминий ₁₃Al²⁷. «Снарядами» служили альфа-частицы ядра гелия — ₂He⁴, испускаемые сильно радиоактивным элементом полонием. Если реакция превращения элементов будет иметь место, то получится изотоп фосфора ₁₅P³⁰. Если также учесть, что алюминий во время облучения испускает нейтроны ₀n¹, то ядерную реакцию можно записать так:

Все, казалось бы, просто. Но неожиданно обнаруживается удивительная вещь: сама пластинка алюминия становится источником излучения. Оно не прекращается даже в отсутствие препарата полония.

Супруги Кюри тщательно исследовали характер неизвестного излучения и выяснили, что оно является потоком позитронов. Позитрон представляет собой частицу, аналогичную электрону, но имеющую положительный заряд (e⁺). Эта частица была открыта двумя годами раньше американцем Андерсоном в космических лучах.

Таким образом, рассуждали супруги Кюри, изотоп фосфора ₁₅P³⁰ оказывается радиоактивным и, испуская позитроны, превращается в стабильный изотоп кремния ₁₄Si³⁰. Иными словами:

Это предположение было подтверждено химическими методами.

Так человек нашел пути к получению искусственных радиоактивных изотопов.

Таким образом, в основе ядерных реакций, процессов ядерной химии, лежат изменения атомного ядра.

Конечным продуктом ядерной реакции может быть изотоп другого элемента (или других элементов) или другой изотоп того же элемента. Кроме того, в результате реакции могут получаться вторичные элементарные частицы (например, протон, дейтрон и другие) или испускаться гамма-лучи.

Для того чтобы ядерная реакция осуществилась, требуется несколько условий. Во-первых, нужно располагать бомбардирующими частицами, своеобразными ядерными «агентами», «снарядами». Одни из них альфа-частицы — их применили в своих опытах Резерфорд и супруги Кюри.

Кроме альфа-частиц, в качестве «снарядов» используются протоны (₁p¹), дейтроны (ядра «тяжелого» изотопа водорода ₁d²) и нейтроны ₀n¹). Ядерные реакции могут вызываться также действием гамма-лучей. Эти элементарные частицы не трудно получить. В качестве источника альфа-частиц служат некоторые сильно радиоактивные элементы, например полоний, радий. Нейтронным источником оказывается смесь солей радия и бериллия: альфа-частицы, испускаемые радием, выбивают нейтроны из ядер бериллия.

Тип бомбардирующих частиц имеет огромное значение для ядерных реакций. В зависимости от того, какая частица (альфа-частица, дейтрон, протон или нейтрон) выбрана в качестве «снаряда», меняется сам характер ядерной реакции и ее конечный результат.

Второе условие несколько сложнее. Реакция происходит только тогда, когда бомбардирующей частице удается столкнуться с ядром. Оно обладает положительным зарядом, а значит, и сильным электрическим полем. Поэтому положительно заряженные частицы (α, p, d) будут испытывать сильное отталкивание со стороны поля ядра. В обычных условиях лишь очень редким частицам удается «просочиться» через «оборону» атомного ядра.

Чтобы сделать ядерную реакцию интенсивной, бомбардирующим частицам надо придать большую энергию, их нужно ускорить.

Ускорить, но до какой степени?

Для измерения энергии бомбардирующих частиц используются специальные единицы — электроновольты. Электроновольтом называется энергия, которую получит частица с зарядом, равным заряду электрона, при прохождении разности потенциалов в один вольт (обозначение эв). Ядерные реакции происходят обычно при энергиях, измеряемых миллионами электроновольт, или мегаэлектроновольтами — Мэв).

Так, протон, чтобы проникнуть в ядро свинца, должен иметь энергию около 10 мегаэлектроновольт. Энергия же излучения большинства радиоактивных изотопов не достигает и одного электроновольта.

Но как ускорить заряженные частицы? Используются специальные установки, ускорители элементарных частиц.

В этих установках (их несколько типов) частицы ускоряются благодаря многократному повторному приложению магнитного поля. В циклотронах можно ускорить, например, протоны до энергии в 22 мегаэлектроновольта.

Старые типы ускорителей не давали возможности сообщать частицам энергии больше нескольких десятков мегаэлектроновольт. Современные — синхроциклотрон, синхрофазотрон — значительно совершеннее и позволяют достигать энергии в 10 000 мегаэлектроновольт. Такой мощный ускоритель работает, например, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

Создание ускорителей позволило провести и изучить большое количество различных ядерных реакций.

— Горим! — Спрыгнув с нар, Олег с остервенением начал топтать свой ватник, пристроенный возле печки для просушки и не желавший высыхать уже вторые сутки. Только сейчас мы почувствовали, что в избушке пахнет гарью.

— Олежка, дорогой! — улыбнулась Наташа. — Будет ли у нас хоть раз такой поход, когда у тебя ничего не сгорит и не утонет? То мы пьем кофе с твоими носками, то вытаскиваем твои тапочки из болота, а теперь в твоем ватнике будет безобразная дыра…

— Рассказывай таким растяпам о ядерной химии! — Илья не любил, если его внезапно перебивали.

— Сам-то ты хорош! — уныло произнес Олег. — Может, тебе напомнить историю, как некий опытный турист повел новичков в однодневный поход и вечером вышел точнехонько к тому месту, откуда ушел утром. Тема похода была, кажется, «Ориентировка на местности».

Это было темное пятно в туристской биографии Ильи. Слегка смутившись, он счел нужным продолжить свое сообщение.

— Многие трудности, связанные с применением в качестве «снарядов» заряженных частиц, исчезают, если в этой роли выступают нейтроны. Они не имеют заряда, и поэтому положительное поле ядра не представляет для них препятствия. Ядерные реакции могут идти с нейтронами очень низкой энергии (менее одного электроновольта). Эти нейтроны носят название тепловых, потому что их энергия близка к энергии теплового движения молекул. Ускоренные нейтроны подразделяются в зависимости от их энергии на медленные и быстрые.

Все известные ядерные реакции можно поделить на две группы. Одни реакции происходят под действием частиц или гамма-лучей невысокой энергии (до 50 мегаэлектроновольт). Другие требуют высокой энергии (более 50 мегаэлектроновольт).

Ядерные реакции также можно описать уравнением. Например, уравнение ядерной реакции Резерфорда будет выглядеть так:

Однако более принята сокращенная запись: N¹⁴(α, p)O¹⁷. Например, выражение Na²³(d, p)Na²⁴ описывает ядерную реакцию изотопа Na²³ с дейтроном, в результате которой образуется Na²⁴ — другой изотоп натрия — и выделяется протон. Другой пример Fe⁵⁴(d, n)Co⁵⁵ — пример еще одной реакции с дейтроном, вторичной частицей, в которой является медленный нейтрон.

С помощью реакций под действием медленных нейтронов получены многие радиоактивные изотопы, широко применяющиеся в науке и промышленности: так, по реакциям нейтрон — протон (n, p) и нейтрон — альфа-частица (n, α) удается получить изотопы углерода C¹⁴, серы S³⁵, фосфора P³², железа Fe⁵⁹ и другие. Радиоизотопы очень многих химических элементов стали доступны человеку именно благодаря реакциям с медленными нейтронами.