В первой ядерной реакции осуществленной. Физика атомного ядра. Ядерные реакции. Различные классификации ядерных реакций
Ядерные реакции — это процессы, идущие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.
При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки (например, нейтронами) делится на два ядра разных атомов. При реакциях синтеза происходит превращение легких ядер в более тяжелые.
Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием α-частиц ядер фтора , натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов не испытывали превращений. Очевидно, что их большой электрический заряд не позволял α-частице приблизиться к ядру вплотную.
Ядерная реакция на быстрых протонах.
Для осуществления ядерной реакции необходимо приближение частиц вплотную к ядру, что возможно для частиц с очень большой энергией (особенно для положительно заряженных частиц, которые отталкиваются от ядра). Такая энергия (до 10 5 МэВ) сообщается в ускорителях заряженных частиц протонам, дейтронам и др. частицам. Этот метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивным элементом (энергия которых составляет около 9 МэВ).
Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расще-пить литий на две α-частицы:
Ядерные реакции на нейтронах.
Открытие нейтронов явилось поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Лишен-ные заряда нейтроны беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения, например:
Великий итальянский физик Энрико Ферми обнаружил, что медленные нейтроны (окаю 10 4 эВ) более эффективны в реакциях ядерных превращений, чем быстрые нейтропы (около 10 5 эВ). Поэ-тому быстрые нейтроны замедляют в обыкновенной воде, содержащей большое число ядер водоро-да — протонов. Эффект замедления объясняется тем, что при столкновении шаров одинаковой мас-сы происходит наиболее эффективная передача энергии.
Законы сохранения заряда, массового числа и энергии.
Многочисленные эксперименты по различного рода ядерным взаимодействиям показали, что во всех без исключения случаях сохраняется суммарный электрический заряд частиц, участвую-щих во взаимодействии. Другими словами, суммарный электрический заряд частиц, вступающих в ядерную реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции (как это и сле-дует ожидать согласно закону сохранения заряда для замкнутых систем). Кроме того, в ядерных реакциях обычного типа (без образования античастиц) наблюдается сохранение массового ядерно-го числа (т.е. полного числа нуклонов).
Сказанное подтверждается всеми приведенными выше типами реакций (суммы соответствую-щих коэффициентов при ядрах с левой и правой сторон уравнений реакции равны), см. табл.
Оба закона сохранения относятся также и к ядерным превращениям типа радиоактивных распадов.
В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.
Энергетическим выходом реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реак-ции и после реакции. Согласно сказанному ранее, энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.
Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии, в противном случае - о ее поглощении. Последний случай осуществляется при бомбардировке азота α-частицами, часть энергии переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшихся ядер. При ядерной реакции кинетическая энергия образовавшихся ядер гелия на 17,3 МэВ больше кинетической энергии вступавшего в реакцию протона.
На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:
Здесь Х – символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z – зарядовое число ядра изотопа, А – массовое число ядра изотопа.
Зарядовое число ядра – это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра – это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа – физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.
Например, символ означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. Есть и другие изотопы углерода, например . Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).
Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:
Ядро атома азота взаимодействовало с a -частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора – неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.
По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.
Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.
Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.
Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой . Для чистого урана-235 – это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве – ядерном реакторе (см. § 15-и).
Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.
– процесс взаимодействия ядра с элементарной частицей или другим ядром, в процессе которого происходит изменение строения и свойств ядра . Например, испускание ядром элементарных частиц, его деление, испускание фотонов с высокой энергией (гамма-квантов ). Одним из результатов ядерных реакций является образование изотопов, не существующих в естественных условиях на Земле.
Протекать ядерные реакции могут при бомбардировке атомов быстрыми частицами (протоны , нейтроны , ионы , альфа-частицы ).
Больше полезной информации по разным темам – у нас в телерам .
Ядерные реакции
Одна из первых проведенных людьми ядерных реакций была осуществлена Резерфордом в 1919 году с целью обнаружения протона. Тогда еще не было известно, что ядро состоит их нуклонов (протоны и нейтроны ). При расщеплении многих элементов была обнаружена частица, являющаяся ядром атома водорода. На основе опытов Резерфорд сделал предположение, что данная частица входит в состав всех ядер.
Эта реакция как раз и описывает один из экспериментов ученого. В опыте выше газ (азот ) бомбардируется альфа-частицами (ядра гелия ), которые, выбивая из ядер азота протон , превращают его в изотоп кислорода. Запись этой реакции выглядит следующим образом:
При решении задач на ядерные реакции следует помнить, что при их протекании выполняются классические законы сохранения: заряда , момента импульса , импульса и энергии .
Также существует закон сохранения барионного заряда . Это значит, что число нуклонов, участвующих в реакции, остается неизменным. Если мы посмотрим на реакцию, то увидим, что суммы массовых чисел (цифра сверху) и атомных чисе л (снизу) в правой и левой частях уравнения совпадают.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .
Удельная энергия связи ядер
Как известно, внутри ядра на расстояниях порядка его размера действует одно из фундаментальных физических взаимодействий – сильное взаимодействие . Чтобы его преодолеть и «развалить» ядро, необходимо большое количество энергии.
Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая, чтобы расщепить ядро атома на составляющие его элементарные частицы.
Масса любого атомного ядра меньше, чем масса составляющих его частиц. Разность масс ядра и его составляющих нуклонов называется дефектом масс:
Числа Z и N легко определяются при помощи таблицы Менделеева , а почитать о том, как это делается, можно . Энергия связи высчитывается по формуле:
Энергия ядерных реакций
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Существует величина, называемая энергетическим выходом реакции и определяемая формулой
Дельта M – дефект масс, но в данном случае это разница масс между начальными и конечными продуктами ядерной реакции.
Реакции могут протекать как с выделением энергии, так и с ее поглощением. Такие реакции называются соответственно экзотермическими
и эндотермическими
.
Чтобы протекала экзотермическая реакция
, необходимо выполнение следующего условия: кинетическая энергия начальных продуктов должна быть больше кинетической энергии продуктов, образовавшихся в ходе реакции.
Эндотермическая реакция возможна в случае, когда удельная энергия связи нуклонов в исходных продуктах меньше удельной энергии связи ядер конечных продуктов.
Примеры решения задач по ядерной реакции
А теперь пара практических примеров с решением:
Даже если Вам попалась задачка со звездочкой, стоит помнить – нерешаемых задач не существует. Студенческий сервис поможет выполнить любое задание.
Открытие нейтрона и его свойства
Ядерные реакции под действием нейтронов занимают особое место в ядерной
физике. Из-за того, что нейтрон не имеет электрического заряда, он свободно
проникает в любые атомные ядра и вызывает ядерные реакции. Рассмотрим сначала
свойства нейтрона.
Нейтрон был открыт после предсказания Резерфорда, сделанного в 1920 году.
В опытах Бете и Беккера (1930 год) ядра бериллия облучались α-частицами и
было зарегистрировано нейтральное излучение, природа которого не была
определена.
α + Be → нейтральное излучение (какое?, γ?).
В опытах Жолио-Кюри (1932 год) α-частицы направлялись на бериллиевую мишень, а затем на парафиновую, чтобы определить природу нейтрального излучения. После парафиновой мишени наблюдался выход протонов. Схема опыта показана ниже.
α + Be → парафин → p
Регистрировались протоны отдачи с Е р = 4.3 МэВ. Возник вопрос: под действием
каких частиц они образовывались?
Если бы они вызывались γ-квантами, то энергия γ-квантов Е γ должна была быть ~
50 МэВ. γ-кванты с такой энергией не могли появиться из указанной реакции.
Чедвик проанализировал эти эксперименты и предположил, что в результате
реакции вылетают нейтральные частицы с массой, сравнимой с массой протона. Далее
он поставил опыт в камере Вильсона и наблюдал ядра отдачи азота. Он сравнил эти
результаты с результатами опытов Жолио-Кюри, в которых регистрировались протоны
отдачи из парафина, и определил массу этой нейтральной частицы из законов
сохранения энергии
и импульса
m 1 v = m 1 v 1 + m p v p ;
где N − ядро азота; v 1 − скорость нейтральной частицы после столкновения; m 1 − масса нейтральной частицы. Она оказалась близкой к массе протона
Таким образом, стало ясно, что в опытах Жолио-Кюри протекала реакция, в которой испускались нейтральные частицы − нейтроны:
α + 9 Ве → 12 С+ n.
Они, попадая на парафин, выбивали протоны отдачи с энергией Е р = 4.3 МэВ.
Свойства нейтрона, полученные из многочисленных экспериментов, представлены ниже:
масса − m n c 2 = 939.5 МэВ, m n
= 1.008665 а. е. м.,
магнитный момент − μ n = −1.91μ я,
спин − J = ћ/2,
время жизни − τ n = (10.61 ±0.16) мин,
среднеквадратичный радиус −
Ядерные реакции не только дают новые сведения о природе и свойствах ядерных сил, но и практически используются в народном хозяйстве и в военном деле. Это в первую очередь относится к ядерным реакциям под действием нейтронов при низких энергиях.
11.4 Источники нейтронов
Источники нейтронов − это различные ядерные реакции.
 Рис. 88: Спектр нейтронов. |
1. Используется смесь радия с бериллием (иногда полония с бериллием), где протекает реакция
α + 9 Ве → 12 С+ n + 5.5 МэВ.
Кинетическая энергия нейтрона Т распределена по спектру
(рис. 88).
При распаде Ra образуются α-частицы с энергией 4.8 МэВ и 7.7 МэВ. Они
вступают в реакцию с 9 Ве и генерируют поток нейтронов. Разброс по энергии
нейтронов связан с тем, что α-частицы разных энергий создают нейтроны разных энергий. Ядро углерода
12 C образуется в основном и
возбужденном состояниях.
Выход нейтронов ~ 10 7 нейтронов на 1 г Ra в секунду. Одновременно испускаются γ-лучи.
2. Другие источники нейтронов − фотоядерные реакции (γ,n), в которых получаются медленные и монохроматические нейтроны.
γ + 2 H → p + n, Q = -2.23 МэВ.
Используется ThC" (208 Tl). Он испускает γ-кванты с Е γ ~ 2.62 МэВ и Е n ~ Е р; Т n ~20 кэВ.
3. Фоторасщепление Be фотонами с энергией Е γ = 1.78 МэВ
γ + 9 Ве → 8 Ве + n, Q = -1.65 МэВ; Т n ~ 100 кэВ.
4. Вылет нейтронов под действием ускоренных дейтонов с E d = 16 МэВ в реакции
2 H + 9 Be → 10 B + n + 4.3 МэВ.
Е n = 4 МэВ, выход 10 6 нейтронов в секунду.
5. Реакция 2 H + 2 H → 3 Не +
n + 3.2 МэВ,
D + D (лед из тяжелой
воды), i?n = 2.5 МэВ.
6. Облучение дейтонами трития
2 H + 3 H → 4 Не + n + 17.6 МэВ.
Поскольку эта реакция экзотермическая, дейтоны ускоряются до энергии E d =
0.3 МэВ в газоразрядных трубках. Образуются монохроматические нейтроны с Е n ~ 14
МэВ.
Этот источник нейтронов используется в геологии.
7. В реакциях срыва под действием дейтонов с E d ~ 200 МэВ на тяжелых
ядрах образуются n с
Е n ~ 100 МэВ.
11.5 Ядерные реакторы, цепная ядерная реакция
Самый мощный источник нейтронов − ядерные реакторы − устройства, в которых
поддерживается управляемая цепная реакция деления.
В реакторе происходит деление ядер U и образуются нейтроны с Е n от 0 до
13 МэВ, интенсивность источника 10 19 нейтронов/с см2. Процесс деления идет под
действием нейтронов, беспрепятственно проникающих в ядра из-за отсутствия
кулоновского потенциального барьера.
При делении ядра образуются радиоактивные осколки и испускается 2-3
n, которые снова вступают в реакцию с ядрами U; идет цепной процесс (рис. 89).
n + 235 U → 236 U → 139 La + 95 Мо + 2n
Рис. 89: Иллюстрация деления ядра 235U.
Для описания процесса деления 235 U используется модель жидкой капли, в
которой работает формула Вайцзеккера. После попадания нейтрона в ядро урана
происходит конкуренция между поверхностной энергией нового ядра и энергией
кулоновского расталкивания. В итоге под действием кулоновских сил ядро делится
на два более легких ядра.
Энергия Q, освобождающаяся при делении ядра (A,Z)
(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,
вычисляется с использованием формулы Вайцзеккера
Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2 1/3)·а сим ·A 2/3 + (1 − 2 2/3)·а кул ·Z 2 ·A -1/3 ;
Q (МэВ) = -4.5A 2/3 + 0.26·Z 2 A -1/3 , ε − удельная энергия связи: Е св /А. Для ядра 235 U Q = 180 МэВ.
Для того, чтобы ядро разделилось, в него должна быть внесена энергия Е >
Е а, где Е а Рис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра
ядра (сплошная кривая), E 0 −
основное состояние, E 0
+ Е а − возбужденное состояние, Е а
− энергия активации
(рис. 90).
Мерой способности ядер к делению служит отношение энергии кулоновского
отталкивания протонов к энергии поверхностного натяжения:
где Z 2 /A − параметр деления, чем он больше, тем легче
ядро делится; Z 2 /A = 49 критическое значение параметра деления.
Иллюстрация процесса
деления ядра приведена на рис. 91.
В ядерном реакторе процесс деления ядер
многократно повторяется в результате образования многих поколений деления. В 1-м
акте деления 235 U возникает в среднем 2.4 нейтрона. Время жизни одного поколения
~ 10 с. Если происходит рождение K поколений, то образуется ~ 2 K нейтронов через
время ~ 2·10 -6 с. Если K = 80, число нейтронов будет 2 80 ~ 10 24
− это приведет к
делению 10 24 атомов (140 г урана). Выделяющаяся при этом энергия 3·10 13 вт равна
энергии, образующейся при сжигании 1000 тонн нефти.
Рис. 91: Процесс деления ядра, протекающий в ядерном реакторе.
В реакциях деления энергия выделяется в виде тепла. Отвод тепла из реактора
осуществляется теплоносителем, к которому предъявляются особые требования. Он
должен обладать большой теплоемкостью, слабо поглощать нейтроны и иметь низкую
химическую активность. Не будем обсуждать конструктивные особенности элементов
ядерного реактора. Заметим только, что при попадании тепловых нейтронов на
ядро 235 U образуются быстрые нейтроны, а реакция идет только на медленных нейтронах.
Следовательно, необходимо замедлить быстрые нейтроны. Это происходит в
замедлителе. В качестве замедлителя используется углерод или тяжелая вода.
Остановка процесса деления реализуется с помощью ядер кадмия, которые
захватывают образующиеся нейтроны. Таким образом, в конструкцию ядерного
реактора обязательно входит замедлитель нейтронов (углерод) и кадмиевые стержни,
поглощающие образующиеся нейтроны.
В реакторах используется природный уран 238 U (99.3%) и обогащенный
235 U
(0.7%). 235 U делится под действием тепловых нейтронов. 238 U используется в
реакторах на быстрых нейтронах.
Процессы, происходящие в реакторе, характеризуются следующими
вероятностями:
ν − количество образованных быстрых нейтронов;
ε − коэффициент размножения быстрых нейтронов;
Р − вероятность нейтрону дойти до тепловой энергии;
ƒ − вероятность захвата нейтрона в процессе замедления;
σ t /σ tot − вероятность вызвать реакцию деления.
Произведение этих вероятностей дает оценку коэффициента размножения k тепловых нейтронов в ядерном реакторе:
Цепная реакция идет, если k > 1; входящие в коэффициент размножения
величины имеют следующие значения: ν = 2.47; ε = 1.02; Р = 0.89; ƒ = 0.88; σ t /σ tot =
0.54.
Таким образом, k ∞ = 1.07 для реактора бесконечных размеров. В реальных
условиях к эф < k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
В реакторах на быстрых нейтронах (239 Ри и 238 U) происходит следующий
процесс:
В результате этой реакции воспроизводится 239 Рu. Образовавшийся плутоний вступает в реакцию с нейтроном:
n + 239 Рu, образуется ν = 2.41 нейтронов.
Число ядер 239 Ри удваивается через каждые 7-10 лет.
Реакция деления атомных ядер используется для получения атомной энергии.
Ядерные реакторы работают на многих атомных электростанциях.
11.6 Реакции слияния, синтез легких ядер
Другим источником атомной энергии может служить синтез легких атомных ядер.
Легкие ядра связаны менее прочно, и при их слиянии в тяжелое ядро выделяется
больше энергии. Кроме того, термоядерные реакции чище из-за отсутствия
сопровождающих их радиоактивных излучений, чем цепные реакции деления.
Для получения термоядерной энергии могут быть использованы следующие реакции
синтеза:
d + d = 3 He + n + 4 МэВ,
d + d = t + р + 3.25 МэВ,
d + t = 4 Не + n + 17.б МэВ,
3 Не + d = 4 Нe + р + 18.3 МэВ,
6 Li + 2di
= 2 4 Не + 22.4 МэВ. J
Энергия ядер, вступающих в реакцию, должна быть достаточной для преодоления
кулоновского потенциального барьера. На рис. 92 показана энергетическая зависимость сечений некоторых реакций. Как видно из рисунка,
синтез ядер дейтерия d и трития t является наиболее предпочтительным. В этой
реакции синтеза низок кулоновский потенциальный барьер и велико сечение
взаимодействия при малых энергиях сливающихся ядер. Для протекания реакции
необходимо иметь достаточную концентрацию этих ядер в единице объема и
достаточную температуру разогретой плазмы.
Число актов слияния R ab в единицу времени в единице объема определяется
соотношением
R ab = n a ·n b ·w ab (T).
w ab (T) = σ ab ·v ab ,
где n a , n b − число ядер a, b; σ ab − эффективное сечение реакции, v ab − относительная скорость частиц в плазме, Т − температура. В результате реакции освобождается энергия
W = R ab ·Q ab ·τ,
где R ab − число актов слияния, Q ab − энергия, выделившаяся в 1 акте, τ − время.
Пусть n a = n b = 10 15 ядер/см 3 , Т = 100 кэВ. Тогда W ~ 10 3 вт/см 3 с.
В самоподдерживающейся термоядерной реакции должно выделяться больше энергии,
чем идет на нагрев и удержание плазмы. Затраты на нагрев n a = n b
= 2n частиц до
температуры Т: 3n·kТ: k − постоянная Больцмана. Таким образом, надо
удовлетворить условию:
n 2 ·w ab ·Q ab ·τ > 3nkТ
(высвобождающаяся энергия > энергии нагрева).
Лоусон сформулировал следующее условие для реакции слияния d + t:
nτ > 10 14 с·см -3 ,
где nτ − параметр удержания. На рис. 93 показана зависимость этого параметра от температуры. Реакция идет, если nτ > ƒ(T). Температура Т ~ 2·10 8 K соответствует энергии 10 кэВ. Минимальное значение параметра удержания nτ = 10 14 с/см 3 для реакции d + t достигается при температуре 2·10 8 K.
Рис. 93: Зависимость параметров удержания от температуры. Заштрихованная область ƒ(Т) − зона управляемого термоядерного синтеза для реакции d + t. − значения параметров, достигнутые на различных установках к 1980 году.
Для других реакций:
Удержание плазмы, имеющей необходимые условия для протекания реакции,
реализуется в установках типа Токамак с помощью магнитного поля. Такие установки
работают в России и в ряде других стран. Как видно из рис. 93, режим управляемого термоядерного синтеза пока не
достигнут.
Делаются попытки получить необходимые для термоядерного синтеза условия с
помощью лазерных установок. В этом случае небольшой объем, в котором заключены
ядра дейтерия и трития, обжимается со всех сторон лазерным излучением. При этом
ядра дейтерия и трития нагреваются до нужной температуры. Лазерный термояд
требует введения коэффициента 100, т.к. велика бесполезная энергия, идущая на
накачку лазера.
Попытки осуществить управляемый термоядерный синтез в лабораторных условиях
наталкиваются на ряд трудностей.
- 1. До сих пор не удается получить устойчивый режим высокотемпературной плазмы.
- 2. Велики энергетические потери в плазме даже из-за малых концентраций примесей атомов с большими Z.
- 3. Не решена "проблема первой стенки" в Токамаке, ограничивающей плазму реактора (поток нейтронов ее разрушает).
- 4. В природе отсутствует радиоактивный тритий t с периодом полураспада Т 1/2 = 12.5 лет, поэтому существует проблема воспроизводства трития в реакции
n + 7 Li = α + t + n.
До сих пор не удалось преодолеть эти трудности и получить управляемую
термоядерную реакцию синтеза.
В естественных условиях реакции термоядерного синтеза протекают на Солнце и в
звездах.
Литература
- 1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. -М.: Наука, 1972.
- 2. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. -М.: УППС, 2002.
Явление самопроизвольного распада неустойчивых ядер нуклида, в результате которого образуются ядра одного нового нуклида или более, сопровождающееся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью. Радиоактивность была открыта в 1896 г. Бекке- релем. Радиоактивны все нуклиды тяжелых элементов конца Периодической системы, начиная с полония (86 Ро), и все нуклиды, искусственно полученные в результате ядерных реакций. Устойчивость радионуклидов характеризует период их полураспада: время, в течение которого распадается половина исходных ядер. Он колеблется от сотен миллионов лет до ничтожных долей секунды.
Можно выделить следующие основные виды ионизирующего излучения.
1. Излучение положительно заряженных ядер атомов гелия 4 2 Не, названных а-частицами. Они обладают низкой проникающей способностью (поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, листом бумаги и т.п.), но проявляют очень высокую ионизирующую способность. Как внешние источники а-излучатели не опасны, но очень опасно их проникновение внутрь организмов.
Такой тип радиоактивного излучения характерен для ядер тяжелых элементов. При этом заряд исходного ядра Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число А - на 4 единицы, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на две клетки влево от исходного радиоактивного элемента, с массовым числом, меньшим на 4 единицы (правило а-радиоактивного смещения Содди - Фаянса)
Например:
2. Излучение электронов е (), несущих отрицательный заряд и названных (3-частицами. Они обладают большей проникающей способностью, чем а-частицы, но меньшей ионизирующей способностью. При излучении (3-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на одну клетку вправо от исходного радиоактивного элемента с тем же массовым числом (правило (3-радиоактивного смещения Содди - Фаянса):
Например:
(3-излучение характерно для радионуклидов, имеющих избыточное относительно устойчивых ядер количество нейтронов.
Разновидностью подобного излучения можно считать поток античастиц электрона - позитронов е + (^е ), имеющих ту же массу, что и электрон, но положительный заряд ((3 + -частицы). При излучении Р + -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется:
Например:
К подобным результатам приводит К-захват - захват ядром электрона с ближайшего к нему квантового К-уровня:
р + -излучение и К-захват характерны для радионуклидов, имеющих относительно избыточное количество протонов. (При р + - и p-распаде происходит также испускание особых нейтральных частиц с ничтожно малой массой - нейтрино о и антинейтрино о; их обычно не включают в уравнения ядерных реакций.)
- 3. Жесткое коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского, которое сопровождает многие ядерные превращения, получившее название у-излучения. Оно не отклоняется в электрических и магнитных полях и обладает высокой проникающей способностью. Заряд и массовое число ядра при у-излучении остаются неизменными. Превращения химического элемента в другой не происходит. у-Излучение обусловлено переходом ядер радионуклидов из возбужденного в менее возбужденное или стационарное состояние.
- 4. Нейтронное излучение (Jп ), часто возникающее в результате ядерных реакций, особенно в результате реакций деления атомных ядер. Из-за отсутствия заряда и наличия значительной массы оно обладает большой проникающей способностью и возможностью инициирования ядерных реакций (наведенная радиоактивность).
Ядерные реакции - это превращения ядер нуклидов. Радиоактивность является частным случаем ядерных реакций спонтанного разложения.
Другие виды ядерных реакций происходят при взаимодействии ядер нуклидов с элементарными частицами, более легкими ядрами, у-квантами. Как правило, такому взаимодействию препятствует значительный потенциальный барьер. Он преодолевается бомбардировкой более легкими частицами с высокой кинетической энергией мишени из вещества, содержащего ядра более тяжелого нуклида. Заряженные бомбардирующие частицы разгоняются в ускорителях, например, в синхрофазотронах. В андронных коллайдерах (от to collide - сталкиваться) два потока ядер тяжелых нуклидов (андронов) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенной зоне. Электрически незаряженные нейтроны получают высокую энергию в ядерных реакторах (быстрые нейтроны).
Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке нуклида азота-14 ядрами гелия-4 (а-частицами):
В ядерной физике чаще используется сокращенная форма записи: ^Na(a,/>) "О. Это пример ядерной реакции обмена. Примеры других типов реакций обмена:
По типу реакций обмена получены многие искусственные элементы Периодической системы, не встречающиеся в природе. В этом случае мишень из относительно устойчивого и доступного тяжелого нуклида бомбардируется ядрами другого нуклида. Например, калифорний был получен бомбардировкой самария ядрами гелия: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борий 2 Jj 2 Bh - слиянием ядер висмута 2 ^Вi и хрома 26 Сг.
Реакция, при которой бомбардирующая частица (например, медленный нейтрон) остается в ядре с испусканием энергии возбуждения ядра в виде у-излучения, называется реакцией захвата. Например: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-
Возможен противоположный процесс, называемый ядерным фотоэффектом, - поглощение у-кванта, в результате которого испускается какая-либо ядерная частица (часто нейтрон):
- 93-7,. I 92 7_ I 1
- 40Zr + y -> 40 Zr + 0 п.
Радионуклиды урана 2 Ци, 2 Ци и плутония ^Ри поглощают нейтроны и делятся на два сопоставимых по массе «осколка» и два или три нейтрона, например:
Такие реакции называются реакциями деления. Освобождающиеся нейтроны при определенных условиях могут инициировать большое количество новых актов деления, что приведет к цепной ядерной реакции. Суммарная масса осколков и нейтронов (Ет у) меньше, чем делящегося ядра (т). Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению энергии:
При одном акте деления ядра выделяется около 200 МэВ; при делении одного моль урана-235 (235 г) выделяется огромная энергия - около 2 10 10 кДж! (Для сравнения: при сгорании такой же массы метана СН 4 выделяется менее 1 10 4 кДж.) Нерегулируемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. Регулируемая реакция является источником энергии, получаемой на АЭС.
Соединение двух легких ядер в одно более тяжелое называется реакцией термоядерного синтеза. При протекании таких реакций выделяется огромная энергия, поскольку масса исходных ядер меньше, чем ядер продуктов такой реакции. Например, в реакции трития (водорода-3) и дейтерия (водорода-2):
при получении одного ядра гелия-4 выделяется 17,6 МэВ, что эквивалентно 1,7 10 9 кДж на один моль (4,0 г) гелия. На единицу массы это примерно в четыре раза больше, чем при делении ядер урана-235. Однако для слияния ядер необходимо преодоление силы их кулоновского отталкивания. Это можно осуществить, увеличив температуру до сотен миллионов градусов. Такая реакция протекает в недрах Солнца. Впервые на Земле спонтанная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в так называемой водородной бомбе, в который необходимая температура достигалась с помощью взрыва ядерной бомбы, служившей «запалом». В мире интенсивно ведутся работы по осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза.
Загрузка...
