Какие ядра и частицы могут быть продуктами радиоактивного распада ядра
Ядерная реакция лития-6 с дейтерием 6Li(d,α)α
Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.
Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.
По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:
- реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
- прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.
Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием[1][2].
Механизмы ядерной реакции[править | править код]
Составное ядро[править | править код]
Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году[3] совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.
Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время, то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10−23 — 10−21с. При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии, которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом и частицы в системе центра инерции.
Энергия возбуждения[править | править код]
Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи нуклона и части его кинетической энергии :
Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона.
В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра[1][2].
Каналы реакций[править | править код]
Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции. Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.
Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает», каким способом образовалось, следовательно, образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру, может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:
Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций, с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени[2].
Прямые ядерные реакции[править | править код]
Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном, такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются, прежде всего, распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия[1].
Сечение ядерной реакции[править | править код]
Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10−24 см².
Выход реакции[править | править код]
Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц , называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции[1][2].
Законы сохранения в ядерных реакциях[править | править код]
При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа, лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина, чётности, странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора, указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.
Закон сохранения энергии[править | править код]
Если , , , — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:
При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc2 и кинетической энергии E, поэтому:
Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E3 + E4) − (E1 + E2) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции). Она удовлетворяет условию:
Множитель 1/c2 обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).
Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической.
Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции. Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями, поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.
Закон сохранения импульса[править | править код]
Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если , , , — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то
Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например, магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.
Закон сохранения момента импульса[править | править код]
Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, момент импульса которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов (спинов) частиц и момента их относительного движения (орбитального момента). Каналы распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся суммарный момент количества движения (сумма спинового и орбитального моментов).
Другие законы сохранения[править | править код]
- при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.
- при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной.
- при ядерных реакциях сохраняется число лептонов (точнее, разность количества лептонов и количества антилептонов, см. Лептонное число).
- при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях, обусловленных слабыми взаимодействиями[1].
- при ядерных реакциях, обусловленных сильными взаимодействиями, сохраняется изотопический спин. Слабые и электромагнитные взаимодействия изоспин не сохраняют.
Виды ядерных реакций[править | править код]
Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.
Ядерная реакция деления[править | править код]
Ядерная реакция деления — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.
Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.
Ядерная реакция синтеза[править | править код]
Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.
Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.
Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.
Такие условия могут сложиться в двух случаях:
- Если атомные ядра (ионы, протоны или α-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своем пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосфере Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1919, Э. Резерфорд), а также ускорителях заряженных частиц (впервые 1931, Р. Ван-де-Грааф)[4] и установках наподобие фузора или реактора «Поливелл», в которых кинетическая энергия заряженным частицам придается электрическим полем. Таким путём были получены первые искусственные ядерные реакции синтеза и многие искусственно синтезированные химические элементы.
- Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.
Термоядерная реакция[править | править код]
Термоядерная реакция — слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счёт кинетической энергии их теплового движения.
Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноимённо положительно заряжены.
Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза.
Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звёздах.
Реакции синтеза между ядрами лёгких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.
Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространённого на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:
+ энергия (17,6 МэВ).
Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица[5]. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза[1].
Термоядерная реакция также используется в термоядерном оружии.
Фотоядерная реакция[править | править код]
При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.
Другие[править | править код]
Запись ядерных реакций[править | править код]
Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.
Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.
Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:
.
Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.
Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:
.
Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n, γ)-реакции.
Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провёл Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы
, где — ядро атома водорода, протон.
В «химической» записи эта реакция выглядит как
.
Примечания[править | править код]
Ссылки[править | править код]
- Ядерные реакции — статья из Большой советской энциклопедии.
- Ядерные реакции, Физическая энциклопедия.
Естествознание, 10 класс.
Урок 44. Движение как качественное изменение. Ядерные реакции
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Могут ли одни химические элементы превращаться в другие? Когда было открыто явление радиоактивности и как оно изучалось? Каковы особенности процесса радиоактивного распада? Как происходят ядерные реакции?
Глоссарий по теме:
Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
Нуклид (от лат. nucleus – ядро) – вид атомов с определенным значением заряда ядра Z (число протонов в ядре) и массового числа А (сумма числа протонов и нейтронов в ядре).
Изотопы (от греч. isos – равный, одинаковый; topos – место) – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которого имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов.
Атомное ядро – положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (нуклонов).
Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуры и свойства атомных ядер и их превращений – процессов радиоактивного распада и ядерных реакций.
Радиоактивность (от лат. radio – испускаю, излучаю и actives – действенный) – свойство атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав путем испускания элементарных частиц или ядер.
Радиоактивный распад – спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.
Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных атомов.
Ядерные реакции – это превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами, гамма-квантами или друг с другом.
Деление ядер – процесс, при котором из одного ядра возникают два ядра близких по массе.
Цепные ядерные реакции – это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 193-195.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 243-257..
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 275-291.
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Статья: Радиоактивный распад // Научно-популярный портал «Элементы». URL: https://elementy.ru/trefil/21197/Radioaktivnyy_raspad
Статья: Ядерный распад и синтез // Научно-популярный портал «Элементы». URL: https://elementy.ru/trefil/21178/Yadernyy_raspad_i_sintez
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Столетиями алхимики, веря в трансмутацию, пытались найти средство, позволяющее превращать одни элементы в другие, но сделать это в ходе химических превращений оказалось невозможным. Превращать одни химические элементы в другие стало возможным только в XX столетии, когда человек научился осуществлять ядерные реакции. Изучением структуры и свойств атомных ядер и их превращений – процессов радиоактивного распада и ядерных реакций, занимается ядерная физика.
В конце XIX века французский физик Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908), изучая флуоресценцию солей урана, обнаружил, что эти соединения испускают неизвестное излучение, засвечивающее завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку. При этом обнаруженное излучение соли урана испускали независимо от того облучались они светом или нет. Новым явлением заинтересовались французские учёные Пьер Кюри (1859 – 1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934). В 1897 – 1898 гг. они установили, что обнаруженное излучение является свойством урана, которое не зависит от того, в каком соединении этот элемент содержится. Исследуя в 1898 г. урановую руду, учёные открыли два новых химических элемента – полоний и радий, которые также обладали радиоактивностью – такое название они предложили для обнаруженного самопроизвольного испускания атомами излучения (от лат. radio – испускаю, излучаю и actives – действенный).
Изучение радиоактивного излучения позволило обнаружить его неоднородность. Так в 1899 г. английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) установил, что магнитное поле разделяет излучение на две составляющие, обладающие положительными и отрицательными зарядами. Эти составляющие радиоактивного излучения получили название альфа-лучи и бета-лучи (по первым буквам греческого алфавита). В 1900 г. французский физик и химик Поль Виллар (1860 – 1934) сумел выделить еще одну составляющую, которая не отклонялась магнитным полем – гамма-лучи. Анри Беккерелем было установлено, что бета-лучи представляют собой поток электронов. В 1908 г. Э. Резерфордом совместно с немецким физиком Хансом Гейгером (1882 – 1945) было доказано, что альфа-частицы являются ядрами атома гелия (заряд Z = +2 и массовое число A = 4).
Радиоактивное излучение свидетельствует о том, что ядра атомов претерпевают распад, в результате которого они превращаются в ядра новых химических элементов. Выяснилось, что радиоактивностью обладают многие элементы, присутствующие в земной коре. Более того, все химические элементы, расположенные в периодической системе за висмутом, радиоактивны: все их нуклиды нестабильны. Нуклидом (от лат. nucleus – ядро) называют вид атомов с определенным значением заряда ядра и массой. Для обозначения нуклида используют название химического элемента, к которому через дефис записываю массовое число (например, уран-238) или знак химического элемента, рядом с которым наверху указывают массовое число, а внизу заряд ядра (например, 23892U). Разные нуклиды одного элемента по отношению друг к другу являются изотопами. Изотопы (от греч. isos – равный, одинаковый; topos – место) – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которого имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов.
На рубеже XIX –XX вв. было установлено, что существует три вида самопроизвольных ядерных превращений (позже были обнаружены и другие виды, но они менее распространены).
Альфа-распад (α-распад) – самопроизвольное (спонтанное) изменение состава нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием α-частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов (ядро атома гелия 42He). Примером такого распада может служить превращение радия-226 в радон-222: 22688Ra → 22286Rn + 42α (где 42α – альфа-частица или ядро атома гелия).
Бета-распад (β-распад) происходит в результате того, что один из нейтронов нестабильного атомного ядра превращается в протон, при этом ядро испускает электрон и легкую частицу, называемую антинейтрино. Записать процесс можно следующим образом: 10n → 11p + -1e + ~ν. Примером такого радиоактивного распада может быть превращение тория-234 в протактиний-234: 23490Th → 23491Pa + -1e + ~ν.
Гамма-распад (γ-распад) представляет собой процесс испускания возбужденным ядром атома излучения с очень малой длиной волны – гамма-квантов. При этом изменение заряда ядра атома не происходит.
При всех этих распадах энергия ядра уменьшается. А что при этом происходит с зарядом ядра и массой? При α-распаде массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра элемента – на две. При β-распаде атомный номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. При γ-излучении, которое часто (но не всегда) сопутствует α- и β-распаду, ни атомный номер, ни массовое число не изменяются.
В ходе радиоактивного распада число имеющихся исходных атомов постепенно убывает. Изучая процессы радиоактивного распада во времени, Э. Резерфорд обнаружил, что через определенный промежуток времени – различающийся для разных элементов, количество того или иного радиоактивного элемента уменьшается в два раза. Этот промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных атомов, был назван периодом полураспада Т1/2. Период полураспада характеризует скорость радиоактивного процесса и различается для разных радиоактивных изотопов. Если изотоп распадается быстро, то он называется короткоживущим. Значения Т1/2 для таких изотопов могут составлять 10-12 – 10-10 с и даже меньше. Примером может служить сверхлегкий изотоп кислорода-12, период полураспада которого составляет 10–21 с, или изотоп свинца-210 с периодом полураспада 1,5·10–4 с. Период полураспада долгоживущих, медленно распадающихся атомов, может достигать миллиардов лет. Так, например, для урана-238 период полураспада составляет 4,47·109 лет, для тория-232 – 1,405·1010 лет. Следует отметить, что скорость распада не зависит от внешних условий. Радиоактивный распад является статистическим процессом, поэтому нельзя определить, какой именно атом распадется в данный момент времени. Т.е ядро данного радиоактивного изотопа, родившееся только что, и ядро этого же изотопа, просуществовавшее миллионы лет имеют одинаковую вероятность распасться. Можно определить только среднее время жизни радиоактивного атома, если имеется большое число таких атомов. Изменение числа атомов в процессе радиоактивного распада описывается законом радиоактивного распада: N = N0 2–t/T1/2, где N0 – число радиоактивных атомов в начальный момент времени t=0, N – число нераспавшихся атомов к моменту времени t, Т1/2 – период полураспада.
В 1919 г. изучая воздействие альфа-излучения на различные газы, Э. Резерфорд обнаружил, что в результате бомбардировки альфа-частицами атомов азота получаются атомы кислорода. Этот процесс можно описать следующим образом: 147N + 42α → 178O + 11p (где 11p – протон или ядро атома водорода 11H). Таким образом, Резерфордом было осуществлено первое искусственное превращение элементов – ядерная реакция. Напомним, что ядерной реакцией называются превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами, гамма-квантами или друг с другом. От химической ядерная реакция отличается тем, что в ходе её изменяются ядра атомов, т.е. атомы одних элементов, превращаются в атомы других химических элементов. И ядерная реакция, и радиоактивный распад являются превращением одного атомного ядра (химического элемента) в другое ядро. Но если радиоактивный процесс происходит самопроизвольно и не зависит от внешнего воздействия, то ядерная реакция, наоборот, вызывается воздействием на атомное ядро других частиц (ядер, протонов, нейтронов, гамма-квантов).
Бомбардировкой альфа-частицами ядер различных атомов удалось осуществить множество ядерных превращений. В 1932 г. при бомбардировке альфа-частицами атомов бериллия английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891 – 1974) был открыт нейтрон. Происходящий ядерный процесс можно изобразить следующим образом: 94Ве + 42α → 126С + 10n (где10n – нейтрон). В 1934 г. французскими физикам Ирен Жолио-Кюри (1897 – 1956) и Фредериком Жолио-Кюри (1900 – 1958) была открыта искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад нестабильных атомных ядер, полученных в ходе ядерных реакций. При облучении альфа-частицами алюминия им удалось получить не существующий в природе радиоактивный изотоп фософра-30. Уравнение, протекающей ядерной реакции можно представить следующим образом: 2713Al + 42α → 3015P + 10n. Период полураспада изотопа фосфора-30 составляет около 2,5 минут, при этом в ядре этого изотопа один из протонов превращается в нейтрон с испусканием позитрона (античастица электрона +1e) и нейтрино: 11p → 10n + +1e + ν. Процесс, происходящий с ядрами изотопа фосфора-30 можно записать следующим образом: 3015Р → 3014Si + +1e + ν.
Дальнейшие исследования показали, что с помощью ядерных реакций можно не только одни химические элементы превращать в другие, но и синтезировать новые элементы. Так в 1937 г. при облучении молибдена ядрами тяжёлого изотопа водорода дейтерия 21H был впервые искусственно получен, а не выделен из природных соединений, химический элемент технеций Тс, получивший свое название от греческого слова «techne» – искусство, ремесло. В 1940 г. предсказанный Д.И. Менделеевым «экаиод» – химический элемент астат At, был получен искусственным путем в ходе ядерной реакции 20983Bi + 42α → 21185At + 2 10n.
Положительно заряженные частицы (протон, альфа-частица и др.), используемые в ядерных реакциях, испытывают сильное отталкивание при приближении к ядрам атомов, с которыми они должны взаимодействовать. Чтобы преодолеть это отталкивание альфа-частицы, протоны и т.д. должны обладать достаточно большой энергией, для этого их разгоняют с помощью специальных устройств – ускорителей. Первый ускоритель (циклотрон) был создан в 1931 году американским физиком Эрнестом Орландо Лоуренсом (1901 – 1958). С помощью циклотрона стало возможным проводить разнообразные ядерные реакции. Так, в 1932 г. Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном была проведена первая ядерная реакция на быстрых протонах. Бомбардируя протонами литий, учёным удалось расщепить его на две альфа-частицы: 73Li + 11H → 42He + 42He.
Наибольший интерес представляют реакции, проводимые с использованием нейтронов. Лишенные заряда нейтроны не испытывают отталкивания атомных ядер и легко в них проникают. Потоки нейтронов получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах. Приведем несколько примеров ядерных реакций, вызываемых нейтронами: 2311Na + 10n → 2411Na + γ,
5927Co + 10n → 6027Co + γ. Подобные реакции применяются для получения новых изотопов: 3517Cl + 10n → 3516S + 11p или 2713Al + 10n → 2411Na + 42He.
Большой практический интерес представляют реакции, вызываемые бомбардировкой нейтронами ядер урана-235 23592U. После поглощения нейтрона 23592U + 10n → 23692U ядро урана испытывает вынужденное деление, что приводит к образованию двух новых ядер и одновременно освобождается 2 или 3 нейтрона 10n. В результате такой реакции образуется смесь изотопов с массовыми числами равными приблизительно половине массового числа делящегося урана (смесь изотопов 9236Kr, 14156Ba и др.). Например: 23592U + 10n→ 23692U*→14456Ва + 8936Kr + 3 10n. При делении каждого ядра урана выделяется энергии порядка 200 МэВ. Процесс, при котором из одного атомного ядра возникает два близких по массе ядра, называют делением ядер.
Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.
Ядра изотопа 23592U могут захватывать нейтроны с небольшой энергией около 5 – 10 эВ (500 – 1000 кДж) – так называемые тепловые нейтроны, а нейтроны, образующиеся при делении ядра 23692U, обладают в миллионы раз большей энергией. Поэтому, чтобы реакция шла дальше за счет вылетающих при делении ядра нейтронов, их необходимо замедлить. Тогда пойдет цепная реакция деления урана – выделившиеся нейтроны, после замедления, будут захватываться другими ядрами 23592U и т. д. Ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций называются цепными ядерными реакциями. Осуществление таких реакций сопровождается выделением энергии и имеет большое практическое значение.
Резюме теоретической части.
1. В природе существуют разновидности атомов одного и того же элемента – изотопы, отличающиеся массами из-за разного содержания в ядрах их атомов нейтронов. В природе существуют радиоактивные изотопы, способные самопроизвольно изменять состав своих ядер. Все изотопы химических элементов, следующих за висмутом Bi в периодической системе химических элементов, являются радиоактивными. Многие химические элементы были получены искусственным путем в ходе ядерных реакций.
2. Превращение атомов одних химических элементов в другие возможно входе процессов радиоактивного распада и ядерных реакций. Изучением этих процессов занимается ядерная физика, зарождение которой началось на рубеже XIX – XX веков.
3. Процессы радиоактивного распада протекают самопроизвольно. В результате у ядер атомов изменятся состав и испускаются элементарные частицы, гамма-кванты или ядерные фрагменты. Наиболее распространенными являются α-распад, β-распад и γ-распад. Скорость радиоактивного процесса не зависит от внешних условий и характеризуется периодом полураспада, который сильно различается для радиоактивных изотопов разных химических элементов. Радиоактивный распад является статистическим процессом, который количественно описывается законом радиоактивного распада.
4. Ядерные реакции, в отличие от процессов радиоактивного распада, протекают под внешним воздействием – атомные ядра бомбардируют другими ядрами, элементарными частицами или гамма-квантами. Бомбардирующие частицы чаще всего разгоняют с помощью специальных устройств – ускорителей. Наибольший интерес представляют ядерные реакции, проводимые с использованием нейтронов, потоки которых получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах. Открытие деления ядер урана привело к осуществлению цепных ядерных реакций, которые имеют б?