4.3. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, обусловленные их взаимодействием с элементарными частицами или другими ядрами. В отличие от химических реакций, ядерные реакции всегда сопровождаются изменением элементного или изотопного состава.

Обычным методом осуществления ядерных реакций является метод бомбардировки, при котором ядра вещества-мишени подвергаются действию пучка тех или иных частиц, энергия которых достаточна для преодоления электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц. Для получения пучков частиц, обладающих высокой скоростью и энергией, используют разнообразные ускорители (циклотроны, синхрофазотроны, линейные ускорители). Иногда для бомбардировки используют частицы, образующиеся при распаде радиоактивных элементов.

Чаще всего в ядерных реакциях принимают участие четыре частицы: две частицы вступают во взаимодействие, образуя две новые частицы. Значительно реже наблюдается образование трех и более новых частиц. Суммы масс и зарядов исходных и образующихся частиц не изменяются (разумеется, без учета дефекта или приращения масс, соответствующих тепловому эффекту превращения).

Ядерные реакции обычно протекают по схеме:

X + Y  U  X' + Y'

Взаимодействующие частицы X и Y сливаются в короткоживущее ядро U (так называемое компаунд-ядро), которое затем распадается на частицы X' и Y'. При записи уравнения ядерных реакций принято указывать заряды и массовые числа исходных и образующихся ядер. Зачастую используют сокращенную форму записи подобных уравнений; при этом записывают символы исходного и полученного ядра с указанием массовых чисел, а между ними в круглых скобках через запятую указывают символы бомбардирующей и образующейся легких частиц. При такой форме записи ядро обозначается символом , ядро дейтерия (дейтрон или дейтон) - символом d, электрон и позитрон – символами ^- и ⁺.

Ядерные реакции классифицируют по природе бомбардирующих частиц. Можно выделить 6 групп ядерных реакций, соответствующих использованию для бомбардировки нейтронов, протонов, фотонов (-квантов), дейтронов, ядер гелия и многозарядных тяжелых ионов. Ниже приведены примеры ядерных реакций указанных типов.

или ¹⁰B(n,)⁷Li

или ⁶³Cu(p,n)Zn

или ²⁷Al(,p)²⁶Mg

или ²⁴Mg(d,)²²Na

или ¹⁴N(,p)¹⁷O

или ²⁴²Pu(22Nе,4n)²⁶⁰Ku

К ядерным реакциям относятся также термоядерные процессы - реакции синтеза тяжелых ядер из более легких. Термоядерным реакциям соответствуют огромные тепловые эффекты, однако для начала протекания таких реакций необходимы очень высокие температуры (порядка 10⁶ К и выше). Простейшей термоядерной реакцией является синтез ядер гелия из протонов:

Эта реакция протекает в несколько стадий и является источником энергии многих звезд, в том числе и Солнца. Неуправляемая термоядерная реакция синтеза гелия осуществляется при взрыве водородной бомбы.

4.4.Радиоактивность. Типы радиоактивного распада

Радиоактивность - это явление самопроизвольного распада неустойчивых атомных ядер, сопровождающееся корпускулярным или электромагнитным излучением.

Явление радиоактивности было открыто французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. при работе с ураном и его соединениями; фундаментальное изучение этого явления связано с именами Марии и Пьера Кюри, выделившими из урановых руд радиоактивные элементы полоний и радий, являющиеся в миллионы раз более мощными излучателями, чем уран. М. Кюри предложен и сам термин радиоактивность. Связь радиоактивности с распадом атомных ядер была установлена Э. Резерфордом и Ф. Содди.

Системной единицей радиоактивности является беккерель (Бк). Беккерель равен активности образца, в котором происходит один акт радиоактивного распада в секунду; размерность беккереля - с^-1. Часто используемой несистемной единицей радиоактивности является кюри (Ки), соответствующая радиоактивности 1 г радия; 1 Ки = 3,70010¹⁰ Бк.

Различают естественную и искусственную радиоактивность. Первая присуща изотопам, существующим в природных условиях, вторая имеет место у ядер, полученных искусственным путем. Существует несколько типов радиоактивного распада, важнейшими из которых являются -распад, -распад, электронный захват, спонтанное деление ядра и изомерные переходы.

1. -Распад. Сопровождается испусканием двух протонов и нейтронов в виде ядра гелия и протекает по уравнению

Образующиеся при -распаде ядра гелия имеют энергию 4 - 9 мЭв и распространяются со скоростью порядка 210⁷ м/с. -Распад особо характерен для элементов с высокими значениями заряда ядра. Все элементы, располагающиеся в периодической системе после висмута, имеют изотопы, подвергающиеся -распаду. Примером этого типа распада может служить распад ядер радия:

В настоящее время известно более двухсот изотопов, подвергающихся -распаду.

2. -Распад. Сопровождается испусканием электрона (^--распад) или позитрона (⁺-распад) в соответствии с уравнениями

или

Энергия -частиц изменяется в широких пределах (от 0,02 до 16 мЭв). Этот тип радиоактивности присущ как легким, так и тяжелым элементам; известно свыше тысячи изотопов, для которых характерен -распад. При этом изотопы одного и того же элемента могут подвергаться как ^--распаду, так и ⁺-распаду. Если масса радиоактивного ядра больше массы стабильного изотопа данного элемента, то оно обычно подвергается ^--распаду, если меньше - то ⁺-распаду. Например, масса стабильного изотопа углерода равна 12 а.е.м.; ядра углерода и распадаются по уравнениям:

3. Электронный захват. Ядро поглощает орбитальный электрон, находящийся на одном из низших энергетических уровней, в результате чего один из протонов ядра превращается в нейтрон:

Чаще всего захват электрона происходит с ближайшего к ядру К-слоя (К-захват), реже с L- или М-слоя. Электронный захват, как и ⁺-распад, присущ нейтронодефицитным изотопам. Например, К-захвату подвергаются ядра

Электронный захват часто рассматривается как третий вид -распада.

4. Спонтанное деление ядер. Самопроизвольное деление тяжелого ядра на два (реже на три или четыре) осколка, являющихся ядрами элементов середины периодической системы. Известно очень мало изотопов, для которых спонтанное деление является единственным видом радиоактивного распада. Примером таких ядер может служить изотоп менделевия . Обычно ядра, способные к спонтанному делению, одновременно подвергаются также - или -распаду, являющемуся для них основным. При спонтанном делении образуются самые разнообразные осколки, однако их массы и заряды чаще всего относятся как 3:2.

5. Изомерный переход. Своеобразный тип радиоактивности, при котором не меняется ни масса, ни заряд ядра. Он наблюдается тогда, когда образовавшееся ядро оказывается в возбужденном состоянии и имеет избыточную энергию. Подобные ядра способны переходить в невозбужденные ядра, излучая жесткие электромагнитные колебания (-кванты). Например, при бомбардировке нейтронами происходит образование метастабильного возбужденного ядра брома-80:

(индекс "m" означает метастабильное возбужденное состояние). Далее возбужденное ядро освобождается от избытка энергии путем перехода нуклонов на более низкие энергетические уровни:

Период полураспада ^m составляет 4,42 ч. Пáры ядер, подобные ^m и , называют ядерными изомерами.

Таковы наиболее важные типы радиоактивного распада. Заметим, что весьма часто тому или иному изотопу присущи не один, а несколько типов радиоактивного распада, протекающих параллельно. Так, например, изотоп может подвергаться - и -распаду.