Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те из них, которые обладают минимальным запасом полной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться. Различают стабильные и нестабильные ядра. Стабильные ядра не меняют своего состава со временем. Нестабильные – самопроизвольно превращаются в другие ядра с другой массой и другим зарядом. Данные процессы сопровождаются испусканием α -частиц (ядер гелия), β -частиц (электронов или позитронов), нейтрино (безмассовых частиц), γ -квантов (электромагнитных волн; λ от 10^-14 до 10^-10 м).

Альфа-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на альфа-частицу и ядро-продукт. Альфа-радиоактивны почти все ядра тяжелых элементов с порядковым номером большим 82. При вылете α -частицы из ядра число протонов в ядре уменьшается на два и продукт альфа-распада оказывается ядром элемента с порядковым номером, на две единицы меньше исходного, массовое число ядра-продукта меньше массового числа исходного ядра на четыре единицы:

.

Например,

.

Начальная кинетическая энергия всех альфа-частиц, испускаемых ядрами одного изотопа, одинакова, или испускаются альфа-частицы с двумя-тремя разными значениями начальной кинетической энергии.

При альфа-распаде атомных ядер довольно часто часть энергии может пойти на возбуждение ядра-продукта. Ядро-продукт спустя короткое время после вылета α -частицы испускает один или несколько гамма-квантов и переходит в нормальное состояние.

Существует три типа бета-распада: электронный, позитронный и электронный захват. При электронном β-распаде внутри ядра протекает реакция превращения нейтрона в протон с испусканием электрона и нейтрино:

.

Причем, внутри ядра электронов нет, они рождаются в результате реакции и сразу покидают ядра.

В результате превращения одного из нейтронов в протон заряд ядра увеличивается на единицу. Ядро-продукт оказывается ядром одного из изотопов элемента с порядковым номером в таблице Менделеева, на единицу большим порядкового номера исходного ядра. Массовое число ядра-продукта остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменяется. Например,

.

При позитронном β-распаде внутри ядра протекает реакция превращения протона в нейтрон с испусканием позитрона (частицы с массой, равной массе электрона и положительным зарядом, по модулю равным заряду электрона) и нейтрино:

.

Массовое число ядра-продукта остается прежним, а порядковый номер в таблице Менделеева на единицу уменьшается. Например,

.

Ядра некоторых элементов время от времени захватывают свои электроны. Этот процесс, называемый электронным захватом, сопровождается превращением протона в нейтрон:

.

При этом массовое число ядра-продукта остается прежним, а зарядовое – уменьшается на единицу. Например,

.

Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется одному закону, который может быть выражен в следующей математической форме:

.

Это уравнение носит название закона радиоактивного распада. В нем N₀ означает начальное количество радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинаются наблюдения (t =0). Число ядер, не испытавших распада до некоторого произвольного момента времени t, обозначено N. Символом Т обозначена постоянная величина, зависящая от типа радиоактивного изотопа. Эта постоянная называется периодом полураспада. Через промежуток времени, равный периоду полураспада, исходное количество радиоактивных ядер убывает вдвое. На рисунке 120 по оси ординат отложено количество радиоактивных ядер в момент времени t, время отсчитывается по оси абсцисс.

Ядерные реакции

Взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое с выделением вторичных частиц или гамма-квантов, называется ядерной реакцией. Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. Он обнаружил, что при столкновении альфа-частиц с ядрами атомов азота образуются быстро движущиеся протоны:

.

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Это определяется разностью масс частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции.

Среди различных ядерных реакций особо большое значение в жизни современного человеческого общества имеют цепные реакции деления некоторых тяжелых ядер. В 1939 г. было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части. При этом освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядерных осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят гамма-кванты. Несложно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов Дж. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сгорании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования ее в практических целях.

Впервые предположение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф.Жолио-Кюри в 1934 г. Он же в 1939 г. вместе с Х.Халбаном и Л.Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков-ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона (рис. 121). При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Но нейтроны, освобождающиеся при делении ядер, способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235. В природном уране всего лишь 0,7 % приходится на изотоп с массовым числом 235 (основное содержание составляет уран с массовым числом 238, который захватывает быстрые нейтроны без деления). Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде в достаточно больших количествах изотопа ²³⁵ U, т.к. в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь него, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой и составляет несколько десятков килограммов.

Простейшим способом осуществления цепной реакции в уране-235 является следующий: изготавливают два куска металлического урана, каждый с массой, несколько меньшей критической. При быстром соединении этих кусков развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Температура урана достигает миллионов градусов, сам уран и любые другие вещества, находящиеся поблизости, превращаются в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути. Так происходит ядерный взрыв.

Использовать энергию ядерного взрыва в мирных целях очень трудно, так как выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляются в ядерных реакторах. Первыми ядерными реакторами были реакторы на медленных нейтронах. Большинство нейтронов, освободившихся при делении ядер урана, обладают энергией 1-2 МэВ. Скорости их при этом равны примерно 10⁷ м/с, поэтому их называют быстрыми нейтронами. При таких энергиях нейтроны взаимодействуют с ядрами урана-235 и урана-238 примерно с одинаковой эффективностью. А так как ядер урана-235 мало, большая часть этих нейтронов поглощается ядрами урана-238 без деления, и цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости теплового движения (около 2•10³ м/с), называются медленными или тепловыми. Медленные нейтроны поглощаются ядрами урана-235 в 500 раз эффективнее, чем быстрые. Поэтому для осуществления цепной реакции в природном уране скорости нейтронов должны быть уменьшены до тепловых.

Для замедления нейтронов в реакторе (рис. 122) используются специальные вещества, называемые замедлителями. Ядра атомов вещества-замедлителя должны обладать сравнительно небольшой массой, так как при столкновении с легким ядром нейтрон теряет больше энергии, чем при столкновении с массивным ядром. Наиболее распространенными замедлителями являются обычная и тяжелая вода и графит.

Пространство, в котором протекает цепная реакция, называется активной зоной реактора. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону реактора окружают отражателем нейтронов, отбрасывающим значительную часть вылетающих нейтронов внутрь активной зоны. Хорошим отражателем является бериллий.

Управление реактором осуществляется с помощью специальных управляющих стержней, вводимых в активную зону реактора. Управляющие стержни изготавливаются из соединения бора и кадмия, эффективно поглощающих тепловые нейтроны.

Энергия за счет ядерных реакций освобождается не только в реакциях деления тяжелых ядер, но и при соединении легких атомных ядер.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания. Это возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц, т.е. при высокой температуре 10⁷-10⁸ К (при таких температурах вещество – плазма). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществляется при термоядерных взрывах.

Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 10⁸ К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития требуется нагревание плазмы примерно до 5•10⁷ К.

Возможные реакции:

.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2•10¹¹ Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 т дизельного топлива. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.

Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода предполагается осуществить, нагревая плазму путем пропускания электрического тока через нее. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили использовать магнитные поля особой конфигурации. На экспериментальной установке «Токамак-10» российским физикам удалось нагреть плазму до температуры 1,3•10⁷ К.

Второй возможный путь – нагревание водорода с помощью лазерного излучения. Для этого световые пучки от нескольких мощных лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов К. Но затраты энергии в этом случае больше получаемой в результате реакции.