2.3. Ядерные реакции

Ядра водорода, протоны, бета-частицы, альфа-частицы и нейтроны (у нейтрона Т_½ = 12,8 мин) могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра и элементарные частицы, двигаясь в пространстве и приближаясь к ядрам на расстояния порядка их поперечных размеров, могут взаимодейство-вать с ядрами, как говорят, участвовать в реакции. При этом частицы могут зах-ватываться ядрами либо после столкновения менять направление движения, отдавать ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называ-ются ядерными реакциями.

Ядерные реакции – превращение ядер атомов, вызванное воздействием на них элементарных частиц или других ядер.

Реакция без проникновения внутрь ядра называется упругим рассеянием. После захвата частицы составное ядро находится в возбужденном состоянии. «Освободиться» от возбуждения ядро может несколькими способами: испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант либо разделиться на две неравные части. Соответственно конечным результатом этого процесса разли-чают реакции захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием протона или альфа-частицы.

Деление ядер. Деление ядер происходит у радиоактивных элементов с большим атомным номером (²³²Th, ²³⁵U, ²³⁹Pu и др.) при захвате их ядрами медленных нейтронов.

При делении ядер урана-235 образуются осколки деления, которые пред-став­ляют собой ядра элементов со средними массовыми числами в соотноше­нии 2:3, а также свободные нейтроны и γ-излучение. При этом выде­ляется значительная энергия (около 200 МэВ). Нижеприведенные уравнения характе-ризуют распад урана-235:

₉₂²³⁵U + ₀¹n → ₃₆⁹⁰Kr + ₅₆¹⁴⁰Ba + 3 ₀¹n;

₉₂²³⁵U + ₀¹n → ₃₇⁹⁴Rb + ₅₅¹⁴⁰Cs + 2 ₀¹n;

₉₂²³⁵U + ₀¹n → ₃₈⁹⁴Sr + ₅₄¹⁴⁰Xe + 2 ₀¹n.

Ядра урана-238 делятся только быстрыми нейтронами.

После захвата ядром нейтрона образуется новое ядро с массовым числом, большим на единицу. Новое ядро энергетически неустойчиво и мгновенно делится. В результате деления ядер тяжелых элементов образуются осколки, дочерние ядра элементов ₃₆⁹⁰Kr и ₅₆¹⁴⁰Ba, имеющие избыточное количество нейтронов. Всего образуется порядка 80 раз­личных осколков, которые разле-таются со скоростью, равной скорости света. Такие осколки ядер (дочерние ядра) неустойчивы и претерпевают несколько последовательных бета-распадов:

₃₆⁹⁰Kr → ₃₇⁹⁰Pb → ₃₈⁹⁰Sr → ₃₉⁹⁰Y → ₄₀⁹⁰Zr;

₅₄¹⁴⁰Xe → ₅₅¹⁴⁰Cs → ₅₆¹⁴⁰Ba → ₅₇¹⁴⁰La → ₅₈¹⁴⁰Ce;

₃₇⁹⁴Rb → ₃₈⁹⁴Sr → ₃₉⁹⁴Y → ₄₀⁹⁴Zr.

Возникающие ядра легких элементов имеют большую энергию связи, приходящуюся на одну частицу. Как следствие, выделяется ядерная энергия, соответствующая разнице энергии связи частиц в ядрах тяжелых и легких элементов. Если нейтроны, которые появились в результате деления одного ядра, используются вновь для последующего деления других ядер, то реакция будет цепной. В ядерных реакторах при использовании цепной реакции созда-ются условия, когда только один из нейтронов, образующихся при делении урана, будет вызывать процесс деления. Плотность нейтронного потока регули-руется стержнями-поглотителями избытка нейтронов. Количество делящихся ядер будет примерно одинаковым, и количество выделяющейся энергии будет поддер-живаться на каком-то определенном уровне. При этом выделяющееся тепло может быть использовано для получения электрической энергии (1г урана дает такое же количество энергии как и 2,5 т угля). Этот принцип используется в атомных реакторах для получения энергии.

Когда цепная реакция нарастает лавинообразно в течение короткого промежутка времени, выделяется огромная энергия и происходит взрыв. Это происходит при условии, когда масса способного к делению материала дости-гает критической величины. Наименьшее количество вещества, в котором возможна цепная ядерная реакция деле­ния, называется критической массой. Для урана-235 это десятки кг, для урана-233 – 5-6 кг, для калифорния – около 1 г. На этом основано устрой­ство атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет 2 куска урана-235 или плутония-239 с докритической массой. При взрыве обыч­ного взрывчатого вещества обе части соединяются, давая сверх-критиче­скую массу. На этом принципе основана атомная бомба.

Термоядерные реакции (реакция синтеза). Существует и другой способ получения энергии – синтез тяжелых ядер из легких. Термоядерные реакции происходят при температурах, достигающих порядка десятков миллионов градусов. Реакция синтеза происходит в недрах Солнца. При высоких температурах ядра легких элементов, двигаясь с большими кинетическими энергиями, сближаются на малые расстояния (около 10^-15 м) и объединяются (синтез) в ядра более тяжелых элементов, например гелия из изотопов водорода – дейтерия и трития:

₁²H + ₁³H → ₂⁴He + ₀¹n + E (17,57 МэВ);

₁²H + ₁²H → ₁³H + ₁¹p;

₁²H + ₁²H → ₂³He + ₀¹n;

₂³He + ₂³He → ₂⁴He + 2 ₁¹p.

На этом принципе основано устройство термоядерных зарядов (водо-родная бомба). Основой термоядерных зарядов служит плутониевый запал (атомная бомба), для создания высокой температуры, и смесь изотопов легкого элемента (например, дейтерия и трития). В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Если человечество научится управ-лять термоядерной реакцией, то это позволит обеспечить весь мир практически неисчерпаемым источником энергии.

4. Естественная радиоактивность и радиоактивные семейства

Природная радиоактивность обусловлена радионуклидами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках Земли: литосфере, гидро-сфере, атмосфере и биосфере. Главным источником поступления в окру-жающую среду естественных радионуклидов, к настоящему времени широко распространенных во всех оболочках Земли, являются горные породы, в состав которых вошли все радиоактивные элементы, возникшие в период формирова-ния и развития планеты. В результате метеорологических, гидрологических, геохимических и вулканических процессов радионуклиды подверглись широко-му рассеиванию. Многие радиоактивные элементы можно обнаружить только в виде следов, а в целом ряд элементов в природе содержится в рассеянном виде или сконцентрированы в виде месторождений (уран, торий). Уран и торий име-ют важное значение для атомной промышленности.

В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов, которые условно могут быть разделены на три группы:

- радионуклиды, входящие в состав трех радиоактивных семейств – урана-радия, тория, актиния (актиноурана) – и продукты их распада;

- радиоактивные элементы (11), не входящие в семейства, но находящиеся в земной коре и объектах внешней среды с момента образования Земли (⁴⁰K, ⁴⁸Ca, ⁸⁷Rb);

- космогенные радионуклиды, непрерывно образующиеся в результате взаимодействия космического излучения в атмосфере с ядрами атомов азота, водорода, кислорода и др., а затем поступающие на земную поверхность с атмосферными осадками. К ним всего относится 14 радионуклидов: ³H, ⁷Be, ¹³C, ¹⁴C, ²²Na, ³²P и др.

В естественных условиях (природе) постоянно происходят процессы распада ядер естественных радиоактивных элементов. Образующиеся при их распаде изотопы могут быть радиоактивными и стабильными. Радиоактивные изотопы элементов продолжают превращаться, образуя цепочку до последнего конечного, устойчивого элемента. Эта цепочка получила название радиоакти-вного семейства. В настоящее время в природе существуют три естественных радиоактивных семейства:

1. Урана-радия. Родоначальником этого семейства является ₉₂²³⁸U

(Т_½ – 4,51·10⁹ лет, в цепочке 14 превращений: 8 – α- и 6 – β).

2. Тория. Родоначальником этого семейства является ₉₀²³²Th

(Т_½ – 1,41·10¹⁰ лет, в цепочке 10 превращений: 6 – α- и 4 – β).

3. Актиния (Ac). Родоначальником этого семейства является ₉₂²³⁵U

(Т_½ – 7,07·10⁸ лет, в цепочке 11 превращений: 7 – α- и 4 – β).

Конечными элементами в цепочке превращений этих трех семейств соответственно являются стабильные изотопы свинца: ₈₂²⁰⁶Pb, ₈₂²⁰⁸Pb, ₈₂²⁰⁷Pb.

Учеными было предсказано (воссоздано искусственно) существование четвертого радиоактивного семейства, которого уже нет в природе, так как элементы его в цепочке превращений распались (период полураспада элементов семейства оказался меньше возраста Земли). Это семейство получило название семейства нептуния (₉₃²³⁷Np). Период полураспада нептуния равнялся 2,14·10⁶ лет. Конечным элементом в цепочке превращений семейства нептуния является не свинец, а стабильный изотоп висмута (₈₃²⁰⁹Bi).