Типы взаимодействий и радиусы их действия

Тип взаимодействия	Относительная интенсивность взаимодействия	Радиус действия, см
Сильные ядерные	1	10-13
Электромагнитные	10-4	∞
Слабые	10-24	10-11
Гравитационные	10-40	∞

Способы получения трансурановых элементов

Образование трансурановых элементов идёт в реакторе при его мощных нейтронных потоках:

с последующими β^—-распадами:

    ;    

При Z > 100 этот процесс неэффективен из-за конкуренции с делением.

При ядерных взрывах происходит поглощение сразу нескольких нейтронов с последующими β^—-распадами:

    ;    

Трансурановые элементы образуются также при бомбардировке тяжёлых ядер (например, U²³⁸) α-частицами или ионами тяжёлых ядер (Xe¹³⁵) на циклотронах.

Радиоактивный распад и деление ядер

Радиоактивный распад — самопроизвольное превращение неустойчивого ядра в другое ядро (или ядра) с новым зарядом, массой и энергетическим состоянием.

Радиоактивный распад — частный случай деления ядра атома. Никакой физической разницы между радиоактивностью и распадом ядра не существует.

Ядра, подверженные распаду, называют радиоактивными, тогда как ядра, не испытывающие его, называют стабильными.

1896 год — открытие естественной радиоактивности Анри Беккерелем (затемнение фотопластинки солями урана). Радиоактивность стала первым ядерным процессом, обнаруженным человеком. Мария и Пьер Кюри, изучая это явление, открыли элементы Po и Ra.

1899 год — Эрнст Резерфорд открыл α, β и γ-излучения. Он установил их основные свойства — различное отклонение этих излучений магнитным полем — и проникающую способность, от самой слабой у α-частицы до самой большой у γ-частицы.

Очевидно, что необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность — масса ядра должна превышать сумму масс ядра-осколка и частиц, вылетающих при распаде. При радиоактивном распаде всегда выделяется энергия.

Как показывают наблюдения, радиоактивность — процесс статистический. Одинаковые ядра распадаются за различное время. Однако среднее время жизни ядер определённого сорта, оказывается, не зависит от способа получения этих ядер и от внешних условий (температура, давление, агрегатное состояние).

Самым удивительным в явлении радиоактивности являются колоссальные в масштабах микромира времена жизни радиоактивных ядер. Например, в ядре ₉₂U²³⁸, живущем 10¹⁰ лет, нуклоны успевают совершить по 10³⁸ оборотов по своим орбитам, и ничего не происходит, а потом вдруг ядро испускает α-частицу. Очевидно, что должны существовать какие-то специфические физические причины, за счёт которых ядро существует в течение таких гигантских промежутков времени и потом всё-таки самопроизвольно распадается.

Другим примером длительности ядерных реакций могут служить запаздывающие нейтроны, вылетающие из продуктов β^--распада осколков деления U²³⁵ спустя десятки и сотни секунд после распада ядра U²³⁵.

Для описания статистических закономерностей используются вероятности тех или иных событий. Естественной статистической величиной, описывающей радиоактивный распад, является вероятность λ распада ядра за единицу времени. Смысл величины λ, называемой также постоянной распада, состоит в том, что если взять большое число N одинаковых нестабильных ядер, то за единицу времени в среднем будет распадаться λ*N ядер.

Существенным свойством явления радиоактивности является независимость постоянной распада λ от времени. Это выражается в том, что различные моменты времени ничем не выделены друг перед другом с точки зрения вероятности предстоящего распада ядра.

Сформулируем теперь основной закон радиоактивного распада. Если в момент t имеется большое число N радиоактивных ядер и если за промежуток времени dt распадается в среднем dN ядер, то в соответствии с определением величины λ

dN = - λ*N*dt

Результатом интегрирования и является основной закон радиоактивного распада, имеющий вид

N = N₀*e^{- λ*t},

где N₀ — число радиоактивных ядер в произвольно выбранный начальный момент t = 0.

Через постоянную распада λ выражаются две другие величины, характеризующие интенсивность процесса радиоактивности — период полураспада Т_1/2 и среднее время жизни ядра τ. Периодом полураспада называется время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Т_1/2 = (ln2) / λ

τ = 1 / λ

Для простых оценок можно считать, что за время, равное 4-5 периодам полураспада, распадается практически всё первоначальное количество вещества.

α—распад

Явление α-распада состоит в том, что тяжёлые ядра самопроизвольно испускают α-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2:

Исходное ядро _ZX^A называют материнским, а получающееся после распада ядро _Z-2X^A-4 — дочерним.

α-распад идёт только для тяжёлых ядер (Z > 82). Известно более 200 α-активных ядер.

Периоды полураспада α-активных ядер варьируются в широчайшим пределах, от 1.4*10¹⁷лет у ₈₂Pb²⁰⁴ до 10^-6сек у ₈₆Rn²¹⁵.

Энергии вылетающих α-частиц заключены в пределах 4 ÷ 9 МэВ. α-частицы, вылетающие из ядер определённого сорта, имеют, как правило, определённую энергию (на самом деле несколько близких друг другу значений энергий).

Для того, чтобы α-распад шёл, необходимо (но не достаточно), чтобы он был энергетически возможен, то есть чтобы энергия связи материнского ядра была меньше суммы энергий связи дочернего ядра и α-частицы:

E_A-4,Z-2+E_α > E_A,Z

Энергия связи α-частицы равна 28 МэВ (7 МэВ на нуклон), поэтому α-распад становится энергетически допустимым лишь тогда, когда энергия связи на нуклон становится меньше 7 МэВ.

При α-распаде почти вся энергия уносится α-частицей.

Примеры α-распадов:

²³⁹Pu  ²³⁵U

₉₂U²³⁸  ₉₀^Th234  ₈₈Ra²³⁰ …

₉₂U²³⁵  ₉₀^Th231 …

β—распад

В процессе β-распада Z увеличивается или уменьшается на 1, а A остаётся постоянным.

3 типа β-распадов:

• β^—-распад (Z = Z + 1)

• β⁺-распад (Z = Z – 1)

• электронный захват (К-захват)

β-распад обусловлен не ядерными, а слабыми взаимодействиями, поэтому времена жизни β-активных атомов имеют в среднем порядок минут и часов.

При β-распаде распадается не ядро, а нуклон. Однако на β-распад оказывает влияние структура ядра.

β-распад возможен для атомов с любым атомным весом.

Энергетическое условие β-распада:

(в общем случае);

(β^—-распад, i — родительское ядро, f — дочернее ядро);

(β⁺-распад)

(e-захват)

β^—-распад

β^—-распад состоит в том, что ядро самопроизвольно распадается согласно уравнению:

β^—-распад можно рассматривать как электронный распад нейтрона в ядре:

(Т_1/2 = 12.8 мин)

β⁺-распад

β⁺-распад состоит в том, что ядро самопроизвольно распадается согласно уравнению:

β⁺-распад можно рассматривать как позитронный распад протона в ядре: