2.3. Простейшие ядерные реакции.Методы получения радионуклидов

Ядерной реакцией называют взаимодействие данного атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, в результате которого это ядро превращается в ядро другого элемента.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом при бомбардировке ядер азота альфа-частицами:

.

При этом происходило превращение ядер азота в ядра кислорода с выделением протона. Для осуществления ядерных реакций при бом­бардировке ядер заряженными частицами (альфа-частицами, протонами, дейтронами) необходимо их ускорить до довольно высоких энергий - чтобы заряженная частица преодолела силы электростатического отталкивания от протонов ядра и была "захвачена" короткодействующими ядерными силами. После захвата частицы бомбардируемым ядром образуется промежуточное ядро, находящееся в возбужденном состоянии. Внутренняя структура ядра изменяется. Через 10^-15 – 10^-12 с между нуклонами устанавливаются связи, образующие относительно устойчивый комплекс, а оказавшаяся "лишней" для этого комплекса частица выбрасывается из ядра. При бомбардировке альфа-частицами чаще всего "лишним" оказывается протон или нейтрон, при бом­бардировке протонами - нейтрон или альфа-частица. Образующиеся новые ядра чаще всего являются неустойчивыми - они подвержены радиоактивному распаду того или иного вида. Итак, бомбардировка ядер атомов заряженными элементарными частицами в ускорителях - один из методов получения радионуклидов.

Радионуклиды в относительно больших количествах могут быть получены в атомных реакторах путем облучения ядер ста­бильных элементов нейтронами. Поглощая нейтрон, стабильное ядро превращается в радионуклид того же элемента:

.

Таким образом может быть получен широко применяемый в меди­цине радиоактивный кобальт:

.

Радиоактивный подвержен электронному распаду по схеме:

.

Образующееся ядро атома никеля оказывается в возбужденном состоянии, его переход в основное состояние сопровождается испусканием гамма-кванта, кроме того, образуется ещё и анти­нейтрино. Возникающее гамма-излучение используется в лучевой терапии для воздействия на злокачественные новообразования.

Ядерные превращения под действием нейтронной бомбардиров­ки эффективнее происходят на замедленных нейтронах, поскольку быстрые нейтроны могут испытывать упругое соударение с ядром и рассеиваться.

Итак, другой (более распространенный) метод получения радионуклидов – бомбардировка ядер атомов нейтронами (нейтронная активация).

Радионуклиды могут быть получены также путем выделения их из продуктов деления ядер урана, содержащихся в отработанных стержнях уранового реактора (например, радиоактивный йод).

Описанные ядерные реакции следует отличать от цепных реакций деления ядер, которые используются для получения энергии в ядерных реакторах. В данном случае после поглоще­ния ядром нейтрона происходит его деление с испусканием не­скольких нейтронов и выделением энергии. Этот процесс сопро­вождается и реакциями, тип которых описан выше. Примером может служить наработка в урановом реакторе. В ядерный реактор большой мощности (типа РБМК Чернобыльской АЭС) загружается около190тонн топлива в виде природного урана, состоящего, в основном, из , слабо обогащенного . Превращение некоторой части урана в плутоний происходит в несколько этапов. При облучении нейтронами происходит образование :

.

Образовавшийся - за счет электронного распада превращается в радионуклид нептуния:

,

который из-за последующего распада превращается в радиоактивный плутоний:

.

Образовавшийся при попадании его в окружающую среду вызывает её длительное и крайне опасное радиационное загрязнение из-за своей альфа-радиоактивности.