Ядерные реакции

6.1. Радиоактивный распад иреакции при бомбардировке ядер

Химический элемент представлен ядрами, имеющими строго определенное чис­ ло протонов в своем составе. Именно число протонов в ядре определяет номер эле­ мента в периодической таблице. Изотопы одного и того же элемента имеют ядра с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов. В ходе химических реакций ядра элементов остаются без изменений. Химические превращения сопрово­ ждаются разрывом одних химических связей и возникновением других. Ядерные ре­ акции - превращения веществ, связанные с изменением состава ядер, при этом одни химические элементы переходят в другие.

Ядерные реакции подразделяются на два типа - радиоактивный распад (распад ядер) и реакции при бомбардировке ядер. Радиоактивный распад заключается в са­ мопроизвольном распаде нестабильных ядер, и при этом один элемент превращается в другой или ядро атома переходит из возбужденного состояния в основное. При ра­ диоактивных распадах испускаются различные виды излучений: электроны, протоны, нейтроны, легкие ядра (обычно ядра \ Не), у-кванты (жесткое рентгеновское электро­

магнитное излучение). Реакции при бомбардировке ядер, которые нередко называют просто ядерными реакциями, протекают при бомбардировке ядер одного вида (веще­ ство мишени) пучком более легких ядер ( 42Не и др.), протонами, нейтронами, элек­ тронами или гамма-лучами. При ядерных реакциях происходят превращения одних элементов в другие.

При обсуждении ядерных реакций широко используются термины «нуклоны», «нуклид» и «радионуклид». Уточним их содержание. Нуклоны - это общий термин для протонов и нейтронов, содержащихся в ядрах. Нуклид - определенный вид ато­ мов, характеризующийся составом ядра (числом протонов и нейтронов) и энергетиче­ ским уровнем. Например, изотопы ЦSr и ^ Sr - разные нуклиды. Разными нуклидами

являются также " ” Тс и ^Тс , где "4^Тс - нуклид в возбужденном (метастабильном) состоянии, а ^Т с - нуклид в основном состоянии. Нуклид изображают символом

элемента с обязательным указанием массового числа (числа нуклонов) - верхний (надстрочный) символ. Атомный номер - нижний (подстрочный) символ - допускает­ ся либо указывать, либо нет, т.к. он однозначно определяется символом элемента. Факт метастабильного состояния отмечается верхним символом: т - метастабильный.

Если необходимо подчеркнуть склонность нуклида к радиоактивному распаду, то его называют радионуклидом. Так, ^ Sr - радионуклид, а Sr - стабильный (нера­

диоактивный) нуклид.

Устойчивость ядер и радиоактивный распад. Кратко ознакомимся с приро­ дой стабильности ядер элементов, т.к. она определяет склонность ядер к радиоак­ тивному распаду.

Известно четыре типа сил , действующих между частицами, - это силы тяготе­ ния (гравитационные), электромагнитные (электростатические), слабые и сильные (ядерные) взаимодействия.

Протоны и нейтроны (нуклоны) удерживаются в ядре за счет сильных взаимо­ действий. Подобно тому, как два атома удерживаются вместе за счет общих электро­ нов, нуклоны также связаны друг с другом с помощью частиц, в первую очередь, ме­ зонов. Мезоны могут иметь разные заряды: п +, к ~ и п°. За счет обмена я+- и п "- мезонами связываются вместе нейтроны и протоны, а за счет я°-мезонов - два прото­ на между собой или два нейтрона. Массы мезонов примерно одинаковы: 273 те- для л+- и л“-мезонов и 264 те_ для я°-мезонов. Вне ядра мезоны очень нестабильны. Внутри ядра мезоны постоянно участвуют в процессе обмена между протонами

инейтронами, осуществляя связь между ними.

Вотличие от других типов взаимодействий сильные (ядерные) взаимодействия проявляются только на очень малых расстояниях: менее чем 1СГ15л*. Например,

два протона \р, отстоящие друг от друга на расстоянии более 1(Г15 м, взаимно оттал­ киваются, а при сближении на дистанцию менее КГ15 м - взаимно притягиваются. Нейтроны d л, как нейтральные частицы, не испытывают сил отталкивания, но их взаимное притяжение за счет сильного взаимодействия также требует сближения на расстояние менее чем КГ15 м. Сильные взаимодействия (ядерные силы) не зависят от зарядов взаимодействующих частиц.

Короткодействующий характер ядерных сил обусловливает сильное сближение протонов и нейтронов в ядре, и плотность «ядерного вещества» достигает впечат­ ляющей величины - 1,6-108 т/см3. Объем ядра оказывается прямо пропорциональным общему числу протонов и нейтронов в его составе. Напрашивается вывод о плотней­ шей упаковке нуклонов в ядре. Но этот вывод не следует воспринимать так, как при­ нято для твердых тел. Положение нуклонов в ядре не является стационарным: они пе­ ремещаются внутри ядра, вероятно, подобно частицам в жидкости.

Согласно одной из моделей строения ядра нуклоны распределяются в ядрах по оболочкам подобно электронам в атомах. Например, замечено, что нуклоны в ядре могут возбуждаться и переходить на более высокий энергетический уровень, а затем возвращаться на основной и при этом испускать квант энергии. Однако время

* Силы тяготения действуют между любыми частицами материи. Три других типа взаимодействий осуществляются с участием трех групп элементарных частиц: 1) фотонов или

твуют в сильных взаимодействиях (и в других типах взаимодействий). Вопрос об элементарности многих из этих частиц является дискуссионным.

существования возбужденного состояния ядер значительно короче, Чем возбужденно­ го состояния атомов.

Обнаруживается некоторая периодичность состава и свойств ядеРПоскольку важным представляется вопрос о стабильности ядер, то обсудим это положение более подробно. Определенные комбинации протонов и нейтронов в ядре отличаются осо­ бой стабильностью:

1. Ядра элементов с четными атомными номерами более стабильны, чем с не­

четными (исключение - нуклид [Н).

2. Элементы с четными номерами представлены большим числом изотопов, и среди них не менее трех являются стабильными. Элементы же с нечетными атом­ ными номерами обычно представлены только одним стабильным иЗ°Т0П0М и никогда не имеют больше двух изотопов.

3. Большая часть стабильных изотопов имеет четное число и протонов и нейтро­ нов. Если проанализировать число стабильных изотопов для варианТ°в: а) Np - четное и Nn - четное, б) Np - четное и N„ - нечетное, в) Np - нечетное и Nrt ~ четное, а) Np - нечетное и Nn - нечетное (Np и Nn - числа протонов и нейтронов соответственно), то соотношение между ними приближенно выразится следующими числами: 164(a) : 55(6) : 5 (в) : 4 (г).

Предполагают, что пары нуклонов в ядре, подобно парам электронов с противо­ положными спинами в атомах, оказываются стабильными группировками и освобо­

20Са, ^Са, JOСа и ^С а (период полураспада >1016 лет), а его сосед по периодической таблице - скандий (Np = 21) - не обладает благоприятным числом протонов и пред­ ставлен в природе только одним стабильным нуклидом 2*Sc. Среди нестабильных нуклидов кальция известны прежде всего те, которые содержат в ядрах нечетное чис­ ло нейтронов: ^Са, ЦСа, ^Са, JJCa, ^Са.

Стабильными нуклидами свинца являются 2°2 РЬ и 2ЦРЬ. Первый из них содержит благоприятное число протонов (82), а второй - благоприятные числа и протонов (82) и нейтронов (126). Поэтому нуклид ^ Р Ь характеризуется особой стабильностью.

Существует также взаимосвязь между стабильностью ядер и отношением числа нейтронов к числу протонов (Nn / Np) в их составе. У ядер элементов с низким массо­ вым числом (^4 < 41) более стабильными оказываются те, у которых отношение N„ / Np = 1, т.е. числа протонов и нейтронов равны. Примеры: 12 С, ^N, ‘gO и другие.

При^4 > 41 более стабильными становятся ядра, у которыхNn!Np > 1, т.е. необходим избыток числа нейтронов по сравнению с числом протонов. Примеры стабильных ядер элементов с А > 41: ^ Sc, 22Ti, jJV и т.д.

Весьма важным представляется заключение, что все ядра, атомные номера кото­ рых больше 83 (Z > 83), становятся нестабильными. Это означает, что все элементы, которые тяжелее висмута, представлены только радиоактивными изотопами.

вероятно, что стабильными являются нуклиды 24 Сг, ^ Zn и 39 Zn, в их ядрах - четное число протонов и нейтронов. Нечетное число нейтронов в ядрах 24Сг и 3gZn, эти нуклиды нестабильны. Труднее отобрать стабильные и нестабильные ядра среди изотопов Sr и Cs. Известно, что среди них радиоак­ тивными являются нуклиды 38 Sr, ^ Sr и *55 Cs, а стабильными - 38 Sr и ^ Cs. Нестабильность нук­

лида 38 Sr можно объяснить нечетным числом нейтронов в его ядре. Что же касается радиоактивного нуклида ^ Sr, то нестабильность его ядер может быть связана с особо большим избытком нейтронов по сравнению с протонами в ядре. Этой же причиной можно объяснить нестабильность ядер нуклида 'зз Cs, в то время как нуклид 1Ц Cs относится к стабильным. Нет сомнений, что 284 Ро является радио­

активным нуклидом, как и другие нуклиды этого элемента, поскольку атомный номер полония Z = 84, т.е. больше предельной величины, равной 83.

Комментарий. Обсуждение приведенных примеров показывает, что простые правила оценки стабильности ядер по их составу являются весьма полезными, но в некоторых случаях вывод может быть не вполне однозначным.

Если ядра элемента оказываются нестабильными, то они испытывают радиоак­ тивный распад. Ознакомимся с основными типами радиоактивного распада.

Альфа-распад заключается в испускании из ядер а-частиц (2а), которые пред­ ставляют собой ядра гелия 2Не2+ Скорость а-частиц составляет около 1/10 скорости

света (с = 3*108 м/с). Проходя через вещества, а-частицы выбивают электроны из мо­ лекул, при этом образуются «п&ры ионов» (обычно положительные ионы и электро­ ны). Альфа-частица, испускаемая из ядра, в воздухе совершает пробег длиной 2,5-8,6 см и образует на своем пути (вдоль трека) около 105 пар ионов. В конденсиро­ ванных фазах пробег а-частиц резко сокращается. Так, в воде длина пробега состав­ ляет лишь около 0,001 см. По мере уменьшения периода полураспада нуклидов энер­ гия испускаемых ими частиц, как правило, возрастает. Соответственно увеличивается их проникающая способность в веществах.

При альфа-распаде атомный номер ядер уменьшается на 2 единицы, а массана 4 единицы, что выражается уравнением ядерного превращения.

Альфа-распад наиболее характерен для нуклидов тяжелых элементов при Z > 83.

П р и м е р :

“2Pu-> “*U+42a.

Поскольку у-кванты не несут заряда и не обладают измеряемой массой, то нук­ лид сохраняет атомный номер и массовое число.

Так, метастабильный технеций-99, который обозначают "^Тс (период полураспада 6,02 часа), переходит в низкоэнергетическое состояние, испуская у-квант. Происходит превращение

"«Тс -> ” Тс + “у.

Нуклиды в возбужденном состоянии типа Amz X являются промежуточными продуктами радио­

На последующем этапе материнский нуклид "4^Тс переходит в более стабильный дочерний нуклид ^ Тс, испуская у-кванты. При детальном анализе этого перехода установлено, что происходит

он двумя параллельными путями согласно схеме

9 943т Тс

где символы у' у", у'"выражают испускаемые у-кванты. Испускание у-лучей в форме дискретных порций энергии отражает внутреннюю структуру ядра.

Позитронный распад - испускание ядрами позитронов °е+, которые обознача­ ют также символом °р + Позитронный распад сопровождается переходом в ядре про­

на единицу. Позитронный распад испытывают ядра с низким отношением Nn / Np. Пример позитронного распада

2 T c - > ” M o + ? e + + v.

Заметим, что позитрон является античастицей электрона и взаимное столкнове­ ние \ е и \е+ вызывает процесс аннигиляции:

В результате этого процесса электрон и позитрон исчезают и вместо них выде­ ляются два у-кванта.

Электронный захват заключается в поглощении ядром электрона с низкой электронной оболочки атома, которую обозначают символом X. Отсюда электронный

захват называют также ЛГ-захватом. Процесс электронного захвата сопровождается переходом в ядре протона в нейтрон:

и перескоком электронов с высших электронных оболочек на вак0нтные позиции АГ-оболочки, что сопровождается рентгеновским излучением. В целом процесс элек­ тронного захвата выражается уравнением

т.к. у них электронные оболочки с наименьшей энергией имеют малый радиус и ядра легко захватывают с них электроны. Но склонностью к захвату электронов обладают только те ядра, у которых отношение Nn/N p оказывается низким.

Электронный захват может быть проиллюстрирован следующим превращением нуклида ™К:

*8Ar + v + рентгеновское излучение.

Приведенное уравнение отражает лишь один из двух путей радиоактивного распада нуклида

^ К. Полная схема распада включает в себя две параллельные цепочки:

Пример 6.2. Определим формулу дочернего нуклида для каждого из следующих радиоактив­

ных распадов:

D ^ R a ^ Y + Я

2) J” A c - » Y + V + v 3) “ N a-> Y + У + v,

4)” 4 Se -> Y + “у,

5)JJ As + e -> Y + v + рентгеновское излучение.

Решение. 1) Атомный номер материнского нуклида уменьшается на две единицы, а массовое число - на четыре единицы. Следовательно, дочерний нуклид - 2^ Rn.

2) Бета-распад сопровождается превращением внутри ядра XQn°-*\p++ °,e"+v . Атомный номер дочернего нуклида увеличивается на единицу по сравнению с материнским. Следовательно, дочер­

4)Гамма-излучение не приводит к изменению атомного номера и массового числа нуклидов

иобеспечивает лишь понижение их энергии. Следовательно, дочерний нуклид - ^ Se.

5) Электронный захват сопровождается превращением внутри ядра: \р+ + d п° + v.

Атомный номер дочернего нуклида уменьшается на единицу по сравнению с материнским. Следова­

тельно, дочерний нуклид - Ц Ge.

При единичном радиоактивном распаде нестабильного нуклида не всегда обра­ зуется стабильный дочерний нуклид. Он может вновь испытывать радиоактивный распад. Если такая ситуация повторяется многократно, то возникает радиоактивный ряд. Родоначальниками радиоактивных рядов могут быть наиболее тяжелые элемен­ ты, радиоактивный распад которых, обычно альфа-распад, вновь приводит к образо­ ванию неустойчивого нуклида.

В природе известны три радиоактивных ряда, родоначальниками которых явля­

2gj Bi. В конце каждого ряда - стабильный нуклид. Нуклид 2^ Bi является радиоактив­

ным, но его период полураспада оценивается величиной 2,7-1017лет. Интересно, что массовые числа всех членов ряда тория кратны четырем и могут быть выражены формулой 4п. Три других ряда также подчиняются определенным формулам: 4п + 1 для ряда нептуния, 4п +2 для ряда урана и 4п +3 для ряда актиния.

Реакции при бомбардировке ядер (ядерные реакции). В ходе ядерных реакций происходит превращение одних элементов в другие путем бомбардировки ядер опреде­ ленного нуклида у-квантами, протонами, нейтронами, р-частицами, а-частицами (яд­ ра Не) и ядрами других элементов, обычно более легких, чем элемент мишени.

Первые ядерные реакции были осуществлены Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в 1932 г. Они провели бомбардировку а-частицами ядер легких элементов, как на­ пример 2*Mg + 2а ~> [?4 Si]—>i4Si + о«, и получили искусственные радионуклиды. В результате этой реакции образуется неустойчивый нуклид 22 Si, который испытывает позитронный распад: 22 Si—> 22 А1 + \е++ v.

В последнее время в качестве бомбардирующих частиц начали использовать также протоны \р, нейтроны d п, дейтроны 2 d (ядра ^Н*), ядра 12 С, ^N, ‘ЦО и другие. В связи с расширением круга бомбардирующих частиц существенно увеличилось разнообразие типов ядерных реакций. Многие из ядерных реакций удалось осущест­ вить благодаря ускорению бомбардирующих частиц.

Протоны и ядра легких элементов, как бомбардирующие частицы, отталкивают­ ся от ядер вещества мишени, и для преодоления сил отталкивания эти частицы при­ ходится разгонять до очень высоких скоростей. Альфа-частица, выделившаяся в ре­

зультате радиоактивного распада ядер, взаимодействует с легкими ядрами некоторых элементов без ускорения. В других случаях требуется их ускорение. Задачу ускорения заряженных частиц решают с помощью линейных или циклических ускорителей, принцип действия которых подробно обсуждается в курсе физики. Нейтроны также используют в качестве бомбардирующих частиц. Поскольку нейтроны - нейтральные частицы, они не испытывают отталкивания со стороны ядер и легко поглощаются многими из них, вызывая ядерные реакции.

Ознакомимся с некоторыми типами ядерных реакций, протекающих при бомбарди­ ровке ядер. Они различаются, в основном, видами бомбардирующих частиц, но возможны и разные схемы превращений нуклидов. Ознакомимся наряду с общими

схемами реакций и их уравнениями также и с формой условного обозначения ядер­ ных реакций. При составлении уравнений ядерных реакций обычно такие частицы, как нейтрино, опускаются.

Особый интерес вызывает ядерная реакция деления ядер 232U (и некоторых дру­

гих нуклидов) в результате захвата ими нейтронов. Ядра урана распадаются на ядра более легких элементов, массовые числа которых колеблются в пределах от 70 до 160. Типичный пример деления выражается уравнением

« и + ' л - ^ г + ^ Х е + З Я

При делении ядер выделяется очень большая энергия (раздел 6.2).

Пример 6.3. Заполним пробелы в следующих уравнениях ядерных реакций: а )23Сг + ? _>

-» “ Ga + > ; > + '> - > ™Es + ? ; б)238U(a, Зи)? ?(р,п)63’Zn.

Решение, а) В ходе первой реакции с учетом выделения I п изменения Zn А следующие: Z + 2

и А + 4. Следовательно, бомбардирующей частицей является \ а. В ходе второй реакции происходят следующие изменения Z и A: Z = (92+7) - 99 = 0 и А = (238 +14) - 247 = 5, что соответствует испуска­ нию 5 d п.

Составьте полные уравнения ядерных реакций и проверьте сделанные выводы.

Комментарий. Уравнения ядерных реакций основываются на балансе численных значений атомных номеров и массовых чисел.

Важнейшими характеристиками любого радионуклида являются период полурас­ пада и виды излучений, которые он испускает при распаде. Эти характеристики неко­ торых важных с практической точки зрения радионуклидов приведены в табл. 6.1.

Т а б л и ц а 6.1. Периоды полураспада и виды излучений некоторыхрадионуклидов

Указанные в табл. 6.1 виды излучений относятся непосредственно к акту распада соответствующих радионуклидов. Дочерние нуклиды также нередко оказываются ра­ диоактивными и порождают те или иные виды излучений.

или молекул облучаемого вещества. Вдоль треков ионизирующих частиц накаплива­ ются положительные ионы и электроны. Как уже отмечалось выше, у-кванты облада­ ют очень высокой проникающей способностью и поэтому проявляют наименьшее ио­ низирующее действие по сравнению с а- и Р-частицами, что создает некоторые труд­ ности при их регистрации. В ряде случаев частицы излучений и у-кванты могут вызы­ вать возбуждение электронов атомов вещества. При возвращении электронов на вакантные нижние атомные орбитали происходит испускание атомами квантов света. Все виды эффектов, порождаемых частицами излучений в веществах, исполь­ зуются в методах их регистрации. Основные типы регистрирующих устройств - счет­ чики Гейгера - Мюллера и сцинтилляционные счетчики.

Счетчики Гейгера - Мюллера работают по принципу регистрации импульсов электрического тока между электродами, которые возникают при ионизации газа за счет поступления в него ионизирующих частиц.

Счетчик представляет собой металлическую трубку, заполненную газом (обычно аргон), кото­ рый способен ионизироваться. Корпус трубки - отрицательный электрод. В качестве положительного электрода используют тонкую проволоку, натянутую по оси трубки. Между электродами создается разность потенциалов около 1000 В. В трубку вмонтировано окно (обычно с торца счетчика) из тон­ кого стекла или пластика, через которое внутрь счетчика поступают частицы излучения. В нормаль­ ном состоянии газ в трубке является изолятором и цепь между электродами остается разомкнутой для

электрического тока. Если ионизирующая частица, например \ а , порождает электрон, то последний

разгоняется в электрическом поле и на своем пути вызывает образование новых пар ионов и электро­ нов, создавая лавину заряженных частиц. Электронный прибор регистрирует импульс тока. Далее специальное реле понижает разность потенциалов между электродами и процесс ионизации прекра­

щается. Для уменьшения продолжительности импульса в аргон добавляют примеси газов (С 02, СН4, СН3СН2ОН или Вг2), которые поглощают выделяющиеся электроны.

Созданы пропорциональные счетчики, по конструкции подобные счетчикам Гей­ гера - Мюллера. Отличие их в том, что в таких счетчиках понижают разность потен­ циалов между электродами и подбирают ее величину на уровне, при котором импульс тока оказывается пропорциональным энергии ионизирующей частицы.

Сцинтилляционные счетчики содержат твердое вещество или жидкость (сцин­ тиллятор), которые под действием частиц излучения, включая у-кванты, дают вспыш­ ки света, фиксируемые электронными приборами. Классические примеры сцинтилля­ торов - ZnS, Nal с добавкой Т11 (1%).

Вспышки света внутри объема сцинтиллятора возникают вследствие того, что частицы из­ лучений передают электронам его атомов (или молекул) свою энергию и переводят их на более высокие по энергии атомные орбитали. Возврат электронов на нижние вакантные орбитали при­ водит к испусканию квантов света, проявляющихся в форме вспышек света. Для регистрации вспышек света обычно используют фотоумножители. Создают такие схемы регистрирующих приборов, которые обеспечивают пропорциональность между амплитудами регистрируемых им­ пульсов и энергией Р-частиц или у-квантов.

В качестве сцинтилляторов применяют также ароматические органические соединения, кото­ рые воспринимают энергию Ионизирующих частиц и испускают ее в форме квантов ультрафиолето­ вого света. Органические сцинтилляторы приготовляют в виде композиционных материалов с про­ зрачными полимерами или используют в качестве жидких сцинтилляторов.

Жидкие сцинтилляторы вводят непосредственно в раствор, содержащий радио­ нуклид. Такая методика особенно привлекательна для регистрации P-излучений низ­

кой энергии (радионуклиды *Н, **С, и другие).

Для регистрации ионизирующих излучений используют полупроводниковые детекторы. Твердые полупроводники более эффективно взаимодействуют с ионизи­

Счетчики используют для определения радиоактивности источников ионизи­ рующих излучений, т.е. для измерения в радиоактивном материале числа радиоак­ тивных распадов в единицу времени. Единица радиоактивности - беккерель, Бк. 1 Бк равен одному распаду в секунду. Удельную радиоактивность веществ определя­ ют как отношение радиоактивности вещества Ав к его массе тв:

ат - Ав!тв, (Бк/кг или Бк/г).

Внесистемная единица радиоактивности - кюри, Ки. 1 Ки = 3,7-Ю10Ек. Именно такое число радиоактивных распадов происходит в 1 г нуклида 2ЦRa.

Пример 6.5. Радионуклид ^Sr имеет период полураспада t\/2 = 2,8 часа. Какова активность

препарата, содержащего 0,15 мг радионуклида?

Решение. Определим число ядер в 0,15 мг радионуклида.

87 г / моль

Вычислим постоянную распада: