ОЯФРиД

3. ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ЯДЕРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ. ХИМИЯ ГОРЯЧИХ АТОМОВ

3.1. Образование радиоактивных изотопов и расчет энергии отдачи

Радиоактивные изотопы образуются при радиоактивном распаде, в результате ядерных реакций, и при делении ядер, т. е. в результате ядерных превращений. В случае ядерных реакций процесс получения атомов радиоактивного изотопа идет через образование так называемого промежуточного ядра. Исключение составляют реакции, протекающие с быстрыми частицами, энергия которых во много раз превышает энергию связи нуклонов в ядре атома (более 30-50 МэВ).

Распад атомов материнского радиоактивного изотопа с превращением их в атомы дочернего радиоактивного изотопа, распад промежуточного ядра, получающегося при ядерных реакциях, и деление ядер протекают с испусканием частиц (нейтронов, протонов, - частиц, электронов, осколков деления) или квантов ( -квантов, лучей Рентгена).

В результате испускания частицы или кванта ядро получает энергию отдачи, которая может быть рассчитана, исходя из закона равенства импульсов (по модулю)

нейтронов и т. п.), квантов, электронов и -распад.

Испускание «тяжелых» частиц. Импульс частицы равен:

Р =mv (3.5)

где m и v — масса и скорость частицы.

Из уравнений (3.4) и (3.5) следует, что кинетическая энергия атома отдачи в этом

где — кинетическая энергия испускаемой частицы.

Подставляя в МэВ, а М и m в атомных единицах массы, получаем значение энергии отдачи в МэВ.

Пример. При радиоактивном распаде радон-222 испускает -частицу с энергией 5,482 МэВ. Образующийся при этом атом отдачи RaA (Po-218) будет иметь энергию отдачи

E 2184 5,482 0,1

Так как энергия -частиц при радиоактивном распаде и энергия частиц, испускаемых промежуточным ядром при ядерных реакциях, имеют значения порядка нескольких МэВ, то энергии отдачи имеют значения порядка десятых МэВ.

Испускание квантов. Импульс кванта (фотона) определяется из уравнения

где — энергия фотона; с — скорость света.

Из уравнений (3.4) и (3.7) следует, что кинетическая энергия атома отдачи после испускания фотона равна:

Кафедра радиохимии и

где p 1 и p 2 — импульсы первого и второго квантов; — угол между ними.

Таблица 3.1. Эмиссия -квантов при распаде промежуточных ядер, получающихся при ядерных

реакциях

Pγ,1

θ

P

Pγ,2

Рис.3.1. К расчету величины суммарного импульса при одновременном испускании ядром двух -квантов.

Из уравнений (3.7), (3.8) и (3.10) получаем:

Значение E меняется в зависимости от угла между квантами. Максимальное и минимальное значения энергии, отвечающие эмиссии фотонов в одном и противоположных направлениях определяются выражением (3.12):

Кафедра радиохимии и

Проведя те же преобразования, что и в выражении (3.8) получим для E (в МэВ):

Здесь, как и в выражении (3.9), берется в МэВ, а М — в атомных единицах массы. Значения энергии отдачи при испускании -квантов определенной энергии

атомами различных масс приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Зависимость энергии отдачи от массы атомов отдачи и энергии испускаемых -

квантов

Испускание моноэнергетических электронов. Моноэнергетические электроны испускаются при изомерном переходе возбужденных и метастабильных ядер путем внутренней конверсии. Импульс электрона ре определяется из уравнения

где е — энергия электрона; m0 — масса покоя электрона.

Из уравнений (3.4) и (3.14) следует, что кинетическая энергия атома отдачи Eе равна:

Введя значение скорости света, массы электрона и взяв массу в атомных единицах, получим выражение для энергии отдачи в МэВ:

Пример. При радиоактивном распаде 69mZn происходят испускание квантов с энергией 0,436 МэВ и электронов конверсии с энергией 0,426 МэВ. Энергия отдачи равна

Кафедра радиохимии и

Энергия электронов конверсии обычно составляет десятки и сотни кэВ, а энергия отдачи — от сотых долей до нескольких эВ. В табл. 3.3 приведены значения энергии отдачи при испускании электронов конверсии в зависимости от их энергии и массы атомов отдачи.

-Распад. При -распаде одновременно с электроном испускается нейтрино. Так же, как и при испускании двух фотонов, суммарный импульс р определяется уравнением

где pe и p —импульсы -частицы и нейтрино; — угол между ними.

Таблица 3.3. Зависимость энергии отдачи от массы атомов отдачи и энергии электронов конверсии

Принимая во внимание, что p = /c, где — энергия нейтрино, подставляя в (3.17) значение pe из (3.14), получим для кинетической энергии атома отдачи после -распада

или, взяв значения массы в атомных единицах массы и энергию в МэВ, получим:

Кафедра радиохимии и

отличаются знаком суммы в выражении

Пример. При -распаде RaE получается 210Pо, максимальная энергия -частиц равна 1,17 МэВ. Отсюда максимальное значение энергии отдачи равно

Максимальная энергия электронов при -распаде имеет значения от десятых до нескольких МэВ. Энергия отдачи меняется от сотых до нескольких десятков эВ (см. табл. 3.3).

Энергия отдачи может быть также рассчитана, исходя из энергетических характеристик ядерной реакции. Для «тяжелых» частиц она равна:

где Ен и mн— энергия и масса налетающей частицы; Q — энергия ядерной реакции; М

— масса атома отдачи, образующегося в результате реакции; m — масса вылетевшей частицы.

В случае , n-реакции

где — энергия -кванта; Еn — энергия нейтрона.

3.2. Образование атомов отдачи

Если радиоактивный атом, получающийся в результате ядерного превращения, образуется в молекуле, то его энергия отдачи передается остатку молекулы и идет на ее

Энергия возбуждения молекулы, которая может затратиться на разрыв химической

связи:

Кафедра радиохимии и

Если MR>>M, то Ев=Е и почти вся энергия отдачи может идти на разрыв химической связи. При МR=М лишь половина энергии отдачи может затрачиваться на разрыв химической связи, а если МR<<М, то Eв близка к нулю и вся энергия отдачи переходит в энергию поступательного движения всей молекулы. Химическая связь в этом случае сохраняется. В табл. 4.4 приведены значения энергий связи атомов галогенов и энергий, идущих на разрыв химической связи в молекулах галогенводородов и галогеналкилов после n, - реакций.

Таблица 3.4. Соотношение между энергией химической связи (Ех.св) и энергией, расходуемой на

разрыв связи в n, -реакции

Из табл. 3.4 видно, что в случае бромистого и йодистого водорода доля энергии отдачи, идущая на разрыв химической связи, недостаточна для ее нарушения.

Так как энергии связи атомов в молекулах составляют величины порядка 2—5 эВ, то в подавляющем большинстве случаев после ядерных превращений вновь образованные в молекулах радиоактивные атомы разрывают химические связи и с большой скоростью движутся в среде — образуют атомы отдачи («горячие» атомы). Случаи, в которых

химическая связь может сохраниться, описаны далее.

Кафедра радиохимии и