Закон радиоактивного распада

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N(t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N(t) изменилось на ΔN . Тогда

N(t) = N₀ · 2^–t/T.

Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер N₀

Деление атомных ядер

При реакции ядерного деления тяжелое ядро, например, ядро урана, расщепляется на два меньших ядра. При попадании нейтрона в ядро урана образуется нестабильное составное ядро , которое живет всего 10^–12 с и затем расщепляется на две части. В таких процессах суммарная масса продуктов реакции всегда меньше массы исходного ядра, потому что часть энергии связи исходного ядра превращается в кинетическую энергию движения осколков. Высвобождающаяся энергия равна примерно 200 МэВ при одном делении. Примерно 165 МэВ выделяется в виде кинетической энергии ядер – осколков, остальная доля приходится на гамма - излучение и нейтроны.

Реакцию деления урана можно условно записать так:

+→ → N₁ +N₂ + нейтроны,

где N₁, N₂ – ядра – осколки деления.

В результате захвата нейтрона ядро распадается на две неравные части. Чаще всего массы осколков относятся как 2 : 3. Типичная реакция деления:

+→ + + 3

Соответственно случайному характеру процесса расщепления возникает не всегда одна и та же пара продуктов распада, но весьма разнообразная их смесь. Все дочерние ядра радиоактивны, так как по сравнению со своими устойчивыми изотопами они содержат слишком много нейтронов. Каждое из образовавшихся при расщеплении ядер дает начало новому небольшому ряду распадов. Но в любом случае деление ядра урана сопровождается высвобождением 2 – 3 нейтронов. Именно благодаря этому явлению процесс распада ядра урана приобрел техническое значение.

При попадании нейтрона в ядро изотопа урана происходит несколько другой процесс. Образовавшееся в результате захвата нейтрона нестабильное ядро не расщепляется на осколки, но становится β – радиоактивным, то есть испускает электрон и превращается в ядро нептуния:

+→;

→+

В свою очередь, нептуний-239 превращается в устойчивое ядро плутония с периодом полураспада 24100 лет:

→+

Важно, что плутоний принадлежит к числу тех немногих нуклидов, которые могут расщепляться под действием нейтронов

Сравнение энергетического выхода реакций горения органического топлива и реакций ядерного деления

Как мы уже выяснили, при одном акте деления ядра урана выделяется около 200 МэВ. Много это или мало? Возьмем 1 кг способного к расщеплению урана–235. Чтобы рассчитать содержащееся в нем число ядер (равное числу атомов), нужно массу всего вещества разделить на его молярную массу и умножить на число Авогадро N_A = 6.02•10²³ 1/моль:

N = = 2,5610²⁴ ядер.

Учитывая, что 1МэВ = 1,610^-13 Дж = 4,4510^-20 кВт-час, получаем полную выделяющуюся энергию

Е = 2,5610²⁴2001,610^-13 Дж = 8,1910¹³Дж = 2,28 10⁷ кВт-час.

При сгорании одного килограмма угля выделяется количество теплоты, равное 310⁷ Дж. Это означает что для получения энергии, равной энергии реакции распада 1 кг урана-235, нужно сжечь больше 2700 тонн угля.