1.1. Строение вещества

Все вещества состоят из молекул - частиц, каждая из которых определяет все физико-химические свойства вещества.

Молекулы простых веществ (К, Не, О₂, Н₂, Мо,...) состоят из одного или нескольких атомов одного химического элемента.

Молекулы сложных веществ (UO₂, Н₃ВО₃, В₄С, ...) состоят из атомов нескольких химических элементов.

Молекулы и составляющие их атомы различаются прежде всего по их массе. Для удобства сравнения массы различных молекул (атомов) принято измерять в относительных единицах, называемых атомными единицами массы (а.е.м.).

Атом – это мельчайшая частица химического элемента. От строения атома зависят химические свойства элемента, в частности – его способность соединяться с атомами других элементов с образованием молекул сложных веществ.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам электронов.

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Атомное ядро состоит из элементарных частиц – нуклонов, которые имеют две разновидности, называемые протонами (p) и нейтронами (n). Все основные характеристики протонов и нейтронов – размеры, массы и другие – практически одинаковы, и их главное различие заключается в электрическом заряде: заряд протона равен +е, а заряд нейтрона равен нулю, т.е. нейтрон электрически нейтрален.

. Ядро любого атома имеет сложную структуру и состоит из частиц, называемых нуклонами. Известно два типа нуклонов - протоны и нейтроны.

Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице, то есть величине элементарного заряда (электрона).

Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.

Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Поскольку атомный номер определяет в соответствии с Периодическим Законом Д.И.Менделеева индивидуальность только химических свойств атома элемента, об изотопах всегда говорят со ссылкой на символ соответствующего им химического элемента в Периодической Системе.

Например, ²³³U, ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁶U, ²³⁸U, ²³⁹U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов Д.И.Менделеева имеет порядковый номер z = 92.

Изотопы любого химического элемента, как видим, имеют равное чис­ло протонов, но различные числа нейтронов.

Нуклиды равной массы (A), но с различными зарядами z называют изобарами.

Дефект массы. Согласно теории относительности, любое изменение энергии системы сопровождается и изменением ее массы: Δ Е =Δ М·с². Поскольку при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия связи, то согласно последнему соотношению, такой процесс должен приводить к уменьшению массы системы. Поэтому масса ядра всегда оказывается меньше суммы масс отдельно взятых нуклонов, из которых это ядро состоит:

Δ М = ZM_H + (A – Z)m_n – M(A,Z) .

Разница масс покоя составляющих ядро нуклонов и массы покоя ядра называется избытком (или дефектом) масс и обозначается m.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра

_св = E_св / A, (1.8)

называется удельной энергией связи. Эта величина является средней характеристикой ядерных сил, стягивающих нуклоны в ядро.

. В зависимости от вида испускаемых возбуждённым ядром частиц известны следующие виды радиоактивного распада:

- -распад, то есть распад, сопровождающийся испусканием возбуждёнными ядрами -частиц (массой 4 а.е.м. с зарядом z = 2), по существу являющихся лишёнными внешних электронов ядрами атомов гелия, а потому часто обозначаемых как и называемых гелионами;

- -распад, то есть распад, сопровождающийся испусканием быстрых электронов или позитронов; эти два вида частиц равной массы отличаются только знаками электрического заряда: электроны имеют элементарный отрицательный заряд, а позитроны - положительный заряд такой же величины; эти частицы имеют общее название - -частицы;

- -распад - то есть распад, сопровождающийся испусканием жёсткого электромагнитного излучения с частотой выше частоты рентгеновского излучения, называемого гамма-излучением;

- нейтронный распад - распад, сопровождающийся испусканием возбуждённым ядром нейтрона; благодаря этому виду радиоактивного распада в ядерном реакторе появляются так называемые запаздывающие нейтроны, имеющие большое значение для управляемости реактора.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия. Проникающая способность альфа-частиц, т.е. способность проходить через слой какого-либо вещества определенной толщины, небольшая. Поэтому внешнее воздействие альфа-частиц на живой организм не является опасным. Однако альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, и их попадание внутрь организма через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт или раны вызывает серьезные заболевания. Бета-излучение состоит из потока электронов. Они имеют значительно большую проникающую, но меньшую ионизирующую способность по сравнению с альфа-частицами. Именно высокая проникающая способность электронов является опасным фактором при облучении этими частицами. Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. Они не только глубоко проникают в организм, но и оказывают сильное ионизирующее воздействие. Вследствие этого гамма-излучение чрезвычайно опасно для человека.

1.5.2. Радиоактивный распад любого вида подчинён единой закономерности:

Скорость радиоактивного распада (количество ежесекундно испускаемых частиц, равное числу ежесекундно распадающихся ядер) пропорциональна только наличному в данный момент количеству радиоактивных ядер.

, (1.5.1)

Ядерной реакцией принято называть процесс и результат взаимодействия ядер с различными ядерными частицами (альфа-, бета-частицами, протонами, нейтронами, гамма-квантами и т.д.).

Для понимания физических процессов в ядерном реакторе, наиболее важен класс нейтронных ядерных реакций, то есть реакций, инициируемых нейтронами

 Первой моделью ядра была капельная модель, развитая в работах Н. Бора, Дж. Уиллера иЯ. Френкеля. В этой модели атомное ядро рассматривается как сферическая капля заряженной жидкости. Основанием для такой аналогии послужило то, что плотность ядерного вещества у всех ядер вблизи линии стабильности приблизительно одинакова, что говорит о его несжимаемости

Оболочечная модель во многих случаях хорошо воспроизводит экспериментальные значения спинов и четностей, электрических квадрупольных и магнитных моментов атомных ядер, средние времена жизни  -активных ядер, объясняет распределение ядер изомеров.

Ядерные силы

Ядерные силы относятся к так называемым сильным взаимодействиям и существенно отличаются по своим свойствам от электромагнитных и гравитационных. В полной мере природа ядерных сил до настоящего времени не выяснена. Даже для простейшей системы из двух нуклонов неизвестна зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами. Короткодействие ядерных сил и свойство насыщения, многообразие свойств ядерных сил не позволяют создать законченную теорию, подобную квантовой электродинамики для расчета свойств атомов.

Перечислим свойства ядерных сил и укажем на экспериментальные факты, подтверждающие эти свойства.

 1. Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами действуют силы притяжения, что подтверждается существованием стабильных ядер. Эти силы самые интенсивные в природе. Например, энергия связи простейшего ядра - ⁴Не - составляет 2,22 МэВ, а простейшего атома – водорода – равна 13,6 эВ.

2. Уже первые опыты Резерфорда показали, что ядерные силы – короткодействующие. Это свойство ядерных сил подтверждается многочисленными данными по измерению размеров атомных ядер. Ядерные силы удерживают нуклоны на расстояниях ~ (1,2 ÷ 1,4) ·10^‑13см. При расстояниях между нуклонами, превышающих 2·10^‑13см действие ядерных сил не обнаруживается, тогда как на расстояниях меньших 1·10^‑13см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

3. На расстояниях, где между протонами действуют ядерные силы притяжения, они превосходят кулоновские силы отталкивания приблизительно в 100 раз, действие которых на этих расстояниях также очень велико. Короткодействие ядерных сил приводит к резкому разграничению областей, где действуют только дальнодействующие кулоновские силы, или только ядерные, которые подавляют кулоновские силы на малых расстояниях. На рис.1.9.1а показана потенциальная энергия взаимодействия протона с тремя различными ядрами: легким ( ), средним ( )и тяжелым ( ). Функции U(r) представляют собой энергию взаимодействия между протоном и ядром. За границами ядра существует только кулоновское отталкивание, энергия которого равна

Изомеры - вещества, имеющие один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

Радиоактивное равновесие – состояние, которое с течением наступает, когда при радиоактивном распаде ядер исходного нуклида А образуются также радиоактивные ядра дочернего нуклида В, причем скорость радиоактивного распада дочернего радионуклида значительно превышает скорость радиоактивного распада материнского радионуклида.

   Доза излучения (поглощённая доза) – энергия ионизирующего излучения, поглощённая облучаемым объектом и рассчитанная на единицу массы этого объекта. Доза - основная величина, определяющая радиационное воздействие излучения на объект. Величина дозы зависит от вида излучения, его интенсивности, энергии его частиц, времени облучения, элементного состава объекта. В процессе облучения доза со временем накапливается. Поглощенная доза в единицу времени называется мощностью дозы.     Поглощённая доза в системе СИ измеряется в греях (Гр). 1 Гр равен энергии в 1 Дж, поглощённой массой в 1 кг. Распространена внесистемная единица дозы – рад. 1 рад = 10^-2 Дж/кг = 10^-2 Гр.     Дозу электромагнитного (рентгеновского и гамма-) излучения определяют в рентгенах (Р). 1 Р это такая доза электромагнитного облучения, которая в 1 грамме сухого воздуха при нормальных условиях (0^о С и 760 мм ртутного столба) производит 1.6^.10¹² пар ионов. 1Р = 0.88^.10^-2 Гр = 0.88 рад. Таким образом, 0.88 рад – энергетический эквивалент рентгена.

Основное действие всех ионизирующих излучений на организм сводится к ионизации тканей тех органов и систем, которые подвергаются их облучению. Приобретенные в результате этого заряды являются причиной возникновения несвойственных для нормального состояния окислительных реакций в клетках, которые, в свою очередь, вызывают ряд ответных реакций. Таким образом, в облучаемых тканях живого организма происходит серия цепных реакций, нарушающих нормальное функциональное состояние отдельных органов, систем и организма в целом. Есть предположение, что в результате таких реакций в тканях организма образуются вредные для здоровья продукты — токсины, которые и оказывают неблагоприятное влияние.

физический процесс, в котором ядра атомов, связанные в твердом теле, испускают и поглощают g-кванты (коротковолновое рентгеновское излучение) без изменения внутренней энергии (т.е. без отдачи). Спектральные линии упругого испускания и поглощения g-лучей чрезвычайно узки (10-5 - 10-10 эВ, относительная ширина 10-10 - 10-15), что позволяет использовать эффект Мессбауэра для измерения малых сдвигов энергии (частоты) g-квантов, вызванных теми или иными воздействиями на ядро. 

Процесс превращения ядер одних элементов в ядра других называется ядерной реакцией. Ядерные реакции бывают самопроизвольные и искусственные. Примером самопроизвольных ядерных реакций являются реакции радиоактивного распада ( см. тему "Радиоактивность"). Искусственные ядерные реакции возникают при бомбардировке ядер элементов быстрыми элементарными частицами или другими ядрами. Наибольшей эффективностью обладают -частицы. При ядерных реакциях должны выполняться законы сохранения заряда, массы и энергии.

Согласно модели составного ядра, ядерная реакция проходит в два этапа: поглощение налетающей частицы ядром с образованием составного ядра и распад составного ядра. Из-за сильного взаимодействия между нуклонами кинетическая энергия налетающей частицы быстро перераспределяется между большим количеством нуклонов промежуточной системы. В результате образуется квазиравновесная система так называемое составное или компаунд-ядро. Так как энергия в составном ядре статистически распределена между многими нуклонами, вероятность того, что один из нуклонов будет иметь энергию, достаточную для вылета из ядра, мала, поэтому время жизни составного ядра велико. Эмиссия из такой системы определяется характеристиками составного ядра как целого и не зависит от способа его образования. То есть в модели составного ядра сечение реакции с образованием частицы b в конечном состоянии можно записать в виде

Реакции с заряженными частицами (протонами, -частицами, дейтонами и другими ядрами) имеют характерные особенности, ненаблюдаемые в реакциях под действием γ-квантов и нейтронов.

Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.

надбарьерное отражение — этот термин употребляется, чтобы описать невозможное в классической физике явление отражения от потенциального барьера, высота которого меньше полной энергии частицы

 процессы, для к-рых характерна резкая немонотонная зависимость эфф. сечения от энергий бомбардирующих частиц. Для сечений мн. ядерных реакций и процессоврассеяния микрочастиц характерно наличие острых резонан-сов. Это связано с существованием квазистационарных (метастабильных) состояний в промежуточных составных системах, время жизни к-рых заметно больше времени пролёта частицы через ядро (см. Составное ядро). Стабильность таких квазистационарных состояний в условиях, когда возможно ("открыто") много каналов распада, обусловлена кулоновским и центробежным барьерами, задерживающими процессы распада, а также сложностью внутр. структуры. Вероятности образования конфигураций, связанных с каналами распада, для таких структур оказываются малыми. О. Бор объяснил природу узких резонансов, наблюдающихся в ядрах при высоких энергиях возбуждения, исходя из представления о существовании квазистационарных уровней ядер сложной (статистической) природы [1].

Нейтронные реакции - это процесс и результат взаимодействия нейт­ронов с атомными ядрами. Нейтроны, входящие в состав атомных ядер, называют связанными, в от­личие от нейтронов, перемещающихся в объёме среды вне ядер атомов, ко­торые называютсвободными. Именно они, эти свободные нейтроны, сталки­ваясь в процессе своего пространственного перемещения с ядрами атомов среды и взаимодействуя с последними, вызывают различного рода нейтрон­ные реакции. Лёгкая осуществимость подавляющего большинства нейтронных реакций обусловлена электронейтральностью нейтронов, благодаря которой (в от­личие от частиц с электрическим зарядом) они имеют возможность легко преодолевать энергетический барьер электростатического поля заряженно­го ядра, попадать в сферу действия его ядерного притяжения и взаимо­действовать с нуклонами ядра, вызывая их кардинальную перестройку.  Это и составляет суть нейтронных ядерных реакций.

Воспроизводящий нуклид

нуклид, способный прямо или косвенно превращаться в делящийся нуклид за счет захвата нейтронов. В природе существуют два воспроизводящих нуклида — уран-238 и торий-232.

Пороговый нуклид

Делимый нуклид - нуклид, который делится под действием нейтронов, если их энергия превышает определенный предел