Радиоактивность. Ядерные реакции.


радиоактивность — самопроизвольое превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Основные виды радиоактивного распада:
α-распад — ядро атома испускает два протонаи два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 42H; этот распад приводит к уменьшению заряда исходного радиоактивного ядра на 2, а его массового цисла на 4.

β-распад — один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон; возникающий при этом электрон вылетает из ядра, положительный заряд которого возрастает на единицу. Возможно также превращение протона в нейтрон, сопровождающееся возникновением позитрона (позитрон — элементарная частица с массой равной массе электрона, но несущая положительный заряд, по абсолютной величине заряд позитрона равен заряду электрона).
Отсюда различают два вида β-распада:
1. электронный β-распад-распад)

нейтрон → протон + электрон (+ нейтрино + антинейтрино — не записывают в радиоактивных превращений)
n → p + e

2. позитронный β-распад+-распад)

протон → нейтрон + позитрон
p → n + e+

Таким образом, в результате β-распада образуется атом элемента, заряд которого либо больше на единицу (в случае β-распада) либо меньше на единицу (в случае β+-распада).

Процесс превращения протона в нейтрон с образованием позитрона может происходить в тех случаях, когда неустойчивость ядра вызвана избыточным содержанием в нем протонов. При этом, один из протонов, входящих в состав ядра, превращается в нейтрон — заряд ядра уменьшается на единицу.

Электронный захват — вид радиоактивного распада, при котором один из электронов атомной электронной оболочки захватывается ядром; взаимодействие захваченного электрона с одним из содержащихся в эдре протонов приводит к образованию нейтрона:

e + p → n

Электрон чаще всего захватывается из ближайшего к ядру K-слоя (K-захват), реже из L- или M-слоев электронной оболочки.

Спонтанное деление — вид радиоактивного распада, при котором происходит самопроизвольный распад ядер тяжелых элементов на два (иногда три или четыре) ядра элементов середины Периодической системы химических элементов. Варианты такого деления очень разнообразны и не имеют общих правил смещения по периодической системе; чаще всего происходит распад исходного ядра на тяжелый и легкий осколки, несущие, соответственно, около 60 и 40 процентов заряда и массы исходного ядра. При спонтанном делении распадающееся ядро испускает 2-4 нейтрона; образующиеся новые ядра все еще содержат избыток нейтронов (являются изотопами своих элементов), оказываются неустойчивыми и поэтому претерпевают последовательный ряд β-распадов.

Химические элементы расположенные в конце Периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и так далее до тех пор, пока результатом распада не будет атом устойчивого изотопа. Ряд элементов, образующихся подобным образом, один из другого, называется радиоактивным рядом. Например, радиоактивный ряд урана:

238U → (α; Т½ = 4.5·109 лет) → 234Th → (β; Т½ = 24 суток) → 234Pa → (β; Т½ = 1.2 минуты) → 234U → (α; Т½ = 2.5·105 лет) → 230Th → (α; Т½ = 8·104 лет) → 226Ra → (α; Т½ = 1620 лет) → 222Rn → (α; Т½ = 3.85 суток) → 218Po → (α; Т½ = 3.05 минуты) → 214Pb → (β; Т½ = 27 минут) → 214Bi→ (α; Т½ = 20 минут) → 214Po → (α; Т½ = 6·10-4 c) → 210Pb → (β; Т½ = 19 лет) → 210Bi → (β; Т½ = 5 cуток) → 210Po → (α; Т½ = 138 cуток) →206Pb (устойчив)

При β-распаде массовое число изотопа не меняется, а при α-распаде уменьшается на 4. Поэтому возможно существование 4 радиоактивных рядов:
— один из них включает изотопы, массовые числа которых выражаются общей формулой 4n (n — целое число) — ряд тория 232Th → 208Pb;
— второму отвечает общая формула массового числа 4n + 1 — ряд нептуния 237Np (получен искусственно) → 209Bi;
— третьему — 4n + 2 — это и есть радиоактивный ряд урана;
— четвертому 4n + 3 — ряд актиния, начинающийся с 235U → 207Pb.

Свинцовый метод определения возраста. Накопление свинца в результате распада содержащихся в минералах радиоактивных элементов позволяет определять возраст соответствующих горных пород. Зная скорость распада 238U, 232Th, 235U и определив их содержание, а также содержание и изотопный состав свинца в минерале, можно вычислить возраст минерала, т.е. время, прошедшее с момента его образования.
Гелиевый метод определения возраста. Пригоден для минералов с протной кристаллической упаковкой, хорошо сохраняющей содержащиеся в кристаллах газы, возраст радиоактивного минерала устанавливается по количеству гелия образовавшегося в нем в результате радиоактивных превращений.
Радиоуглеродный метод определения возраста. Прогоден для сравнительно молодых образований (до 70000 лет). Метод основан на радиоактивном распаде изотопа углерода-14, период полураспада которого равен 5600 лет. Этот изотоп образуется в атмосфере под действием космического излучения и усваивается организмами, после гибели которых его содержание убывает по закону радиоактивного распада. Радиоактивность содержащегося в ископаемых останках углерода, сравнивают с радиоактивностью углерода в атмосфере и рассчитывают геологический возраст.

Искусственная радиоактивность.
Была обнаружена в 1933 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри. Первая искуственная ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Резерфордом. Воздействуя на атомы азота потоком альфа-частиц, ему удалось осуществить следующий процесс:

17N + 4He → 17O + p

Для осуществления ядерной реакции, бомбардирующая частица должна обладать большой энергией, которая достигается путем разгона цастицы в ускорителях элементарных частиц (циклотроны, синхрофазотроны и др.). В настоящее время получены сотни радиоактивных изотопов химических элементов, а также новые химические элементы, которыми пополняется Периодическая система. Раздел химии, изучающий радиоактивные элементы и их поведение, называется радиохимией (существует еще радиационная химия — этот раздел химии изучает влияние ионизирующих излучений на химические процессы).

Первая ядерная реакция , которую применили для получения энергии, представляет собой деление ядра урана 235U под действием проникающего в ядро нейтрона. При этом образуется два новых ядра-осколка блисзкой массы, испускается несколько нейтронов — это вторичные нейтроны, и освобождается огромная энергия: при распаде 1 г. 235U выделяется 7,5·107 кДж, это количество энергии больше, чем выделяется при сгорании 2 тонн каменного угля. Вторичные нейтроны могут захватываться другими ядрами 235U, и в свою очередь вызывать их деление. Таким образом, число отдельных актов распада прогрессивно увеличивается, возникает цепная реакция деления ядер урана — цепная ядерная реакция.
Не все вторичные нейтроны участвуют в развитии этого цепного процесса: некоторые из них успевают вылететь за пределы куска урана, на успев столкнуться с ядром способного к делению изотопа. Поэтому в небольшом куске урана, начавшаяся цепная реакция может оборваться. Для ее непрерывного продолжения, масса куска урана должна быть достаточно велика, такая масса радиоактивного вещества, при которой возникающая ядерная цепная реакция приобретает непрерывный характер, называется — критическая масса радиоактивного вещества. Неконтролируемая цепная ядерная реакция, может приобрести характер взрыва, что и происходит при взрыве атомной бомбы.
Для получения управляемой ядерной реакции деления необходимо регулировать скорость процесса, путем контроля над количеством нейтронов принимающих участие в ядерной реакции. Контроль количества нейтронов, осуществляется путем введения в реактор специальных стержней, изготовленных из материалов интенсивно поглощающих нейтроны (например, кадмий).

Ракции ядерного синтеза, также являются источником огромного количества энергии. Так, при образовании ядра атома гелия из ядер дейтерия и трития:

2H + 3H → 4He + n

на каждый грамм реакционной смеси выделяется 35·107 кДж, что почти в 5 раз больше, чем при распаде 1 г урана-235. Для проведения таких реакций ядерного синтеза, необходима температура прядка 1 миллиона градусов по цельсию, поэтому такие реакции ядерного синтеза получили название -реакции термоядерного синтеза или просто термоядерная реакция.
В связи с технологической сложностью получения такой высокой температуры, необходимой для инициации термоядерной реакции, пока удалось осуществить только неуправляемую термоядерную реакцию (водородная бомба), и единичные примеры лабораторных экспериментов на ускорителях заряженных частиц.

Радиация — ионизирующее излучение.
Ионизирующие излучения — это различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество.
Существуют два типа ионизирующего излучения:

Коротковолновое электромагнитное излучение

  • рентгеновское излучение
  • гамма-излучение

Потоки частиц

  • альфа-частиц
  • бета-частиц
  • протонов, мюонов, других ионов
  • другие ядра частицы-осколки возникающие от деления ядер

Источники ионизирующего излучения бывают:

Природные

  • радиоактивный распад радионуклидов
  • термоядерные реакции на Солнце
  • индуцированные ядерные реакции возникающие в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц при распаде ядер
  • космические лучи

Искусственные

  • искусственные радионуклиды
  • ядерные реакторы и испытания ядерного оружия
  • ускорители элементарных частиц
  • Рентгеновский аппарат

Бытовые дозиметры измеряют ионизацию за определенное время — её мощность. Единица измерения — микроРентген в час. Именно этот показатель наиболее важен для человека, так как позволяет оценить опасность того или иного источника радиации.
1 рентген — доза фотонного излучения, образующего ионы, несущие 1 ед. заряда СГСЭ ((1/3)·10-9 кулон) в 1 см3 воздуха при нормальном атмосферном давлении и 0°C. В воздухе в 1см3 образуется 2,08·109 пар ионов.
Зиверт (обозначение: Зв, Sv) — единица измерения СИ эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения (используется с 1979 г.). 1 Зв = 1 Дж / кг
Грей (обозначение: Гр, Gy) — единица измерения поглощённой дозы ионизирующего излучения в системе СИ. Поглощённая доза равна одному грею, если в результате поглощения ионизирующего излучения вещество получило один джоуль энергии в расчёте на один килограмм массы. 1Гр = 1Дж / кг
1 рентген/час = 1 Зв


Комментарии запрещены.