Радиоактивность

В 1896г А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает лучи, вызывающие свечение некоторых веществ и потемнение фотопластинки. Это свойство было названо радиоактивностью, а излучение – радиоактивным.

Радиоактивный распад - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

Наиболее распространенными видами радиоактивности являются α, β и γ – распады.

α-частицы – поток ядер гелия ( Не), состоящих из двух протонов и двух нейтронов, β-частицы – поток электронов ( е) или позитронов ( е), γ-лучи – поток фотонов высокой энергии.

В результате α-распада число протонов в ядре уменьшается на две единицы, на столько же единиц уменьшается число нейтронов, массовое число уменьшается на 4, например:

.

Общая схема α-распада

, (4.2.1)

где Х — материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, Не — ядро гелия (a -частица).

Вылет из ядра электрона (β - распад) связан с превращением одного из нейтронов ядра в протон. В результате число протонов в ядре увеличится на единицу, а суммарное число протонов и нейтронов останется неизменным. Следовательно, при β-распаде образуется новое ядро с атомным номером на единицу большим, чем у исходного, и тем же массовым числом, например:

Общая схема β -распада

(4.2.2)

где Х — материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, е— символическое обозначение электрона (заряд его равен –1, а массовое число — нулю). - электронное антинейтрино. Нейтрино - электрически нейтральная частица, уносящая часть энергии распада. Необходимость появления нейтрино вытекает из закона сохранения спинового числа в процессе ядерных превращений.

Выражения (4.1.1) и (4.1.2) иногда называют правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух зако­нов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрического за­ряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Отметим, что α-распад присущ в основном радионуклидам с Z > 82, т.е. ядра которых состоят из большого числа протонов и нейтронов. У подавляющего большинства известных в настоящее время естественных и искусственных радионуклидов наблюдается электронный β^- - распад. Лишь у незначительной части искусственных радионуклидов наблюдается β⁺-распад.

В большинстве случаев ядро, образующееся в процессе радиоактивного распада, оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядра в невозбужденное состояние сопровождается испусканием γ-излучения, то есть, потока фотонов.

 

4.3. Античастицы. Позитронный b - распад.

 

П. Дираком было получено (1928) релятивистское волновое уравнение для электрона, которое позволило объяснить все основные свойства электрона, в том числе наличие у него спина и магнитного момента. Замечательной особенностью уравнения Дирака оказалось то, что из него для полной энергии свободного электрона получались не только положительные, но и отрицательные значения. Этот результат мог быть объяснен лишь предположением о существовании античастицы электрона — позитрона.

Существование позитронов было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Эти частицы в камере отклонялись так,какотклоняется движущийся положительный заряд. Опыты показали, что позитрон е — частица с массой покоя, в точности равной массе покоя электрона, и спином ½ (в единицах ), несущая положительный электрический заряд + е.

Фредерик Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри, — бомбардируя раз­личные ядра a -частицами (1934), обнаружили реакции, соответствующие b ⁺ - распаду, или позитронный распаду:

Процесс b ⁺-распада протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

(4.3.1)

При столкновении позитрона с электроном происходит их аннигиляция:

(4.3.2)

в ее процессе электронно-позитронная пара превращается в два g -кванта, причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Появление в этом процессе двух g -квантов следует из закона сохранения импульса и энергии.

Для многих ядер превращение протона в нейтрон, помимо описанного процесса (4.3.1), происходит в виде электронного захвата, или K -захвата, при котором ядро спонтанно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (К, L и т. д.), испуская нейтрино:

(4.3.3)

Необходимость появления нейтрино вытекает из закона сохранения спина. Схема К -захвата:

(4.3.4)

т. е. один из протонов ядра превращается в нейтрон, заряд ядра убывает на единицу и оно смещается влево так же, как и при позитронном распаде.

Электронный захват обнаруживается по сопровождающему его характеристичес­кому рентгеновскому излучению, возникающему при заполнении образовавшихся ва­кансий в электронной оболочке атома (именно так К -захват и был открыт в 1937 г.). При е -захвате, кроме нейтрино, никакие другие частицы не вылетают, т. е. вся энергия распада уносится нейтрино. В этом К -захват (часто его называют третьим видом b -распада) существенно отличается от b ^±-распадов, при которых вылетают две части­цы, между которыми и распределяется энергия распада. Примером электронного захвата может служить превращение радиоактивного ядра бериллия Ве в стабильное ядро Li

После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтве­рждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейт­рона. Расчеты показывают, что для создания пары частица — античастица надо затра­тить энергию, превышающую удвоенную энергию покоя пары, поскольку частицам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию. Для создания -пары необходима энергия примерно 4,4 ГэВ. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955). Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном:

p⁺, p^- и p⁰-мезоны - частицы с массой порядка 270 m_e.

Античастицы были найдены и для других элементарных частиц. Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, — это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, p⁰-мезон и h-мезон (его масса равна 1074 m_e, распадается с образованием p-мезонов и g-квантов). Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытыва­ют взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементар­ных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Следует, однако, отметить, что возможность аннигиляции при встрече с частицами не позволяет античастицам длительное время существовать среди частиц. Поэтому для устойчивого состояния антивещества оно должно быть от вещества изолировано.

 

4.4. Ядерные реакции и их основные типы

 

Ядерные реакции — это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с g -квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

где Х и Y — исходное и конечное ядра, а и b — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом (1919) при бом­бардировке ядра азота a -частицами, испускаемыми радиоактивным источником:

Тепловой эффект ядерных реакций.

Ядерные реакции могут происходить с выделением энергии и с поглощением энергии. В первом случае они называются экзотермическими, во втором – эндотермическими. Положительный выход энергии в ряде элементарных ядерных реакций служит физической основой ядерной энергетики. Для того, чтобы судить о том, какие ядерные реакции использовать для получения энергии, используем экспериментальную кривую удельной энергии связи в МэВ на нуклон (энергия связи на один нуклон), см.рис.4.1. График показывает, что возможно добывать атомную энергию за счет двух типов превращений атомных ядер (образуются средние элементы таблицы Менделеева):

1. Энергия выделяется при синтезе ядер из более легких, если возникающие ядра обладают М < 60.

Пример: соединение двух дейтонов в ядре гелия дает энергию: 4 (7-1) ≈ 24 МэВ (4 – число нуклонов)

2. Энергия выделяется при делении тяжелых ядер.

Пример: при делении ядра на две равные доли получаются ядра с массовыми числами А ~ 119. Выделяющаяся энергия:

238 (8,6-7,5) ≈ 240 (238 - число нуклонов)

Реакция деления ядра. Цепные ядерные реакции.

Реакция деления ядра заключается в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов или других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра близких по массе.

Наличие в системе запаса энергии (которая может быть отдана) само по себе не означает абсолютно неустойчивой системы. Ядро претерпит деление, если это равновесие нарушить. Минимальная энергия, необходимая для деления, называется энергией активации.

Энергию активации, необходимую ядрам для деления легче всего передать с помощью нейтронов. Нейтрон, приблизившийся к ядру, притягивается к нему ядерными силами. Работа ядерных сил составляет величину ~ 7 МэВ. Если энергия активации образовавшегося ядра меньше этой величины (т.е. < 7 МэВ), то этой энергии достаточно, чтобы вызвать деление ядра. Причем Е активации уменьшается с ростом А.) Для практического использования необходимо, чтобы сами ядра были достаточно устойчивы в смысле самопроизвольного радиоактивного распада, т.е. с большим периодом полураспада.

Реакция деления часто сопровождается испусканием двух трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Например для деления ядер урана

В осколках деления ксеноне и стронции наблюдается нейтронный перегруз, т.е. для данного типа ядер число нейтронов велико настолько, что получившееся ядро также неустойчиво, и в свою очередь претерпевает распад или цепочку распадов, пока соотношение между протонами и нейтронами не достигнет такой величины, что осколок станет устойчивым. Разность между энергией выделившейся при делении ядра и энергией нейтрона называется энергетический выход реакции.

Пример: при делении 1 кг урана выделяется энергия:

,

где Е_я – энергия выделяемая при делении 1 ядра. Энергия 8·10²³ Дж эквивалентна энергии, выделяемой при сжигании 2.500.000 кг каменного угля.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной ядерной реакции – ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Для цепной реакции необходимо, чтобы k³1. Рис. 4.2

Минимальная масса делящегося вещества, необходимая для осуществления цепной реакции называется критической массой. Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы является примером неуправляемой реакции.

Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах. Для того, чтобы реакция стала управляемой необходимо контролировать число нейтронов в зоне реактора. Для этого ставят так называемые поглотители нейтронов. Хорошим поглотителям является графит. Графитные стержни вводят в рабочую зону реактора. Количество стержней определяет величину рабочей зоны и температуру реактора. На атомных электростанциях внутри реактора циркулирует обычная вода, очищенная от всех примесей либо другой теплоноситель. Забирая избыток тепла у топливных элементов (твэлов) теплоноситель нагревается. Далее проходя через парогенератор теплоноситель охлаждается, превращая воду в пар, который в свою очередь вращает турбину электрогенератора.

Рис 4.3.

 

Реакция синтеза.

Вторым видом ядерных реакций, при которых происходит выделение энергии, являются реакции синтеза атомных ядер – термоядерные реакции, текущие при высоких температурах и давлениях. Эти реакции представляют наибольший интерес, так как из всех известных науке превращений вещества, происходящих с выделением энергии, термоядерные реакции дают наибольшее ее количество на единицу массы используемого вещества.

Возможно протекание следующих реакций

Если произвести пересчет на 1 кг дейтерия, то получим энергию выделяющуюся при синтезе:

Е = ΔE·N = 24 МэВ·1,5·10²⁶ = 3,6·10²⁷ МэВ = 11,5·10¹⁶ Дж

(в тоже время 1 кг урана даёт 8·10¹³Дж) т.е. на 3 порядка больше. Необходимо отметить, что такая реакция может происходить лишь при очень высоких температурах и давлениях (отсюда и название – термоядерная), т.е. нужно преодолеть огромные силы отталкивания между ядрами. Для примера можно сказать, что для дейтерия необходима температура» 2·10⁶К.

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). Неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. В августе 1953 года в Советском Союзе испытали первое термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

Управляемый термоядерный синтез — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Существуют две перспективные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время:

1. Квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого, в частности, применяются реакторы в виде токамаков (тороидальная камера с магнитными катушками).

2. Импульсные системы. В таких системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.