Ядерные реакции и образование радионуклидов в природе

 

Прежде всего необходимо задать вопрос: откуда появились радиоактивные нуклиды в природе? По современным космогоническим представлениям вещество планет образовалось из плазмы (в основном водородной) Звезды, разогретой до десятков и сотен миллионов градусов. При таких температурах протекают термоядерные реакции, в основном слияния ядер водорода 4 H ® He с образованием гелия и выделением огромного количества энергии (26,72МэВ на каждый акт слияния):

 

H + H ® D +e⁺ +n

D+ H ® He +g

He + H ® He + e⁺

4 H ® He +2е⁺+ 26,72 МэВ

 

Таким образом, энергия Звезд в первую очередь обусловлена синтезом гелия, который, осуществляется в процессе протон-протонного цикла.

Реакции этой серии не являются единственными реакциями слияния, протекающими на Солнце. Во внутренних областях Солнца и в более горячих по сравнению с Солнцем Звездах синтез гелия происходит в ходе углеродно-азотного цикла:

 

H+ C® N+g+ 1,9МэВ

N C+е⁺

C + H ® N +g

N + H ® O +g

O® N+e⁺

N + H ® C + Hе

4 H ® Hе +2e⁺+(26,72 МэВ)

 

В процессе эволюции Звезды количество гелия возрастает, при высокой температуре часть гелия ионизирована и ионы гелия ведут себя как высокоэнергетичные альфа-частицы.

Вследствие этого в звездах идут одна за другой многочисленные ядерные реакции, которые приводят к образованию тяжелых атомных ядер. Например:

 

 

Тяжелые ядра возникают также по реакции (p, g):

 

 

С уменьшением содержания водорода на передний план выступают реакции типа:

 

,

 

в ходе которых возникают свободные нейтроны. В результате становятся возможными реакции (n, g), сопровождаемые b - распадом. Далее возникают атомы с более высокими порядковыми номерами и массовыми числами.

В ядерных реакциях особого вида образуется космическое излучение, состоящее из атомных ядер, движущихся с очень большой скоростью и попадающих на Землю из самых далеких областей Вселенной. В первичном космическом излучении около 90 % приходится на долю протонов, имеются также, ядра гелия и более тяжелые атомные ядра. В результате воздействия космических лучей на компоненты газовой смеси азот- кислород, происходит расщепление этих ядер и появляются быстрые нейтроны.

 

N (p, n) O

 

Нейтроны действуют на ядра атомов азота, при этом образуется С по реакции

 

N (n,p) С,

 

Атомы углерода взаимодействуют с кислородом, образуя СО₂.

В верхних слоях атмосферы протекают также реакции

 

Н (n,g) Н и He (n,p) Н.

 

Итак, в результате дальнейшего синтеза легких ядер, захвата ядрами нейтронов образуются все элементы Вселенной. Некоторые из радиоактивных элементов имеют такой большой период полураспада, что сохраняются в природе с момента образования Солнечной системы ¹²⁹I(1,6·10⁷лет), ²⁴⁴Pu (8,2·10⁷лет), ²³⁵U(7,1·10⁷лет), ²³⁸U(4,5·10⁹ лет), ²³²Th (1,4·10¹⁰лет), ⁴⁰K(1,3·10⁹лет). ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th распадаясь, дают начало радиоактивным семействам. Кроме радиоактивного распада, который приводит к образованию радиоактивных изотопов- членов семейств ²³⁵U, ²³⁸U и ²³²Th в природе осуществляется ряд ядерных реакций, приводящих к образованию радионуклидов.

В земной коре под действием альфа-частиц, образующихся в результате альфа-распада урана и тория, происходит ряд ядерных реакций (a,n), в результате которых образуются радиоактивные изотопы и нейтроны. Примером таких реакций служит образование Na из фтора F(a,n) Na

Взаимодействие альфа-частиц с ядрами многих элементов приводит также к образованию нейтронов. Таким образом, альфа-излучающие элементы являются источниками нейтронов в природе.

Нейтроны действуют практически на все химические элементы с образованием радиоактивных изотопов. При действии нейтронов на ²³⁸U происходит образование Pu с периодом полураспада 2,4∙10⁴:

 

U(n, г) U Np Pu ,

 

Взаимодействие нейтронов с ядрами атомов ²³⁸U приводит также к образованию долгоживущего изотопа нептуния с периодом полураспада 2,25∙10⁶ лет:

 

U(n, 2n) U Np

 

При действии нейтронов на Th происходит образование U c периодом полураспада 1,63∙10⁵ лет:

 

Th (n, г) Th Ра U

 

Однако такие реакции возникают крайне редко, поэтому в природе Np, Pu и ²³³U накапливаются крайне редко.

В земной коре благодаря ядерным реакциям химических элементов с нейтронами всех водородсодержащих веществ происходит образование трития

 

Н (n,g) Н