Ядерная химия (стр. 1 )

ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ

До сих пор мы занимались химическими реакциями, т. е. реакциями, в которых преобладающую роль играют электроны. В данной главе рассматриваются ядерные реакции, т. е. такие изменения вещества, природа которых связана с атомным ядром. Некоторые эксперты предсказывают, что мы все больше будем использовать ядерную энергию, чтобы возместить оскудевающие запасы горючих ископаемых и удовлетво­рить наши возрастающие энергетические потребности. Поэтому, переходя к рассмо­трению ядерной химии, мы как бы продолжаем начатую в предыдущей главе тему, которая связана с получением энергии. Но, прежде чем начать это обсуждение, нужно ознакомить читателя со спорами вокруг ядерной энергии в связи с теми чувствами, которые вызывает строительство атомных электростанций. Поскольку разговоры о ядерной энергии вызывают очень много эмоций, в них трудно отделить факты от вымысла и непредвзято взвесить все доводы за и против. Поэтому каждому образо­ванному современному человеку важно хоть немного знать о ядерных реакциях и об использовании радиоактивных веществ.

Однако, прежде чем углубляться в дальнейшее обсуждение, полезно повторить и несколько расширить кое-какие сведения, изложенные в разд. 2.6, ч. 1. Прежде всего напомним, что атомное ядро состоит из субатомных частиц двух типов: протонов и нейтронов. Вместе они называются нуклонами. Напомним также, что все атомы определенного элемента имеют одинаковое число протонов, называемое атомным но­мером элемента. Однако атомы одного элемента могут иметь неодинаковое число нейтронов и, следовательно, различные массовые числа; массовое число представляет собой суммарное число всех нуклонов в атомном ядре. Атомы с одинаковым атомным номером, но с различными массовыми числами называются изотопами. Чтобы различать изотопы одного элемента, при них указывают их массовые числа. Например, три естественные изотопа урана обозначают как уран-233, уран-235 и уран-238, где приведенные численные величины указывают соответствующие мас­совые числа. Эти изотопы обозначаются также с помощью химических символов как 2g|U, 2Ци и 2|fU. Здесь верхние индексы означают массовые числа, а нижние - атомный номер элемента. Различные изотопы отличаются и по своему содержанию в естественных условиях. Например, 99,3% встречающегося в природе урана приходит­ся на долю урана-238; 0,7%-на долю урана-235 и только следы-на долю урана-233. Нам приходится обращать внимание на различие между изотопами по той причине, что ядерные свойства атома зависят как от числа протонов, так и от числа нейтронов в его ядре. В отличие от этого химические свойства атома практически не зависят от числа нейтронов в его ядре. Перейдем теперь к обсуждению реакций, в которых при­нимают участие атомные ядра.

20.1. Ядерные реакции

Атомное ядро может вступать в реакции и, следовательно, изменяться нескольки­ми различными способами. Некоторые ядра неустойчивы и самопроизвольно испу­скают субатомные частицы и электромагнитное излучение. Такое самопроизвольное испускание частиц или излучения из атомного ядра называется радиоактивностью. От­крытие этого явления Анри Беккерелем в 1896 г. описано в разд. 2.6, ч. 1. Изотопы, обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными, или радиоизотопами. В качестве примера приведем уран-238, который самопроизвольно испускает альфа-лу­чи; эти лучи представляют собой поток ядер гелия-4, называемых альфа-частицами. Когда ядро урана^ЗБ теряет альфа-частицу, оставшийся фрагмент ядра имеет атомный номер 90 и массовое число 234. Таким образом, он представляет собой не что иное, как ядро изотопа торий-234. Обсуждаемую реакцию можно описать следую­щим ядерным уравнением:

2|?U -* 2&Th + jHe (20.1)

Когда ядро самопроизвольно разрушается указанным образом, говорят, что оно рас­падается или подвергается радиоактивному распаду.

/ ] Отметим, что сумма массовых чисел в левой и правой частях уравнения (20.1) оди-1 накова (238 = 234 + 4). Точно также одинакова и сумма атомных номеров, или ' ядерных зарядов, в левой и правой частях уравнения (92 = 90 + 2). В любых ядерных реакциях суммы массовых чисел и атомных номеров должны оставаться без измене­ний. При записи ядерных уравнений не имеет значения химическая форма атома, ядро которого рассматривается, так как радиоактивные свойства ядра практически не зави­сят от химического состояния атома. Совершенно безразлично, имеем ли мы дело с атомом в форме элемента или в форме одного из его соединений.

Другой способ вызвать превращение ядра заключается в его бомбардировке нейт­роном или каким-нибудь другим ядром. Осуществляемые таким способом ядерные реакции называются ядерными превращениями. Подобное превращение происходит, на­пример, когда ядро хлора-35 бомбардируют нейтроном (дП); при их столкновении образуются ядра серы-35 и протон (Jp или }Н). Ядерное уравнение этой реакции имеет вид

?|CI + in - ?|S + jH (20.2)

Отметим снова, что в обеих частях уравнения суммы массовых чисел и атомных но­меров остаются неизменными. Бомбардируя ядро различными частицами, можно по­лучать такие ядра, которые не встречаются в естественном виде. Примером такого ис­кусственного изотопа является сера-35, которую получают по уравнению (20.2).

УПРАЖНЕНИЕ 20.1

Напишите полное уравнение для ядерного что алюминий имеет атомный номер 13; следо-

превращения, в котором ядра алюминия-27 вательно, указанный изотоп обозначается сим-

бомбардируют ядрами гелия-4, в результате че - волом "Al. Атомный номер фосфора равен 15,

го получаются ядра фосфора-ЗО и нейтроны. поэтому химическим символом полученного

изотопа должен быть J°P. Полное уравнение

Решение. Из периодической таблицы или ядерной реакции имеет вид
перечня химических элементов, помещенных на

внутренней стороне обложки книги, находим, ЦМ + *Не -» f °Р + дП

В последующих разделах мы подробнее ознакомимся с радиоактивным распадом, а также с получением новых ядер при помощи ядерных превращений. В разд. 20.8 и 20.9 будут обсуждаться два других типа ядерных реакций. Одна из них известна под названием ядерного деления, а другая-под названием ядерного синтеза. Ядерное де­ление включает расщепление большого ядра на два ядра приблизительно одинаковых размеров. Ядерный синтез происходит в результате слияния двух небольших ядер с образованием большого ядра.

20.2. Радиоактивность

При обсуждении радиоактивности в предыдущем разделе у читателя могли возник­нуть два вопроса общего характера: какие ядра являются радиоактивными и какие типы излучения они испускают? Это очень важные вопросы, и теперь мы ответим на них. Сначала рассмотрим типы излучения, которым сопровождается явление радиоак­тивности.

ТИПЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА ЯДЕР

Испускание излучения является одним из способов, посредством которого неустой­чивое ядро преобразуется в устойчивое с меньшей энергией. Испускаемое излучение уносит с собой избыток энергии. В разд. 2.6, ч. 1, мы обсуждали три наиболее распро­страненных типа излучения, испускаемого радиоактивными веществами: альфа(а)-лу-чи, бета ((3)-лучи и гамма (у)-лучи.

Как уже было указано в разд. 20.1, альфа-лучи представляют собой пучки ядер ге-лия-4, носящих также название альфа-частиц. Процесс (20.3)-другой пример радиоак­тивного распада этого типа:

"jRn -» 2^Ро + |Не (20.3)

Бета-лучи представляют собой пучки электронов. Поскольку бета-частицы не что иное, как электроны, их обозначают _ °е. Нулевой индекс отражает то обстоятельство, что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой нуклона. Индекс — 1 указывает на то, что рассматриваемая частица имеет отрицательный знак, равный по величине, но противоположный по знаку заряду протона. В качестве примера изотопа, подверженного радиоактивному распаду с испусканием бета-излучения, можно приве­сти иод-131:

Ч|1 -> 1ЦХе + _?е (20.4)

При испускании бета-частицы один из нейтронов внутри ядра превращается в протон, в результате чего атомный номер ядра возрастает на единицу:

in - }р + _?е (20.5)

Однако только на том основании, что ядро испускает электроны, не следует думать, будто последние входят в состав ядра, ведь не думаем же мы, что спичка состоит из искр, поскольку они получаются при ее зажигании! Электроны появляются при распа­де ядра.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны (т. е. фотоны высокой энергии). Положение гамма-лучей в электромаг­нитном спектре показано на рис. 5.3, ч. 1. Гамма-лучи можно обозначать символом оУ. Ядра, испускающие такое излучение, не меняют ни своего атомного номера, ни массового числа. Гамма-излучение почти всегда сопровождает какое-нибудь другое

радиоактивное излучение, поскольку излучение испускается в результате потери энер­гии при реорганизации оставшегося ядра в более устойчивую структуру. Как правило, при записи ядерных уравнений мы не будем указывать гамма-излучение.

Существует еще два других типа радиоактивного распада-испускание позитрона, и электронный захват. Позитрон-это частица с такой же массой, как и электрон, но ' имеющая заряд противоположного знака*. Позитрон обозначают символом °е. При­мером изотопа, который распадается с испусканием позитрона, служит углерод-11:

"С - "В + ?е (20.6)

Испускание позитрона можно представить себе как превращение протона в нейтрон, в результате чего атомный номер ядра уменьшается на единицу:

!Р - on + ?е (20.7)

Электронный захват представляет собой захват ядром электрона из электронной оболочки, окружающей ядро. Распад подобного типа испытывает рубидий-81:

f'Rb + Ле (орбитальный электрон) -» "Кг (20.8)

В результате электронного захвата один из протонов внутри ядра превращается в нейтрон:

iP + -?е -» £п (20.9)

УПРАЖНЕНИЕ 20.2

Составьте полные уравнения следующих акции должно иметь вид:

ядерных реакций: а) альфа-распад тория-230; б) 230Th -► 4Не + 226Ra