Физика (стр. 45 )

5.1.9. Радиоактивный ряд урана

Радиоактивные вещества довольно распространены в природе, хотя и встречаются в ничтожных количествах. У некоторых из этих веществ процесс радиоактивного распада происходит через ряд последующих ступеней. Получается цепочка радиоактивных элементов, называемая радиоактивным рядом. Известны четыре радиоактивных ряда: ряд урана – радия (радий промежуточный элемент), ряд тория, ряд актиноурана (урана – 235) и ряд плутония. Долгоживущие продукты этих рядов встречаются в природе. Для примера рассмотрим ряд урана (рис. 5.1.3). -распад ядра приводит, согласно правилу смещения, к образованию ядра с зарядом 92–2=90 и массовым числом 238 – 4 = 234, т. е. изотопа тория .

 

Рис. 5.1.3

Этот изотоп, называемый иначе (уран икс один), также оказывается радиоактивным веществом, испускающим -частицы. Продуктом -распада тория оказывается – изотоп протоактиния с атомной массой 234, иначе называемый . Этот изотоп опять радиоактивен и т. д. Ядро протоактиния, выбрасывая -частицу, превращается в ядро урана , которое, испуская - частицу, превращается в изотоп тория . Дальнейший -распад приводит к последовательному образованию элементов . Радий В, испуская -частицу, превращается в радий С (), который тоже радиоактивен и, испуская -частицу, превращается в . Далее следует -распад с образованием . Двукратное испускание -частицы приводит к последовательному образованию элементов и (полоний). Испускание полонием -частицы приводит к образованию устойчивого изотопа свинца . Таким образом, цепочка последовательных продуктов распада после 14 следующих друг за другом распадов заканчивается нерадиоактивным, или, как говорят, стабильным изотопом свинца .

Распад урана приводит к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. Кроме того, в урановых рудах накапливаются промежуточные продукты распада урана.

Атомная масса обыкновенного свинца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных элементов, составляет 207.2. Атомная масса свинца, образуемого в результате распада урана, 206. Атомная масса свинца, содержащегося в некоторых урановых материалах, очень близка к 206. Отсюда следует, что минералы в момент образования (из расплава или раствора) не содержали свинца; весь наличный в таких минералах свинец накопился в результате распада урана. Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению количеств свинца и урана в минерале определить его возраст. Определим возраст минерала, в котором на один атом урана приходится один атом свинца. Закон распада дает: . Количество распавшихся ядер . Отсюда . По условию, количества распавшихся и нераспавшихся ядер урана равны. Значит, . Логарифмируя последнее равенство, получаем: Период полураспада урана T = 4.5·109 лет. Значит возраст минерала t = 4.5·109 лет.

5.2. Ядерные реакции

5.2.1. Определение ядерной реакции

Радиоактивность не только свидетельствует о сложном строении ядер, но и дает средства для изучения этого строения. Одним из таких средств являются быстрые -частицы, способные проникать вглубь легких ядер и расщеплять их на части. Расщепления атомного ядра под действием -частиц впервые наблюдал Резерфорд (1919 г.). В камере Вильсона Резерфорд произвел бомбардировку ядер атомов азота -частицами, полученными при распаде радия. После этого в камере были обнаружены атомы изотопа кислорода с атомной массой А=17 и протоны, т. е. ядра атомов водорода. Реакцию записывают так: .

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка . Ядерную реакцию символически можно записать либо , либо . Здесь и – исходное и конечное ядра, и – бомбардирующая и испускаемая частицы.

Механизм ядерных реакций заключается в том, что, ударяясь об ядро атома с большой силой, бомбардирующая частица, например, -частица, сближается с ним на расстояние действия ядерных сил. Между нуклонами ядра и -частицей возникают ядерные силы. На мгновение ядро поглощает -частицу, и в нем происходит перегруппировка нуклонов с образованием нового комплекса частиц. Энергия, привнесенная -частицей (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии связи ее с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. Если для устойчивости нового комплекса какая-либо частица оказывается лишней, она при этом выбрасывается. Может случиться, что выброшенная частица тождественна захваченной (). Тогда процесс называется рассеянием, причем в случае, если энергия частицы равна энергии частицы (), рассеяние будет упругим; в противном случае (т. е. при ) – неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица не тождественна частице .

Основным условием осуществления ядерной реакции является высокая кинетическая энергия частицы, достаточная для того, чтобы вызвать неупругий удар и перестройку связей в ядре между нуклонами.

В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (т. е. с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии). Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции, который определяется разностью энергий исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и тепловой эффект будет отрицательным. Так, например, реакция, осуществленная Резерфордом, , идет с поглощением тепла: