2 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Цель занятия: Ознакомить студентов с явлением радиоактивного распада, научить писать ядерные реакции, дать понятие о взаимодействии нейтронов с ядрами.

Радиоактивный распад

В 1902 г Резерфорд доказал, что при радиоактивном распаде происходит ядерные взаимодействия в результате которых одни атомы превращаются в другие.

Радиоактивный распад - это явление, вызванное способностью некоторых  ядер (радиоактивных) самопроизвольно (спонтанно) испускать различные частицы и превращаться в другие ядра. Радиоактивные ядра делятся на естественные и искусственные. Все естественные радиоактивные ядра принадлежат трем радиоактивным цепочкам (семействам), родоначальниками которых являются нуклиды , , .

Большое число радиоактивных нуклидов возникает при изменении состава ядер в результате ядерных реакций, поэтому их называют искусственными радиоактивными ядрами.  Естественные и искусственные радиоактивные ядра отличаются друг от друга только происхождением, а их радиоактивный распад подчиняется одним и тем же закономерностям.

Радиоактивный распад записывают в виде уравнения:

  (1), где

- начальное (материнское) радиоактивное ядро;

- дочернее ядро (продукт распада);

a – испускаемая частица.

Радиоактивный распад характеризует периодом полураспада – временем, за которое распадается половина исходных ядер (Т1/2); постоянной распада л; средним временем жизни радиоактивного ядра (Тср); Эти величины связаны между собой следующим образом:

Т1/2=0,693/ л  (2)

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Тср=1/ л=1,45 Т1/2  (3)

Каждая разновидность радиоактивных ядер имеет свои индивидуальные особенности распада: продукты распада и период полураспада. Период полураспада изменяется в очень широких пределах (10-7 с-2*1017 лет).

Если при радиоактивном распаде материнского ядра дочерние ядра так же радиоактивны, распад продолжается дальше. Последовательную цепочку таких радиоактивных ядер называют радиоактивным семейством. Например, радиоактивное семейство урана выглядит следующим образом:

Из приведенной схемы видно, что радиоактивное семейство урана начинается с радиоактивного нуклида и заканчивается стабильным нуклидом.

Виды радиоактивного распада

Радиоактивный распад ядер разделяется на следующие виды:

б-распад; в-распад; Вылет нуклона.
В процессе б - распада из радиоактивного ядра испускается ядро гелия . Возможность б - распада вызвана тем, что при б - распаде выделяется энергия.

В ядре б - частиц нет, они образуются из четырех нуклонов только в момент б - распада. Этот распад характерен для тяжелых ядер. При б - распаде заряд ядра уменьшается на 2, а масса на 4.

В процессе в - распада из радиоактивного ядра самопроизвольно испускается либо электрон (в - - распад), либо позитрон (в+ - распад), которые возникают непосредственно в момент распада (в ядре их нет). Третьим видом в - распада является захват ядром электрона из электронной оболочки своего атома (е-захват). В результате в - - распада заряд ядра увеличивается на 1, а в случае в+ - распада и е-захвата уменьшается на 1.

При в - - распаде или е-захвате выделяется одинаковая энергия, а при в+ - распаде энергия отлична от энергии в - - распада и е-захвата. При в - распаде возможно также выделение еще одной частицы – нейтрино (маленького нейтрона), который обозначается v.

В процессе г-излучения радиоактивное ядро самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное или основное состояние. При этом избыток энергии ядра освобождается в виде коротковолнового (длина волны 10-12-10-10 м) электромагнитного излучения г –кванта.

Излучение г –квантов является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии. При этом нуклонный состав ядра не меняется. Энергия г –квантов после б –распада в основном состоянии не превышает 0,5 Мэв, а после в –распада составляет 2-2,5 Мэв. Такое г –излучение представляет основную радиационную опасность при работе с радиоактивными веществами.

Радиоактивный распад с вылетом нуклона является сопутствующим процессом. После в –распада дочернее ядро иногда образуется в сильно возбужденном состоянии, что энергия возбуждения (8-11 Мэв) превышает энергию связи нуклона в ядре. Поэтому происходит испускание из дочернего ядра не г –кванта, а нуклона, который в этом случае называется запаздывающим. При в - –распаде образуется запаздывающий протон, а при в+ – распаде - запаздывающий нейтрон. Однако такие процессы испускание запаздывающих нуклонов обнаруживается только у искусственных ядер.

Ядерные реакции

При движении частиц в веществе происходит их взаимодействие с атомами вещества, т. е с ядрами и окружающими их электронами. При столкновении частиц с ядром происходят различные ядерные реакции, т. е реакции в результате которых происходит изменение заряда или массы частицы и ядра или испускаются г –кванты.

Впервые ядерную реакцию осуществил Резерфорд в 1919 году при взаимодействии б –частицы с азотом


  б +  (4)

Звездочка означает возбужденное состояние составного ядра.

Ядерные реакции, как и химические, записывают в виде уравнения. В левой части уравнения указывают исходное ядро (А-масса ядра, Z-заряд ядра) и воздействующую частицу а, а правой части –продукты ядерной реакции (новое ядро   и выделяющуюся частицу в):

  (5)

где –составное (промежуточное) ядро в возбужденном состоянии. Тип ядреной реакции определяется видом воздействующий и выделяющейся частицы (а, в). Если они совпадают (а, а), реакцию называют рассеянием частицы (а). Если в ядерной реакции частица а исчезает (поглощается ядром),  а вместо неё появляется новая частица в, состав ядра изменяется: происходит ядерное превращение.

По механизму взаимодействия ядерные реакции можно разделить на два вида:

-прямые ядерные реакции;

-реакции с образованием составного ядра см. уравнение 4,5).

Прямые ядерные реакции происходят при очень коротком времени.

Во время ядерной реакции сохраняется общее число нуклонов и суммарный заряд, а происходит только перераспределение нуклонов и заряда между ядрами и частицами. Сохранение заряда и числа нуклонов позволяет качественно определить возможные направления протекания ядерной реакции.

Контрольные вопросы

Что такое радиоактивный распад? Какие нуклиды являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных ядер? Какие радионуклиды называются искусственными? В виде какого уравнения записывают радиоактивный распад? Что такое период полураспада? Как связаны между собой период полураспада, постоянная распада и среднее время жизни радиоактивного ядра? Что такое радиоактивное семейство? Какие виды радиоактивного распада вы знаете? Охарактеризуйте их. Какие реакции называются ядерными? Как записываются ядерные реакции? Что такое составное (промежуточное) ядро? Какая ядерная реакция называется рассеянием частицы (а)? Что называется ядерным превращением? Как классифицируются ядерные реакции по механизму взаимодействия?

Задания для самостоятельного выполнения


Закончите уравнения следующих ядерных реакций

а)

б)

в)


Изотоп урана-238 испускает б –частицу, две в - –частицы и захватывает нейтрон. Изотоп какого элемента получится в результате этого? Природный изотоп калия распадается с испусканием в – частиц.  Изотоп какого элемента получается в результате этого?