Радиоактивность. Ядерное расщепление и синтез (слияние)

Задолго до того, как была определена структура атома, выяснилось, что некоторые природные элементы могут испускать загадочное излучение, часть которого способна проходить сквозь твердые тела. Явление это назвали радиоактивностью. Радиоактивность - свойство нестабильных ядер. Она может происходить сама по себе или при бомбардировке атомных ядер нейтронами, радиоактивными материалами или при ядерной реакции.

Что такое радиоактивность. При явлении радиоактивности нестабильное атомное ядро излучает субатомные частицы высокой энергии, или радиацию. Различают три типа радиации, отличающихся свойствами. Ученые назвали их альфа (а), бета (ß) и гамма (Y) лучами в соответствии с тем, насколько глубоко они могут проникать в различные материалы.

Установлено, что альфа- и бета-лучи являются потоками субатомных частиц, поэтому теперь их чаще называют альфа- и бета-частицами, а не лучами. Их испускание из ядра изменяет его структуру и соответственно структуру атома так, что он становится атомом уже другого элемента. Это изменение называют распадом, или трансформацией. Гамма-лучи - это все равно что мощные рентгеновские лучи. Их испускание - не следствие ядерного распада, а простой сброс избытка ядерной энергии. Они часто сопровождают или следуют за излучением альфа- или бета-частиц либо тех и других.

Все три типа радиации могут быть опасны для человеческого организма. С точки зрения энергии (и, следовательно, проникающей способности), альфа-частицы самые слабые, а гамма-лучи самые сильные. Однако способность радиации разрушать клетки может быть использована при лечении рака.

Альфа-частицы. Каждая альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и фактически идентична ядру атома гелия. Альфа-частицы несут положительный заряд. Они излучаются при распадах ядер радиоактивных атомов. Альфа-частицы слишком тяжелые, чтобы их траектория нарушалась молекулами воздуха, поэтому они летят по прямой.

Проникновение. Альфа-частицы можно остановить тонким листом бумаги.

Действие. Альфа-частицы не проникают сквозь кожу и могут попасть в организм только при вдыхании или потреблении радиоактивных продуктов. В организме даже одна альфа-частица может причинить вред, изменив жизнедеятельность клетки, и вызвать рак.

Пример. Уран-238 излучает альфа-частицы при распаде до тория-234.

Бета-частицы. Бета-частица - это быстро движущийся электрон, испускаемый ядром, когда избыточный нейтрон превращается в протон. Это увеличивает на единицу атомный номер атома; бета-частица уносит избыточный отрицательный заряд. Бета-частицы обладают очень небольшой массой, движутся с половинной скоростью света и могут отклоняться из-за столкновений с молекулами воздуха.

Проникновение. Бета-частицы задерживаются листом алюминия толщиной 5 мм.

Действие. Некоторые бета- частицы могут проникать сквозь кожу, но они принесут гораздо больше вреда, если их источник попадет внутрь организма с воздухом или пищей. Например, накапливаясь в костях, источники этих частиц могут вызвать лейкемию.

Пример. Стронций-90 испускает бета-частицы, когда он распадается до иттрия-90.

Гамма-лучи. Гамма-лучи подобны рентгеновским лучам, но имеют более короткую длину волны. Они могут проникать сквозь большинство материалов. Гамма-лучи не имеют массы и перемещаются по прямой со скоростью света. Они образуются во время распада ядер наряду с выделением альфа- и/или бета-частиц.

Проникновение. Лист свинца толщиной 4 см уменьшает интенсивность гамма-лучей на 90%. Чтобы полностью защитить людей, необходим толстый слой бетона.

Действие. Гамма-лучи проникают сквозь тело. Они опасны потому, что на своем пути создают ионы (заряженные атомы), которые повреждают живые ткани.

Пример. Радий-226 испускает гамма-лучи при распаде до радона-222.

Различные варианты одного и того же элемента. Практически все элементы могут существовать в нескольких химически идентичных вариантах, имеющих небольшие физические различия на атомном уровне; они называются изотопами. Их атомы имеют один и тот же атомный номер, но различаются по атомным массам.

Атомный номер характеризуются атомным номером - числом протонов в каждом ядре. Например, если атом имеет 6 протонов, это углерод, а если 92 - уран.

Атомная масса зависит от числа как протонов, так и нейтронов в ядре атома. Изотопы различаются по атомным массам, поскольку у них разное количество нейтронов в ядре. Рассмотрим, например, два изотопа углерода.

Радиоизотопы. Изотопы с нестабильными ядрами (включая углерод-14) подвержены распаду. Их называют радиоактивными изотопами. Было найдено примерно 1500 радиоизотопов: 60 существуют в природе, остальные получены при ядерных реакциях или в экспериментах физики элементарных частиц.

Цепочка распада. Некоторые радиоактивные изотопы распадаются в несколько стадий, прежде чем достигнут стабильного состояния. Ряд изотопов, часто значительно различающихся по времени полураспада и образующихся при распаде элемента, называют радиоактивным рядом. Например, торий-232 проходит через 10 превращений, прежде чем стать свинцом.

Все о полураспаде. Период полураспада изотопа - это мера скорости, с которой он распадается. В любом наборе одинаковых атомов половина из них претерпит распад через определенное время, что и называется периодом полураспада. За это время радиоактивность уменьшается наполовину. За следующий такой же период полураспада распадается половина оставшихся (но не половина исходного количества), радиоактивность уменьшится на четверть исходного значения, и т.д. Период полураспада у различных радиоизотопов может быть от долей секунды до миллионов лет.

Распад радона-222. Этот радиоактивный газ имеет период полураспада 92 часа.
1. Предположим, сосуд содержит 28 млн. атомов радона-222.
2. Через период полураспада (92 часа) 14 млн. ядер радона распадутся, останется 14 млн.; радиоактивность уменьшится на 50%.

3. Спустя еще один период полураспада (184 часа от начала) распадутся еще 7 млн. ядер, останется 7 млн. Радиоактивность уменьшится на 75% исходного уровня.
4. Спустя третий период полураспада (276 часов всего) половина из 7 млн. оставшихся ядер распадется, останется только 3,5 млн. Радиоактивность уменьшится в сумме на 87,5%.

Природная радиоактивность. Природные радиоизотопы создают небольшой уровень радиоактивности, известной как «фоновая радиация». В большинстве мест эта радиация безвредна, но в некоторых газ радон просачивается из скальных пород и может быть опасным. Различают две группы природных радиоизотопов.

Первичные. Образовавшиеся в первые дни Вселенной, первичные радиоизотопы на миллиарды лет старше Земли. У них огромный период полураспада, например, около 4500 млн. лет для урана-238. Космогенные. Образовавшиеся при бомбардировке космическими лучами атомов в верхних слоях атмосферы, космогенные радиоизотопы имеют гораздо меньший период полураспада, но их запас постоянно пополняется. Например, углерод-14 имеет период полураспада 5730 лет. Он поглощается живыми организмами, и по его распаду можно определить время их смерти.

Цепная реакция. В каждый момент времени нейтрон вызывает расщепление ядер урана-235 (U-235), и образуется избыток нейтронов. Если имеется «критическая масса» U-235, эти нейтроны заставляют распадаться другие ядра и т.д. в цепной реакции. Но если массы U-235 недостаточно, значительная часть нейтронов покидает зону реакции, и она затухает

Ядерное расщепление и синтез (слияние). Ядерные реакторы и ядерное оружие основаны на факте, установленном теорией относительности, что масса и энергия являются двумя характеристиками одной и той же сущности. Материя-масса аннигилирует и превращается в энергию либо путем ядерного расщепления, либо в ходе реакции ядерного синтеза. В каждом из этих случаев масса продуктов распада или синтеза, включая любые излученные субатомные частицы, меньше, чем масса исходного ядра. «Потерянная» масса высвобождается выбросом энергии.

Расщепление. Ядра некоторых изотопов, уран-235 и плутоний-239, становятся очень нестабильными при поглощении нейтрона. Они немедленно расщепляются на два более легких ядра и несколько нейтронов, которые могут затем расщеплять другие ядра в цепной реакции (см. справа). В бомбе цепная реакция происходит за миллионные доли секунды, и энергия выделяется в виде взрыва. В реакторе контрольные стержни (замедлители) поддерживают необходимое количество нейтронов, чтобы реакция протекала равномерно.

Синтез. Ядерный синтез (слияние) использует тепло ядерного распада, позволяющее ядрам водорода или его изотопам (дейтерию или тритию) сливаться с образованием ядра атома гелия. Происходит потеря массы и высвобождение огромной энергии. Ядерный синтез поддерживает горение Солнца, но пока не построен надежный реактор для производства энергии на этом принципе.