Радиоактивность - Естественнонаучная картина мира

Радиоактивность (от лат. radio - излучаю и activus-действенный), самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в др. ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагнитного излучения (рентгеновского или g-излучения). Ядра нового нуклида, которые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), может быть стабильными или радиоактивными. 2.3 Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. 2.4. Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Открытие радиоактивности относится к 1896г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от. radio - излучаю и activas - действенный). Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения. ) б-Распад. Распад ядра с выделением б-частиц, которые являются ядрами He2+. Например,

Ra? Rn + He ; U? Th + б (He)

В соответствии с законом радиоактивного смещения, при б-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

В-Распад. Различают несколько видов в-распада: электронном в-распаде, например,

Sn? Y + в; P? S + в

Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной в-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном в-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (в-частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Na? Ne + в

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием г-квантов. ) При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон. Например,

Cu? Ni+n K + e= Ar + hv

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жесткого рентгеновского излучения. Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z>90. При спонтанном делении тяжелые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и б-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов. Поток б и в-частиц называют соответственно б и в-излучением. Кроме того, известно г-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, г-излучение близко к жесткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а г-излучение испускает возбужденные атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (б и в). В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и в-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42,43,44,46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы - диффузия, дистилляция или электролиз.

Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких темп-рах (107-108К). T. р.- основной (хотя и не единственный) тип процессов, в которых ядрам, испытывающим взаимноекулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер (рис. 1),сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись вобразуемую ими глубокую потенц. яму, совершить ту или иную экзоэнергетич. (т. е. сопровождающуюсявыделением энергии) ядерную перестройку. Под "выделением энергии" подразумевается выделение впродуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. T. о.,относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в ср. части периодич. системы Менделеева, то наиб, типичным механизмом экзоэнергетич. реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые. Вместе с тем существуют и экзоэнергетич. реакции деления легких ядер, напр. благодаря особойпрочности ядра 4He возможна реакция 11 В + р->34 Не + 8,7МэВ.

Рис. 1

Потенциальная энергия межъядерного взаимодействия как функция расстояния между ядрами; относительная энергия ядер, отвечающая глубоко под-барьерному прохождению. Штриховкой показано "срезание" барьера отталкивания на боровском радиусе am отрицательного мюона в кулоновском поле одного из сталкивающихся ядер, лежащее в основе явления m-катализа.

Ниже, для краткости, все охарактеризованные выше процессы именуются реакциями ядерного синтеза (ЯС).

По механизму преодоления кулоновского барьера реакции ЯС можно разделить на два осн. класса: А - реакции при неискаженном барьере, требующие для своего протекания достаточно большой относит. энергии сталкивающихся ядер, к-рая сообщается им в результате ускорения или сильного разогрева; Б-реакции т. н. холодного синтеза, к-рые становятся возможными в результате сильного искажения самогобарьера прежде всего его сужения благодаря "срезанию" внешней, наиб. широкой части.

Реакции класса А могут реализоваться либо в некотором ускорителе (реакция ЯС на мишени; возможен такжеслучай "микроускорителя", см. ниже), либо в высокотемпературной плазме звездных недр, ядерного взрыва, мощного газового разряда или в плазме вещества, разогретого гигантским импульсом лазерного излучения, бомбардировкой интенсивным пучком частиц и т. п.; именно в последнем круге явлений реакции ЯСсводятся к собственно T. р.

Реакции класса Б являются следствием таких физически разнородных явлений, как: 1)смятие кулоновскогобарьера колоссальным давлением в недрах плотных звезд (r>>104 г/см 3) - случай т. <н. пикноядерныхреакций[3]; 2) прямое кулоновское экранирование поля дейтрона или протона захваченным на боровскуюорбиту отрицат. мю-оном (рис. 1) - случай т. н. мюонного катализа.

Существуют и такие реакции ЯС, сама принадлежность к-рых к классу А или Б пока совершенно неясна. Этоотносится, в частности, к сенсационным экспериментам Флейшмана - Понса (США, 1989, т. н. холодныйсинтез), в к-рых реакции ЯС наблюдались при электролитич. насыщении дейтерием кристаллич. решеткипалладия (а затем титана и др.). Физически более интересным и практически крайне заманчивыммеханизмом ЯС здесь явилась бы взаимная кулоновская экранировка дейтронов в результате каких-товесьма нетривиальных квантово-механич. эффектов (класс Б), однако более вероятным механизмом представляется все ускорение дейтронов в электрич. полях, возникающих в микротрещинах решетки приэлектролизе или при внедрении в нее дейтронов из газовой среды под давлением (класс А) [11].

Непреходящий интерес к реакциям ЯС, и прежде всего к T. р., связан с тем, что они являются: 1) гл. источником энергии Солнца и звезд, а также механизмом дозвезд-ных и звездных процессов синтезаатомных ядер хим. элементов; 2) одной из физ. основ ядерного взрыва и (тер-мо)ядерного оружия; 3)основой управляемого термоядерного синтеза (УТС) экономически и экологически перспективногонаправления энергетики будущего.

Скорости T. р. Для ряда экзоэнергетич. ядерных реакций, представляющих интерес в проблеме УТС, втабл. приведены значения энерговыделения и макс. эфф. сечения s макс. На рис. 2 приведены зависимости sот энергии налетающей частицы (в ф-лах реакций - первая слева).

Табл. Экзоэнергетические реакции между легкими ядрами

P-протон, d-дейтрон (ядро дейтерия 2H), t - тритрон(ядро трития H), n - нейтрон, е + - позитрон, v - нейтрино, g-фотон. Распределение энерговыделения между продуктами реакции обычно обратнопропорционально их массам.

При интерпретации этих данных, и в частности большого разброса значений s макс, следует иметь в виду, чтосечение любой из реакций есть, грубо говоря, произведение сечения прохождения сквозь кулоновск. Барьеры вероятности последующего, собственно ядерного превращения.

Рис. 2 Сечения реакций ядерного синтеза в зависимости от энергии налетающей частицы (в табл. - слева). Кривая 1- реакция 7; 2 - реакция 10; 3 - реакция 4 и 5; 4 - реакция d + 6Li7 Ве + n + 3,4 МэВ; 5-реакция 15; 6- реакция 16; 7- реакция 9

Первый, "кулоновский", сомножитель по своей физ. природе универсален для всех T. р. Поскольку высотабарьера (Z1e, Z2e - заряды ядер, R - сумма их "радиусов") даже для комбинации ядер снаименьшими Z1 = Z2 = 1, напр. d + d, составляет ~200 кэВ [тогда как для плазмы звездных недр или совр. направлений УТС наиб. типичны темп-ры ~(107-108) К, т. е. ср. энергии частиц ~(1 -10) кэВ], преодолениебарьера носит, как правило, характер туннельного, притом глубоко под-барьерного прохождения (см. Туннельный эффект). Вероятность туннельного прохождения может быть описана предельной (для, где - относит. энергия сталкивающихся ядер) формой известной гамовской экспоненты, аименно: , где - относит. скорость ядер, m = т1 т2/( т1+т2)- их приведенная масса (Эта простая зависимость становится неадекватной в тех, ныне нередких для УТСслучаях, когда T. р. происходят не только "тепловым", подбарьерным образом, но и в результатестолкновений ядер плазмы как мишеней с ядрами инжектируемого пучка, энергия к-рых.)

Второй, "ядерный", сомножитель, определяющий осн. масштаб сечения T. р., напротив, специфичен длякаждой конкретной T. р. В частности, для реакций с образованием наиб. сильно связанного ядра 4He онвелик и обычно резонансно зависит от энергии (это относится, напр., к важнейшим для УТС реакциям 7 и 10и к одной из гипотетически перспективных "чистых", т. е. безнейтронных, реакций - реакции 20). Для реакций, обусловленных слабым взаимодействием, он чрезвычайно мал; так, фундаментальная дляэнерговыделения Солнца реакция 1 непосредственно (в лаборатории) вообще не наблюдалась.

Зависимость интенсивности T. р. от плотности плазмы определяется тем, что они происходят в результатепарных столкновений между ядрами. Число реакций в единице объема в единицу времени равноn1n2<us(u)>, где n1, n2 - концентрации ядер сортов 1 и 2 (если ядра одного сорта, то произведение п1 п2следует заменить на (1/2)n2); угл. скобками обозначено усреднение по распределению относит. скоростей u, в дальнейшем принимаемому макс-велловским (см. Максвелла распределение).

Зависимость интенсивности T. р. от темп-ры определяется "скоростным" множителем <us(u)>. В области "неочень высоких" темп-р T<=(107-108) К и в отсутствие резонанса в сечении реакции имеем и тогда <us(u)>. может быть приближенно выражено в форме, универсальной для всех нерезонансных T. р. Для этого достаточно использовать относительную узостьмаксимума при u =u макс, образуемого в <us(u)> произведением двух экспонент - гамовской имаксвелловской, ехр( - mu2/2kT). В результате имеем

Где const - постоянная, характерная для данной T. р. Эта ф-ла справедлива лишь при больших (>>1)значениях показателя экспоненты.

Полученная температурная зависимость скорости T. р., <us(u)>ехр(-const/T1/3), сама по себе достаточносильная, все же не столь резка, как, напр., типичная температурная зависимость exp( - const/ T )скорости хим. реакций, благодаря чему, собственно, только и могут T. р. эффективно протекать уже при темп-pax kT, вдесятки раз ниже высоты кулоновского барьера. Причина такого рода "облегченной" (в относит. масштабе/kT )проницаемости кулоновского барьера по сравнению с "химическим" барьером активации состоит втом, что первый имеет сильно скошенную (рис. 1), а второй - почти вертикальную форму.

Существование неширокой области относит. энергий ядер ок. =(1/2) mu2 макс, вносящей осн. вклад вполную скорость <us> T. р., имеет простой физ. смысл: для более частых столкновений ядер с энергией слишком мала проницаемость барьера, и, наоборот, наиб. эффективные по проницаемостистолкновения ядер с слишком редки. "Оптимальная" энергия приходится на "хвостовую"область максвелловского распределения; напр., для T. р. 4 и 5 (табл.) /kT=6,25T-1/3 кэВ>>1.

Расчет скорости T. р. для немаксвелловского распределения ядер (конкретно, усеченного со стороныбольших ) показывает, что, начиная со ср. энергий порядка неск. кэВ, когда оптим. "номер хвоста" /kT"эквивалентного" (в смысле одинаковости ср. энергий) максвелловского распределения уже перестает бытьбольшим, наличие или отсутствие полного максвелловского распределения ядер практически некритичнодля значения <us>.

Скорости <us> нек-рых важнейших для УТС T. р., рассчитанные численно (с учетом также и резонансов) длямаксвелловского распределения, приведены на рис. 3; скорость реакции 5 составляет (51-55)% от скоростиDD полн.

Рис. 3 Скорости некоторых важнейших для УТС термоядерных реакций

Радиоактивность - Естественнонаучная картина мира

Похожие статьи