Ядерные процессы

Как указывалось в предыдущем параграфе, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева и состоящие из нескольких десятков нуклонов, в подавляющем большинстве неустойчивы. Входящие в их состав кластеры по случайным, стохастическим причинам могут вылететь из ядра. При этом меняются свойства соответствующего атома. Как правило, на смену одному атому какого-нибудь тяжелого элемента приходят два атома более легких элементов. Вот примеры таких распадов [13]:

На рис. 12.2 дано схематическое изображение кластерного распада ядра. Однако чаще всего ядерный распад сопровождается выбросом α -частицы (ядра атома гелия - частицы (электрона) и γ – частицы (фотона электромагнитного излучения высокой частоты – см. § 10.1).

Такой распад именуется радиоактивным. Вылетающие частицы обладают достаточно большой энергией, что вызывает ионизацию окружающей среды. Поэтому степень радиоактивности измеряется количеством электрических зарядов, возникающих в единице объема окружающей радиоактивной материи среды. Соответствующая единица именуется Рентген и она равна 2,8·10^-4К/кг.

Наиболее распространенный эквивалент – бэр – равен 0,01Дж/кг, т.е. определяется удельной суммарной энергией α, β и γ - частиц на единицу массы среды. Радиоактивный распад во времени затухает по экспоненциальному закону. Поэтому еще одной характеристикой радиоэлементов является период полураспада – время, за которое масса любого из этих элементов уменьшается в два раза.

Рис. 12.2. Схема выхода кластера из атомного ядра:

а – кластер находится внутри ядра А; б – кластер X вылетел из ядра

Ядра атомов тяжелых элементов – урана, плутония, нептуния – распадаются с выделением нескольких (от одного до трех) нейтронов. При этом они превращаются в свои изотопы (например, превращается в ).

Кроме распада, к ядерным процессам относят процессы синтеза – присоединения к ядрам одних атомов других атомов, нейтронов или электронов. В частности, ядра некоторых элементов способны захватывать электроны из внутренней оболочки – K, превращаясь в ядра соседнего (в таблице Менделеева) элемента. Например

Возможен также захват электрона и со следующих орбиталей – α – и М – захваты.

Процессы, в которых происходит одновременно распад ядер с выделением нейтронов и синтез новых ядер за счет присоединения этих нейтронов, именуются цепными ядерными реакциями. На основе этих реакции созданы атомные реакторы – узловые блоки АЭС – и атомная бомба.

При высоких температурах и давлениях – порядка К и 10¹⁰ Па – ядра атомов водорода превращаются в свои изотопы ² Dе и ³ Tr, но чаще всего в ядро гелия ⁴ He. Этот процесс именуется термоядерной реакцией, так как сопровождается колоссальным выбросом тепловой энергией в окружающую среду. Эта энергия возникает за счет дефекта масс: четыре ядра атома водорода весят на 0,7% больше ядра He. По формуле теории относительности этот дефект масс соответствует удельной энергии (на 1кг водорода):

W_т.р.=∆mc² = 0,007·9·10¹⁶=6,3·10¹⁴Дж.

(для сравнения – при сжигании 1кг бензина выделяется энергия 4,4·10⁷Дж/кг, а водорода – 14,3·10⁷Дж/кг).

Указанная реакция происходит, в частности, в ядре Солнца и является основным источником солнечной энергии.

Усилия ученых направлены на создания управляемой термоядерной реакции [3].

Особую радиоактивность представляет искусственная, обусловленная облучением нерадиоактивного вещества продуктами распада активных. Наиболее опасно облучение свободными нейтронами, так как они вызывают возбуждение ядер и достаточно длительный процесс распада – так называемую цепную реакцию. В ходе этой реакции одно ядро, распадаясь, выделяет один или несколько нейтронов. Те возбуждают соседние ядра, которые затем отправляют нейтроны своим соседям и т.д. Если этот процесс происходит в определенном объеме вещества и количество испускаемых нейтронов больше единицы, процесс принимает быстро нарастающий характер и приводит к атомному взрыву.

Таким образом, ядерные реакции с одной стороны принесли человечеству возможность управлять невиданными ранее количествами энергии, с другой – опасность глобального уничтожения.

---

Дата добавления: 2015-08-17