Строение атома, виды ядерных превращений и радиоактивный распад

Основу всего многообразия материального мира составляет, как известно, относительно небольшое число химических элементов. В настоящее время известно более ста различных элементов и соответственно столько же видов атомов, которые представляют наименьшую часть химического элемента, еще сохраняющую все его свойства. Некоторые элементы в природе не обнаружены и были получены искусственным путем.

Атомы всех химических элементов имеют одинаковое строение, напоминающее строение Солнечной системы.

Аналогом Солнца является ядро, расположенное в центре, вокруг которого находятся электронные оболочки, заполненные вращающимися электронами - прообразы планет.

Размеры ядра чрезвычайно малы по сравнению с пространственными характеристиками самого атома. Если диаметр атома составляет приблизительно 10 ^-8 см, то диаметр ядра - порядка 10^-13 см. Масса атома настолько мала (10^-22 - 10^-24 г), что ее принято выражать в относительных единицах - атомных единицах массы (а. е. м.). 1 а. е. м. равна 1/12 массы атома углерода и соответствует 1,66^-24г. Практически вся масса атома заключена в ядре.

Атомное ядро представляет собой совокупность ядерных частиц - нуклонов, к которым относятся положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны (рис. 1).

Протон (р) - устойчивая ядерная частица, несущая элементарный положительный заряд (1,6 * 10^-19 кулона). Находясь вне ядра, протоны сохраняют стабильность и не испытывают превращений. Число протонов в ядре (Z) строго постоянно для атомов каждого данного элемента и соответствует порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома и, в конечном счете, определяет химические свойства элемента.

Нейтрон (п) — второй вид нуклонов. В отличие от протона нейтрон не несет заряда, то есть электрически нейтрален.

Рис. 1. Строение атома

Нейтроны в ядрах стабильны, а в свободном состоянии неустойчивы. За каждые 11,7 мин половина данного числа нейтронов испытывает распад. При этом нейтрон, испуская электрон и антинейтрино и высвобождая некоторое количество энергии (0,78 МэВ), превращается в протон.

Сумма числа протонов (Z) и нейтронов в ядре атома данного элемента называется его массовым числом (М). Оно близко к целочисленному значению атомного веса (атомной массы) элемента (А). Для обозначения нуклида или изотопа слева сверху от химического символа элемента пишут атомную массу, а слева внизу – атомный номер: ^A_ZХ.

Оболочка атома образована элементарными частицами — электронами (е), имеющими массу примерно в 1840 раз меньше массы нуклонов и несущими один элементарный отрицательный заряд. Электроны вращаются на орбитах, которые группируются в определенные электронные слои, окружающие ядро, создавая его оболочку. Таких слоев может быть семь. Соответственно числу электронных слоев в периодической системе все элементы размещаются в семи периодах. Сумма отрицательных зарядов электронов оболочки уравновешивается равновеликим, но положительным зарядом ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии атом в целом электрически нейтрален. Поскольку в каждом слое электроны имеют свой уровень энергии, то перескок отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии.

Атомы, имеющие определенный состав и структуру ядра, называются нуклидами. Индивидуальность нуклида определяется зарядом ядра (числом протонов), но один и тот же элемент может иметь несколько разновидностей, которые различаются числом нейтронов и, следовательно, атомной массой, сохраняя при этом практически одинаковые химические свойства. Поскольку в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева все разновидности каждого элемента занимают одинаковое место, то их называют изотопами.

Таким образом, изотопы - это атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа. Для обозначения нуклида или изотопа слева сверху от химического символа элемента пишут атомную массу, а слева внизу - атомный номер.

Так как каждому элементу присущ только один определенный атомный номер, то при графической записи его часто опускают. Химические свойства атомов определяются внешними электронными оболочками.

Если один или несколько электронов оторвать от электронной оболочки, приложив соответствующую энергию, произойдет ионизация атома. Обратный процесс образования нейтрального атома из двух разнополярных ионов называется рекомбинацией. В случае недостаточного для ионизации количества энергии электрон может переходить на более удаленную от ядра орбиту (оболочку); в этом случае атом называется возбужденным. Переход атома из нормального состояния в возбужденное, то есть переход электрона с более низкого на более высокий уровень, сопровождается поглощением строго определенного количества энергии, равного разности соответствующих энергетических уровней. Возвращение электрона на исходный или переход его на более низкий уровень сопровождается испусканием атомом строго определенной энергии, соответствующей разности между начальным и конечным энергетическими уровнями. Теряемая атомом порция энергии выделяется в виде электромагнитных излучений (фотонов).

Вместе с тем энергия взаимосвязи между нуклонами в ядре в миллионы раз превышает энергетическое взаимодействие между электронами и ядром, что обеспечивает высокую устойчивость ядра. Такое выраженное взаимодействие между нуклонами достигается за счет так называемых ядерных сил, величина которых на коротких расстояниях (в пределах размера ядра) достигает колоссальных значений и значительно превышает влияние кулоновских сил отталкивания, действующих между одноименно заряженными частицами ядра (протонами). Поэтому многие нуклиды устойчивы, то есть в отсутствие внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений.

Для того чтобы перевести ядро из основного состояния в возбужденное, необходимо затратить намного больше энергии, чем при подобном воздействии на атом в целом (имеются в виду электронные оболочки). В свою очередь, возвращение ядра в основное состояние сопровождается одномоментным (или в несколько этапов) выделением энергии от 0,1-3,0 МэВ для первого возбужденного уровня и до7-8 МэВ для наиболее высокого уровня возбуждения.

С ростом в ядре числа одноименно заряженных протонов действующие кулоновские силы отталкивания значительно возрастают. С другой стороны, энергия связи между нуклонами (ядерные силы) с увеличением атомного номера (размера ядра), ростом числа нейтральных нейтронов уменьшается. У элементов с атомным номером более 82 (свинец) ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. К тому же в «тяжелых» ядрах все более увеличивается соотношение между количеством протонов и нейтронов в пользу последних (происходит как бы «разрыхление» ядра) и при превышении его в 1,6 раз стабильность ядер стремительно снижается. Неустойчивость нуклидов также повышается при недостатке нейтронов (при соотношении между нейтронами и протонами менее единицы). В связи с этим даже ядра атомов элементов, расположенных в начале и середине Периодической таблицы, могут становится неустойчивыми.

Таким образом, в зависимости от состава и энергетического состояния ядра нуклиды могут быть стабильными и нестабильными, иначе - радиоактивными. Ядра радиоактивных нуклидов (радионуклидов) неустойчивы, вследствие чего в них происходят сложные процессы — ядерные превращения, конечным результатом которых является образование стабильного нуклида той или иной разновидности. Совокупность таких ядерных превращений называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения того или иного вида. Иногда образовавшийся в ходе радиоактивного распада нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; в этом случае происходит выброс порции «чистой», квантовой, энергии, которая не имеет своего материального носителя с четкими пространственными и весовыми характеристиками. Иногда ядро последовательно испускает ряд квантов энергии, каждый раз переходя в менее возбужденное состояние, пока не станет стабильным. Это явление получило название каскадного излучения. К примеру, практически все ядра нестабильного изотопа кобальта-60 последовательно испускают два кванта энергии величиной 1,33 и 1,17 МэВ. Переход ядра из возбужденного состояния в основное путем испускания фотонов, при котором не изменяется ни атомный номер, ни атомная масса (массовое число), называется изомерным переходом. Это явление также относится к радиоактивному распаду.

Радионуклиды по своему происхождению подразделяются на природные, или естественные (появившиеся на Земле при ее возникновении или образующиеся постоянно в ядерных реакциях под воздействием космического излучения), и искусственные (образующиеся из стабильных нуклидов при работе ядерных устройств - реакторов, ускорителей либо в результате ядерных взрывов).

К основным типам ядерных превращений относятся: α-распад, β-распад, деление тяжелых ядер, синтез легких ядер, радиационный (нейтронный) захват.

При альфа-распаде (α) из ядра радионуклида выделяется α-частица, представляющая собой ядро атома гелия (⁴Не), состоящее их двух протонов и двух нейтронов, (то есть имеющее массу 4 и заряд +2) с образованием нового стабильного или радиоактивного нуклида. Отсюда следует, что при испускании α-частицы образуется нуклид, имеющий заряд на 2 единицы и массовое число на 4 единицы меньше, чем у материнского нуклида:

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn +⁴₂He

Из примера видно, как в результате α-распада из металла радия получается радиоактивный инертный газ радон, α-распад характерен для тяжелых (трансурановых) естественных и искусственных радионуклидов. Масса α-частицы превышает массу электрона в 7300 раз. α -распад претерпевает примерно 15 % всех радиоизотопов, которых насчитывается около 1500. Из них порядка 30 нуклидов относятся к радиоактивным семействам урана и тория. Известны многоступенчатые акты α -распада, например:

²³⁴U → ²³⁰Th → ²²⁶Ra → ²²²Rn → ²¹⁸Po → ²¹⁴Pb.

Два лишних электрона, оказавшихся в оболочке нового атома, теряются им, и атом становится нейтральным. Энергия α-частиц большинства альфа-излучателей находится в пределах 4-9 МэВ. При α-распаде могут возникать возбужденные ядра (продукты распада), которые, переходя в основное состояние, испускают γ-кванты.

Бета-распад (β) является наиболее распространенным типом распада (им обладают до 57 % всех известных радионуклидов) и может протекать в трех разновидностях. Для большинства природных и искусственных радионуклидов характерен электронный или отрицательный β-распад (46 %), при котором ядро радионуклида излучает высокоэнергетический электрон (^-1е) - бета-частицу (^-β). Реже (у некоторых искусственных радионуклидов) встречается позитронный или положительный β-распад (11 %) с испусканием позитрона (+β), а также электронный захват, при котором ядро радионуклида поглощает электрон с внутренней электронной К-оболочки собственного атома. Во всех случаях β-распада образуются новые нуклиды, ядра которых часто содержат избыток энергии, поскольку находятся в возбужденном состоянии. При переходе их в стабильное (основное) состояние избыток энергии излучается в виде гамма-квантов. Однако известен ряд β-активных радионуклидов, например, углерод-14, фосфор-32, стронций-90, рутений-106, распад которых не сопровождается гамма-излучением.

При электронном β-распаде ядро радионуклида испускает электрон. Массовое число вновь образованного радионуклида не изменяется по сравнению с массовым числом материнского радионуклида. Порядковый же номер радионуклида возрастает на единицу.

⁴⁰₁₉К → ^-е + ⁴⁰₂₀Са.

Вылет электронов сопровождается выбросом нейтрино (ν) (антинейтрино) - элементарной частицы с ничтожной массой (0,0005 от массы электрона).

Электронный распад типичен для ядер, содержащих избыточное число нейтронов, и эквивалентен превращению нейтрона ядра в протон по реакции:

¹n → ¹p + ^-β + ⁰ν

Суммарная энергия электрона и нейтрино равна максимальной энергии данного распада.

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственных радионуклидов, например:

³⁰₁₅P → ⁺¹e + ³⁰₁₄Si

При позитронном распаде порядковый номер радионуклида уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Позитронный распад характерен для ядер, содержащих избыточное число протонов, и эквивалентен превращению протона в нейтрон по реакции:

¹p → ¹n + ⁺β + ⁰ν

Позитрон в отличие от электрона недолговечен (время жизни 10^-10- 10^-7). Он соединяется с электроном, в результате чего образуются два гамма-кванта. Это явление называется аннигиляцией.

Своеобразие позитронного распада заключается в том, что масса исходного протона меньше, чем масса образовавшегося нейтрона. Поэтому испускание позитрона требует поглощения, а не выделения энергии. Эта энергия образуется при перестройке остатка исходного ядра в конечное. Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон, и пара позитрон—электрон превращается в два гамма-кванта, после чего конечное ядро становится электрически уравновешенным.

Распределение энергии между β-частицей и нейтрино (антинейтрино) в каждом акте распада совершается в различных соотношениях, поэтому β-частицы одного и того же β-источника имеют различные значения энергии — от нуля до определенного максимального значения, называемого граничной энергией бета-спектра. То есть энергетический спектр электронного и позитронного распадов в связи с одновременным испусканием нейтрино (антинейтрино) является не дискретным, а непрерывным (сплошным). Среднее значение энергии β-частиц у различных излучателей равно примерно трети максимальной. Для большинства β-источников максимальная энергия β-частиц не превышает 2-3 МэВ, но крайние значения весьма различны - от 0,018 МэВ (тритий) до 13,5 МэВ (бор-12).

Поскольку в подавляющем большинстве случаев β-распад идет с различными вероятностями переходов на возбужденные уровни, то β-излучение, как уже отмечалось, почти всегда сопровождается γ-излучением.

К-захват (захват орбитального электрона ядром) встречается у 25 % радионуклидов. При этом ядро захватывает электрон с ближайшей К-оболочки (иногда L-слоя) и происходит такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде - «лишний» протон, соединившись с этим электроном, превращается в нейтрон, испуская нейтрино:

⁶⁴₂₉Cu + ^-е – ⁶⁴₂₈Ni

Радионуклиды освобождаются от избыточных протонов путем электронного захвата, происходящего в том случае, когда в ядре нет энергии, достаточной для позитронного распада.

На освободившееся в К-слое место перескакивает электрон из L-слоя, на место последнего - из М-слоя и т. д., причем каждый перескок связан с высвобождением некоторой энергии, которая испускается атомом в виде рентгеновского характеристического излучения.

Позитронный распад и К-захват - конкурирующие типы распада. Если возможно испускание позитрона, то возможен и К-захват. При К-захвате единственной вылетающей из ядра частицей является нейтрино.

Радиационный (нейтронный) захват или реакция активации - это поглощение нейтрона ядром стабильного или радиоактивного нуклида с образованием нового изотопа исходного или другого радионуклида.

Такой тип ядерных превращений происходит при столкновении потока медленных (с энергией до нескольких эВ) нейтронов со стабильными ядрами. Нейтроны с энергией 0,5 МэВ и более, быстро пролетая вблизи ядра, не успевают вступить с ним во взаимодействие.

При столкновении ядро захватывает нейтрон и превращается в собственный изотоп, массовое число которого увеличивается на единицу по сравнению с исходным ядром. Таким образом, новое ядро получает избыток энергии, которая высвечивается в виде гамма-кванта. Новое ядро неустойчиво и испытывает последующий электронный распад. Поэтому эту реакцию называют еще реакцией активации, а про стабильные нуклиды, претерпевшие подобные ядерные превращения в радионуклиды под действием нейтронов, говорят, что они испытывают наведенную радиоактивность.

Деление ядер тяжелых элементов (урана-235, плутония-239) происходит при поглощении ими медленных (низкоэнергетических) нейтронов. Процесс деления начинается с того, что нейтрон, влетев в ядро обстреливаемого элемента, увеличивает его массовое число на единицу (например, ²³⁵U превращается в ²³⁶U). Но новое ядро оказывается энергетически неустойчивым, вследствие чего оно мгновенно делится. При этом образуются различные пары «осколков» (в большинстве случаев γ-, β-активных), которые представляют собой ядра радионуклидов, находящихся в средней части Периодической таблицы от номера 30 (цинк) до 65 (тербий), высвобождаются 2-3 свободных нейтрона, способных вызвать деление других тяжелых ядер, а также выделяется огромное количество тепловой энергии.

Сумма зарядов «осколков» равна порядковому номеру (заряду или числу протонов) исходного ядра. Тяжелое ядро расщепляется при делении на осколки с массовым числом от 72 до 161, но чаще в двух интервалах — от 85 до 106 и от 129 до 150. При делении ядра ²³⁵U возникает около 225 радиоактивных и 25 стабильных изотопов, принадлежащих 35 элементам (от цинка-62 до тербия-161), но наибольший выход имеют нуклиды в указанных выше интервалах массовых чисел.

Образующиеся при делении тяжелых ядер осколки имеют избыточное число нейтронов и претерпевают несколько последовательных электронных распадов, как правило, с испусканием гамма-квантов различных энергий.

В результате спонтанного деления урана наибольший выход среди относительно легких ядер имеют ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ⁹¹Y, ⁹⁵Zr, ¹⁰³Ru, ¹⁰⁶Ru, а среди относительно тяжелых — ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴¹Ce, ¹⁴⁴Ce. В сумме на них приходится 55-60 % от общего вклада осколков деления. Спонтанное деление ядер имеет место у 26 изотопов, в том числе у ряда естественных: ²³⁰Th, ²³²Th, ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu.

Если возникающие при делении нейтроны используются для последующего деления других ядер, реакция становится цепной.

При делении ²³⁵U и ²³⁸U нейтронами с энергией 14 МэВ цепной процесс развивается очень быстро, так как число вторичных нейтронов достигает 4 и даже 5. Если делящийся материал для появления такого лавинного процесса имеется в достаточном количестве, то возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера. Именно такие реакции лежат в основе ядерного оружия. В атомной бомбе используются ²³⁵U и ²³⁹Pu, которые делятся любыми нейтронами, но особенно интенсивно нейтронами с энергией от 0,025 до 0,5 эВ. Если масса урана или плутония мала, то цепная реакция развиться не может, так как свободные нейтроны, возникшие при делении первого же ядра, вылетают за пределы данной массы урана (плутония), не успев произвести новые акты деления. Минимальное количество делящегося вещества, в котором уже возможна цепная реакция, называется критической массой.

Число свободных нейтронов можно регулировать, то есть частично поглощать, чтобы при каждом акте деления свободным оказался только один нейтрон, который и произведет новый, но одиночный акт деления другого атома ²³⁵U и ²³⁹Pu. В ядерных реакторах плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями — поглотителями избытка нейтронов. Этот тип ядерных превращений в виде управляемой цепной ядерной реакции деления используется в реакторах различных типов.

Избыточные нейтроны, вылетая в окружающую среду, испытывают там радиационный захват. Таким образом, в процессе цепной реакции деления ядер тяжелых элементов помимо радиоактивных продуктов деления образуются и продукты активации. Ими становятся конструктивные материалы самой бомбы или реактора, а при взрыве — и объекты окружающей среды.

Синтез ядер легких элементов представляет собой слияние ядер изотопов водорода — трития и дейтерия в ядро гелия, что возможно лишь при нагревании смеси ядер-реагентов до температуры в несколько миллионов градусов, при которой легкие ядра, двигаясь с большими кинетическими энергиями, способны преодолеть кулоновские силы отталкивания положительно заряженных ядер и объединиться в ядра более тяжелых элементов, например:

²D + ³T → ²He + ¹n + Е (17,57 МэВ).

На Земле такая температура достижима только в условиях атомного взрыва, поэтому реакцию синтеза называют термоядерной. В результате этой реакции выделяется колоссальное количество тепловой энергии с образованием мощного нейтронного и гамма-излучения. Реакция синтеза ядер используется в термоядерном оружии (водородной бомбе), в котором для достижения высокой температуры (инициации) применяется урановый или плутониевый заряд.

Источником трития в водородной бомбе служит дейтерий лития. Реакция термоядерного взрыва совершается в два этапа. Сначала с литием реагируют нейтроны от деления урана (плутония) атомного запала, а дейтерий в реакцию не вступает:

⁶Li + ¹n → ³T + ⁴Не.

На втором этапе ядра дейтерия, высвобожденные из дейтерия лития на первом этапе реакции, взаимодействуют с ядрами трития по реакции, приведенной выше. При слиянии ядер этих двух изотопов водорода высвобождается 17,57 МэВ энергии.

Термоядерная реакция синтеза невозможна между тяжелыми ядрами, обладающими слишком высоким кулоновским барьером, непреодолимым даже для теплового движения сверхвысоких температур.

Хотя среди продуктов термоядерной реакции синтеза нет осколочных радионуклидов, потоки нейтронов вызывают наведенную активность объектов окружающей среды. Для увеличения мощности водородная бомба заключена в толстую оболочку из урана. Поэтому взрыв ядерной бомбы крупного калибра основан на принципе «деление—синтез—деление» и сопровождается значительным загрязнением окружающей среды радиоактивными осколками деления.

Радионуклиды трудно получить в абсолютно чистом виде. Обычно они находятся в смеси с нерадиоактивными веществами в количествах, зачастую не поддающихся весовому определению. Поэтому мерой количества радионуклида служит не масса, выраженная в граммах, а активность или число ядерных превращений (распадов) в единицу времени. Одинаковые весовые количества различных радионуклидов обычно имеют различную активность, так как скорость распада у них неодинакова. Активность пропорциональна количеству радионуклида; она зависит от скорости распада и уменьшается со временем.

Единица активности — беккерель (Бк) — одно ядерное превращение в секунду. Специальной единицей активности является кюри (Ки), равное 3,7 * 10¹⁰ Бк. Кюри — достаточно большая величина. В области радиационной гигиены, радиобиологии в расчетах и практической деятельности чаще используют дольные единицы: милликюри (1 мКи = 1 * 10^-3 Ки); микроюори (1 мкКи = 1 * 10^-6 Ки); нано кюри (1 нКи = 1 * 10^-9 Ки = 37 Бк).

Для практических целей в радиометрии пользуются также числом распадов в минуту: 1 Ки = 2,22 * 10¹² расп/мин.

Концентрацией радиоактивного вещества в любой среде называют количество распадов на единицу объема или массы. Единицами концентрации радионуклида являются Бк/кг, Бк/л (Ки/л, Ки/кг). Концентрация 1 Ки/л означает, что в 1 л жидкости или газа активностью в 1 кюри в секунду происходит 3,7 * 10¹⁰, а в минуту — 2,22 * 10¹² распадов. Понятие «удельная активность» — синоним концентрации.

Ядерные превращения, независимо от типа, носят вероятностный характер. Скорость радиоактивного распада ядер разных радионуклидов неодинакова, однако в равные промежутки времени распадается одна и та же доля ядер каждого конкретного радионуклида – закон радиоактивного распада. Время, в течение которого распадается половина всех ядер данного радионуклида, называется периодом полураспада.

Следует также отметить, что скорость радиоактивного распада для каждого радионуклида — строго определенная величина, и никакие температурные воздействия, давление или катализаторы не в силах ее изменить. Чем короче период полураспада, тем быстрее идет распад. В зависимости от скорости распада радионуклиды делятся (в достаточной мере условно) на короткоживущие, период полураспада которых исчисляется секундами, минутами, часами, днями, неделями; среднеживущие (месяцы, годы), и долгоживущие, чьи периоды полураспада составляют от десятков до миллиардов лет.

Чем короче период полураспада радионуклида, тем выше его радиоактивность при одинаковой массе и наоборот: при равной активности разные по периоду полураспада радионуклиды имеют различную массу. Так, для ¹³¹I, у которого период полураспада равен 8,06 сут, масса с активностью в 1 Ки составляет всего 0,008 мг, а аналогичная по активности масса ²³⁸U периодом полураспада, равным 4,5 млрд. лет, - около 3 т.