Атом и распад

Атомное ЯДРО, испускающее у-кванты или другие части­цы, называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабиль­ных атомных ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радио­изотопами.
Альфа-распад. Энергия связи ядра характеризует его устойчи­вость к распаду на составные части. Если энергия связи ядра меньше энер­гии связи продуктов его распада, то это означает, что ядро может самопро­извольно (спонтанно) распадаться. При альфа-распаде а-частицы уносят почти всю энергию и только лишь 2% ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.
Начальная энергия а-частицы составляет 4—10 МэВ. Поскольку а-части­цы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе а-частиц, испускаемых ядром урана, равна 2,7 см, а испускаемых радием — 3,3 см.
Бета-распад. Это процесс превращения атомного ядра в другое яд­ро с изменением порядкового номера без изменения массового числа. Раз- орби­тального электрона атомным ядром. Последний тип распада принято так­же называть К-захватом, поскольку при этом наиболее вероятно погло­щение электрона с ближайшей к ядру оболочки (так называемой К-оболочки). Период полураспада Р-активных ядер изменяется в очень широких пределах.
Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет око­ло полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-ра­диоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем. Непрерывное распределение по кинетической энергии испускаемых при распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с элек­троном испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны имели бы строго определенный импульс, равный импульсу ос­таточного ядра. Резкий обрыв спектра наблюдается при значении кинети­ческой энергии, равной энергии бета-распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино равны нулю и электрон уносит всю энер­гию, выделяющуюся при реакции. ¦
При Электронном распаде остаточное ядро имеет порядко­вый номер на единицу больше исходного, при сохранении массового чис­ла. Это означает, что в остаточном ядре число протонов увеличилось на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало меньше:
N = A-(Z + 1).
При позитронном распаде сохраняется полное число нуклонов, но в ко­нечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Таким образом, позитронный распад может быть интерпретирован как реакция превра­щения внутри ядра одного протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
К электронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из орбитальных электронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен за­хват электрона с орбиты, наиболее близко расположенной к ядру, то с на­ибольшей вероятностью поглощаются электроны К-оболочки. Поэтому этот процесс называется также К-захватом.
С гораздо меньшей вероятностью происходит захват электронов с других оболочек. После захвата электрона с К-оболочки происходит ряд перехо­дов электронов с орбиты на орбиту, образуется новое атомное состояние и испускается рентгеновский квант.
Гамма-распад. Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечаю­щем наименьшей энергии. Это состояние, как уже упоминалось, называет­ся основным. Однако путем облучения атомных ядер различными частица­ми или высокоэнергитическими протонами им можно передать определенную энергию и, следова­тельно, перевести в состояния, отве­чающие большей энергии. Переходя через некоторое время из возбужден­ного состояния в основное, атомное ядро может испустить или частицу, если энергия возбуждения достаточ­но высока, или высокоэнергетичес­кое электромагнитное излучение — Y -квант. Поскольку возбужденное ядро находится в дискретных энергетических со­стояниях, то и гамма-излучение характеризуется линейчатым спектром. Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа подчи­няется одному закону, носящему название закона радиоактивного распада и выражающегося формулой:

t N = N0*2*T,

где No — начальное количество радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинаются наблюдения (t=0). Число ядер, не испытав­ших распада до некоторого произвольного момента времени t, обознача­ется N. Символом Т обозначена постоянная величина, зависящая от типа радиоактивного изотопа. Эта постоянная называется периодом полураспа­да. Через промежуток времени, равный периоду полураспада, исходное количество радиоактивных ядер уменьшается вдвое.
Явление деления тяжелых атомных ядер на два ос­колка было открыто О. Ганом и Ф. Штрассманом
в 1939 году при изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. Несколько позже, в 1940 году, советские физики К.А. Петр-жак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При спонтанном делении, вызванном нейтронами, как прави­ло, образуются асимметричные осколки, отношение масс которых при­мерно равно 3:2.
При реакции деления выделяется очень большая энергия. Энергия деле­ния высвобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, кине­тической энергии испускаемых ядрами-осколками электронов, у-кван­тов, нейтрино, нейтронов.
Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков, поскольку под действием кулоновских сил отталкивания они приобрета­ют большую кинетическую энергию. Основная часть энергии деления вы­деляется в виде кинетической энергии ядер-осколков. Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления явля­ется то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это об­стоятельство позволяет создать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действи­тельно, если в среде, содержащей делящиеся ядра, один нейтрон вызыва­ет реакцию деления, то образующиеся в результате реакции нейтроны мо­гут с определенной вероятностью вызвать деление ядер, что может привести при соответствующих условиях к развитию неконтролируемого процесса деления. Число вторичных нейтронов непостоянно для всех тя­желых ядер и зависит как от энергии вызвавшего деление нейтрона, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтронов деления кроме так называе­мых мгновенных нейтронов, испускаемых за 10—15 секунд после процес­са деления, есть также и запаздывающие нейтроны. Они испускаются в те­чение нескольких минут с постепенно убывающей интенсивностью. Мгновенные нейтроны составляют более 99% полного числа нейтронов деления, а их энергия заключена в широком диапазоне: от тепловой энер­гии до энергии, приблизительно равной 10 МэВ.
Запаздывающие нейтроны испускаются возбужденными ядрами образую­щихся после бета-распада продуктов деления — ядер-предшественников. Поскольку испускание нуклонов возбужденным ядром происходит мгно­венно, то время испускания запаздывающего нейтрона после акта деления будет определяться постоянной распада ядра-предшественника.

Прибор для измерения спе­ктра гамма-излучения на­зывается гамма-спектрометр. В большинстве гамма-спект­рометров энергия и интенсив­ность потока у-квантов опре­деляются не непосредственно, а измерением энергии и ин­тенсивности потока заряжен­ных частиц, возникающих в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом. Основными характеристиками гамма-спектрометра являются эффективность и разрешаю­щая способность. Эффектив­ность определяется вероятнос­тью образования вторичной частицы и вероятностью ее ре­гистрации. Разрешающая спо­собность характеризует воз­можность разделения двух гам­ма-линий, близких по энергии. В сцинтилляционных гамма-спектрометрах вторичные эле­ктроны возникают при взаи­модействии у-квантов со сцинтиллятором (веществом, в котором вторичные электроны возбуждают флюоресценцию). Световая вспышка преобра­зуется в электрический им­пульс с помощью фотоэлек­тронного умножителя (ФЭУ), причем величина сигнала, со­здаваемого ФЭУ, пропорцио­нальна энергии электрона и, следовательно, связана с энер­гией у-кванта. Для измерения распределения сигналов по амплитуде используются спе­циальные электронные уст­ройства — амплитудные ана­лизаторы


Схема гамма-спектроме­тра: 1 — источник у-квантов, 2—сцинтилляционный кристалл, 3 — ФЭУ, 4 — усилитель элект­рических импульсов, 5 — ампли­тудный анализатор импульсов.


В результате деления тяже­лых ядер образуются, как правило, два ядра-осколка
С различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых оскол­ков равно 2:3. Как правило, ядра-оскол­ки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бе­та-распада. Массовые числа А продуктов деления меняются от 72 до 161, а атом­ные номера — от 30 до 65. Вероятность симметричного деления на два осколка с приблизительно равными массами составляет всего 0,04%. Доля симметричного деления возрастает по мере увеличения энергии первичного нейтрона, вызывающего деление атомно­го ядра.



Атомное оружие имплозионного типа представляет собой полую сферу из делящегося материала, окруженную слоем обычного взрывчатого вещест­ва. При детонации наружной сферы внутренняя сжимается до критической массы, и проис­ходит ядерный взрыв: а) — до взрыва, Ь) — после взрыва. Условные обозначения: 1 — кор­пус, 2 — обычное взрывчатое вещество, 3 — докритическая масса Ри-239, 4 — воздушная полость и зазоры, 5 — провода системы детонации, 6 — кри­тическая масса.
Различные частицы (нейтроны, протоны, электроны, у -кванты и т.д.) могут взаимодействовать с атомными ядрами. Характер взаимодействия зависит от энергии частиц, их типа и свойств атомного ядра. Для оценки вероятно­сти взаимодействия вводится величина, называемая микроскопическим се­чением взаимодействия. Физический смысл ее состоит в следующем. Пусть пучок нейтронов интенсивностью No падает на мишень, состоящую из од­ного слоя ядер. Число ядер на единице поверхности равно М. Предполо­жим, что при прохождении пучка через такой слой часть нейтронов погло­тится в нем, а N нейтронов пройдет через этот слой. Тогда вероятность взаимодействия одного нейтрона с одним атомным ядром будет равна:
Это и есть микроскопическое сечение, представляющее собой эффектив­ную площадь поперечного сечения атомного ядра, попав в которое нале­тающая частица вызывает ядерную реакцию или испытывает рассеяние. В процессе экспериментальных исследований энергетической зависимос­ти сечения взаимодействия частиц и различных атомных ядер было обна­ружено, что при определенных энергиях значения сечений резко возрас­тают, а при дальнейшем увеличении энергии снова уменьшаются. Это явление называется резонансом.



Энергия, выделяемая при деле­нии ядер, не всегда используется во благо.
Нейтроны по энергии принято делить на следующие группы: быстрые нейтроны, с энергией 1—2 МэВ и скоростью примерно 107 м/с, и тепловые нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с ядрами среды, имеющие энергию 0,005—0,2 эВ и движущиеся со скоростью теплового движения (около 2-Ю3 м/с). Выделяют также промежуточные и надтепловые нейтро­ны.
При взаимодействии нейтрона и ядер могут протекать следующие реак­ции: упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, деле­ние. Вероятность протекания определенной реакции характеризуется ми­кроскопическими сечениями. В зависимости от энергии нейтрона сечения могут изменяться. Так, в области быстрых нейтронов сечение ра­диационного захвата примерно в 100 раз меньше сечения захвата тепловых нейтронов. Сечение упругого рассеяния, как правило, почти постоянное для энергии выше 1 эВ.
Необходимо ОТМеТИТЬ, что радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого воздействия на ткани жи­вого организма заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают высокой химиче­ской активностью, поэтому при попадании в клетки организма они про­воцируют появление новых химических соединений, чуждых здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются отдель­ные сложные молекулы и элементы клеточных структур. Р-частицы обладают различными пробегами в веществе. Проникающую способность Р-частиц различных радиоактивных изотопов обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью погло­щающего все (З-частицы. К примеру, слой алюминия толщиной 3,5 мм полностью защищает от потока Р-частиц с максимальной энергией час­тиц 2 МэВ.
Ot-частицы обладают значительно большей массой, чем Р-частицы. По­этому столкновения с электронами атомных оболочек оказывают незна­чительное влияние на траекторию движения а-частиц, и они движутся почти прямолинейно. Пробеги а-частиц в веществе очень малы — например, в мягких тканях человека дли­на пробега а-частиц составляет со­тые доли миллиметра. Благодаря небольшой проникающей способ­ности альфа- и бета-излучения обычно не представляют опаснос­ти при внешнем облучении. Плот­ная одежда может поглотить значи­тельную часть Р-частиц и совсем не пропускает а-частицы. Однако при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивным веществом поверх­ности тела альфа- и бета-излуче­ния могут причинить человеку се­рьезный вред.
у-кванты и нейтроны, в отличие от ОС- и Р-частиц, не обладают элект­рическими зарядами и потому гораздо больший пробег в веществе — пути пробега у-квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом вещест­ве — десятками сантиметров и даже метрами, у-кванты, как и заряжен­ные частицы, взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов. При прохождении вблизи атомного ядра у-квант может превра­титься в пару частиц электрон-позитрон. Вторичные электроны, возни­кающие в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом, производят ионизацию и возбуждение атомов среды. Проникающая спо­собность гамма-лучей увеличивается с ростом энергии у-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя. Нейтроны при движении в веществе с электронными оболочками атомов не взаимодействуют и возбуждать или ионизировать атомы не могут. При столкновении с атомными ядрами они испытывают рассеяние или вызы­вают ядерные реакции с выходом из ядра заряженных частиц и у-квантов. Таким образом, конечными результатами взаимодействия с веществом любого вида ядерного излучения являются ионизация и возбуждение ато­мов среды. Кроме того, в некоторых случаях при осуществлении ядерных реакций возможно образование новых элементов или изотопов. Гамма-лучи и потоки нейтронов — наиболее проникающие виды ионизи­рующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.
Особенно чувствительны к воздействию подобных излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельст­во используется для лечения раковых опухолей.
В терапии применяют радиоактивные препараты, испускающие гамма-лучи, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь орга­низма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда как организму больного не причиняется существенного ущерба. Од­нако необходимо отметить, что радиотерапия рака, как, впрочем, и любой другой метод лечения этого заболевания, далеко не всегда приводит к излечению.
Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (так называемая лучевая болезнь) и мо­гут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом альфа-лучи, оказывают стимулирующее действие на ор­ганизм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшие количества радия или радона.
Мерой воздействия любого вида ядерного излучения на ве­щество является поглощенная доза излучения. Доза излуче­ния есть отношение энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества. Единица поглощенной дозы получила название грэй (Гр):
1ГР = 1кг
Также может быть использована и единица рад: 1 рад = 0,01 Гр.
Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установ­лено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. Первое время частицы, из которых построены атомы, счи­тались неделимыми. Поэтому их назвали элементарными частицами. Однако в последующем, при ближайшем рассмотрении, ока­залось, что термин «элементарная частица» довольно условен. Одна из этих частиц — нейтрон — в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, эле­ктрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино «насто­ящими» элементарными частицами, а нейтрон «ненастоящей» элемен­тарной частицей нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превра­щаться в другие частицы.
Параметров, определяющих свойства частиц, довольно много. Важней­шими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни.