Сутність радіоактивності та ядерні реакції

Усі речовини, які існують у природі або виготовлені штучно, прийнято поділяти на прості та складні. Прості речовини складаються з атомів одного і того ж самого елемента (водень, залізо, уран тощо), складні речовини – з молекул. Молекули, у свою чергу, складаються також з атомів. Так, до складу молекули води входять два атоми водню та один атом кисню (Н₂О), а до складу молекули тротилу – 7 атомів вуглецю, 6 атомів кисню, 5 атомів водню і 3 атома азоту (С₆Н₂(NO₂)₃CH₃). Сукупність атомів одного виду називають хімічним елементом. На сьогодні відкрито 104 хімічних елементи. Для позначення елемента прийнято спеціальну символіку. Наприклад, для урану – ²³⁸₉₂U цифра внизу позначає атомний номер, а цифра вгорі – атомну масу.

Атом – найдрібніша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його властивості. Він складається з позитивно зарядженого ядра, що знаходиться у центрі атома, і негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра на різних орбітах. Якщо негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду ядра, атом стає електрично нейтральним.

Атомне ядро складається з протонів і нейтронів, які називають нуклонами. Кількість протонів (електронів) визначає хімічні властивості елементів, а кількість нейтронів впливає тільки на масу атома. У ядрі ²³⁸₉₂U їх 92 та 146 відповідно (238 – 92 = 146). Атоми, що мають ядра з однаковою кількістю протонів, але розрізняються за кількістю нейтронів, є різновидами одного і того самого хімічного елемента і називаються його ізотопами (нуклідами). Такі елементи мають однаковий номер у таблиці Мендєлєєва, але різне масове число (³⁹₁₉К, ⁴⁰₁₉К, ⁴¹₁₉К). За фізичними властивостями всі нукліди поділяються на дві групи – стійкі (стабільні) і нестійкі (радіоактивні).

У важких елементів, ядра яких складаються з великої кількості частинок, ядерні сили притягання вже не спроможні компенсувати кулонівські сили відштовхування. У цьому разі починається внутрішня перебудова ядер. Явище спонтанної перебудови ядер від менш стійкого стану до більш стійкого одержало назву радіоактивності.

Радіоактивність – це здатність ядер деяких хімічних елементів спонтанно перетворюватися в ядра інших хімічних елементів з виділенням енергії у виді іонізуючого випромінювання.

Основними видами іонізуючого випромінювання, що виникають при розпаді різних нуклідів, є:

- альфа-випромінювання;

- бета-випромінювання;

- нейтронне випромінювання;

- гамма-випромінювання.

Альфа-випромінювання являє собою потік позитивно заряджених частинок, що мають масове число 4 і заряд, який дорівнює 2 (це ядро атома гелію – ⁴₂Не). Нині відомо близько 40 природних і понад 200 штучних альфа-активних ядер, тобто ядер, здатних до альфа-розпаду.

Унаслідок альфа-розпаду початкове ядро перетворюється у нове ядро з атомним номером на 2 одиниці і масовим числом на 4 одиниці менше початкового:

 

²³⁹₉₄Pu → ²³⁵₉₂U + ⁴₂He; ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He

Проникаюча здатність альфа-частинок є невеликою. Довжина їх пробігу в повітрі становить 2,5 см, а у біологічній тканині – 0,003 мм. При зовнішньому опроміненні значної небезпеки для людини вони не становлять. Однак ця небезпека стає великою в разі проникнення альфа-частинок всередину організму. Пов’язано це з тим, що частки мають високу густину іонізації.

Бета-випромінювання являє собою потік негативно (β-) або позитивно (β+) заряджених частинок (потік електронів або позитронів). Вони є легшими за альфа-частинки і мають проникаючу здатність значно вищу. Довжина пробігу в повітрі становить 17,8 м, у біологічній тканині – до 2 см. Однак густина іонізації є значно меншою.

При електронному бета-розпаді відбувається перетворення нейтрона у протон, яке супроводжується утворенням і викиданням з ядра електрона; заряд ядра і його порядковий номер збільшуються на одиницю:

 

⁹⁰₃₈Sr → ⁹⁰₃₉Ÿ + β-

 

При позитронному бета-розпаді відбувається перетворення протона у нейтрон, яке супроводжується утворенням і викиданням з ядра позитрона; заряд ядра і його порядковий номер зменшуються на одиницю:

 

²²₁₁Na → ²²₁₀Ne + β+

 

Нейтронне випромінювання – потік нейтральних частинок, що не несуть електричних зарядів, проникаюча здатність яких є дуже високою: вони можуть вільно проникати крізь тіло людини і більш щільне середовище. У повітрі довжина пробігу досягає декількох сотень метрів.

Нейтрони самі по собі не викликають іонізації, але, вибиваючи атоми з їх стабільних станів, створюють наведену радіоактивність у матеріалах і тканинах, крізь які проходять:

 

²³⁸₉₂U + ¹₀n → ²³⁹₉₂U + βˉ → ²³⁹₉₃Np + βˉ → ²³⁹₉₄Pu

Гамма і рентгенівське випромінювання –це потоки електромагнітних хвиль. У спектрі електромагнітних коливань вони розташовані за ультрафіолетовими променями (рис. 3.1).

Чим меншою є довжина хвилі, тим вищою – енергія випромінювання і більша його проникаюча здатність. Рентгенівські промені можна розглядати як гамма-промені низьких енергій, які не виходять з радіоактивного атома, – їх одержують штучно.

 

 

Рисунок 3.1 ─ Спектр електромагнітних коливань:

ІФЧ – інфрачервоне випромінювання; УФ – ультрафіолетове випромінювання; ВП – видимі промені

 

Джерелами гамма-випромінювання є ядерні реакції і розпад багатьох радіоактивних речовин. Джерелами рентгенівського випромінювання є різні апарати і прилади, що використовуються в медицині та для інших цілей (апаратура зв’язку, яка потребує великої напруги), а також Сонце. Рентгенівське і гамма-випромінювання з однаковою довжиною хвилі, крім способу одержання, за характером впливу на живий організм нічим одне від одного не відрізняються. Отже, основну небезпеку для людей при зовнішньому опроміненні являє собою гамма-промені і нейтрони, а при внутрішньому опроміненні (при попаданні радіоактивних речовин (РР) усередину організму) – альфа- і бета-частинки.

Процес поділу ядра описується точковою моделлю ядра. На рис. 3.2 показані основні стадії процесу поділу ядра ²³⁵U: нейтрон наближається до ядра ²³⁵U, поглинається ядром ²³⁵U з утворенням збудженого складеного ядра ²³⁶U. Далі через час порядку 10^-14 с настає розпад складеного ядра, що може йти двома шляхами: або надлишкова енергія виділяється у виді γ-випромінювання і ядро переходить в основний стан, тобто має місце реакція радіаційного захоплення нейтрона, або (приблизно в 6 разів частіше) надлишкова енергія приводить до деформації ядра з утворенням перетягання. Частини ядра починають рухатися, і в результаті перевищення кулонівських сил відштовхування над силами ядерного притягання ядро розривається по перемичці на два нових ядра – осколки поділу: – важкий і легкий, які являють собою ядра різних нуклідів, що знаходяться в середній частині Періодичної системи елементів. Осколки розлітаються з великою швидкістю, на їхню частку припадає близько 80 % енергії, що виділяється у процесі поділу. Рухаючись в речовині, осколки втрачають свою енергію на іонізацію інших атомів і молекул навколишнього середовища, а їхня кінетична енергія переходить в енергію теплового руху часток середовища, тобто йде на його розігрівання. Частина енергії, що виділяється у процесі поділу, переходить в енергію поділу, руйнування нових ядер. Енергія поділу, руйнування порушення кожного з нових ядер істотно більше енергії зв’язку нейтрона в цих ядрах, тому при переході в основний енергетичний стан вони випускають один або кілька нейтронів, а потім γ-кванти. Нейтрони і γ-кванти, що випускаються збудженими ядрами, називаються миттєвими.

Рисунок 3.2 ─ Основні стадії процесу поділу ядра ²³⁵U

Після гальмування нові ядра перетворюються в нейтральні атоми, що називають продуктами розподілу. Таким чином, захоплюючи нейтрон, атомне ядро нукліда, поділяється на дві маси (і на два нукліди) і при цьому випускає2-3 нейтрони, які викликають ділення інших атомних ядер нукліда, що поділяються знову з випущенням нейтронів, що. у свою чергу, викликають поділ наступних атомних ядер нукліда і т.д. Таке перетворення атомних ядер нукліда називають ланцюговим процесом поділу.

При діленні вивільнюється велика кількість енергії (200 МеВ на акт поділу, на одиницю маси в 3 млн. разів більше енергії, ніж вугілля), і атомні ядра, що поділяються, випускають вторинні нейтрони в 2-3 рази більше числа поглинених при діленні. Наприклад, енергія, що вивільнюється при поділі всіх ядер, що містяться в 1 кг (2,55·10²⁴ ядер) ²³⁵U, становить:

 

ε = 2·10²·2,55·10²⁴ МеВ = 1,91·10¹⁰ Ккал = 2·10¹⁰ Ккал,

що еквівалентно тій енергії, яку можна одержати від згоряння приблизно 1800 тонн бензину або 2500 тонн кам’яного вугілля.

Ланцюгова реакція поділу на швидких нейтронах (при E > 10⁵ ев) може мати місце тільки у системі, що працює на високозбагаченому паливі, ступінь збагачення якого 20–30 %, що більш ніж на порядок вище ступеня збагачення природного урану (0,712 %). Це пов’язано з тим, що в цій області енергій при взаємодії з ядром ²³⁸U нейтрони в 5-10 разів частіше вступають у реакцію непружного розсіювання, ніж у реакцію поділу. Тому для здійснення на практиці ланцюгової реакції необхідно розділити ці ізотопи, що являє собою завдання, яке розв’язується дуже складно. Умови, за яких реалізується ланцюгова реакція поділу на швидких нейтронах, створюються в активних зонах ядерних реакторів на швидких нейтронах.

Для здійснення незатухаючої ланцюгової реакції поділу необхідно природний уран помістити в речовину, яка ефективно сповільнює швидкі нейтрони, що утворюються при поділі ²³⁵U, до теплових енергій (E ~ 0,025 ев). Ефективними сповільнювачами нейтронів є легкі речовини, маса ядер яких у незначній мірі відрізняється від маси нейтрона. Такими властивостями володіють вуглець (графіт), важка вода, берилій або окис берилію, що і використовуються як сповільнювачі. Звичайна вода має порівняно великий перетин захоплення теплових нейтронів, і її може бути використано як сповільнювач при здійсненні ланцюгової реакції на збагаченому нукліді ²³⁵U урану.