3.2.3. Превращение атомных ядер

При радиоактивном распаде различают следующие типы превращений: α-распад, β-распад, электронный захват (К-захват) и деление.

При α-распаде радиоактивное ядро испускает α-частицу, представляющую собой ядро атома гелия, имеющую двойной положительный заряд и четыре атомные единицы массы, и превращается в ядро, электрический заряд которого меньше первоначального на две единицы, а массовое число меньше первоначального на четыре единицы. Такой процесс распада характерен для ядер элементов, расположенных в конце Периодической таблицы Менделеева.

Альфа-распад

При β-распаде ядра один из его нейтронов превращается в протон или наоборот, при этом испускается электрон (е-) или позитрон (е+). В зависимости от этого распад будет называться электронным или позитронным. В результате β-распада массовое число ядра остается без изменения, а заряд увеличивается или уменьшается на единицу, ядро исходного элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу больше или меньше, чем у исходного.

Бета-распад

Испускаемые при β-распаде электроны и позитроны называют β-частицами. Кроме β-частиц, ядро испускает антинейтриноилинейтрино– незаряженные частицы с массой, близкой к нулю.

Процессαи β-распада часто сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением с энергией γ-квантов в диапазоне рентгеновского излучения или выше.

Электронный захват. У некоторых радионуклидов атомное ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон, массовое число ядра остается без изменения, а заряд уменьшается на единицу, т. е. порядковый номер элемента уменьшается на единицу, как и при позитронномβ-распаде. Процесс захвата электрона с К-оболочки атома иногда называют К-захватом.

Процесс электронного захвата сопровождается характеристическим рентгеновскоим излучением.

Спонтанное деление. При спонтанном делении ядро самопроизвольно с испусканием 2–3 быстрых нейтронов распадается на два неравных по массе осколка, которые в свою очередь распадаются с испусканием β-частиц и γ-квантов. Некоторые из этих осколков могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими. Этот процесс свойственен тяжелым ядрам и сопровождается образованием осколков или продуктов деления – атомных ядер, имеющих заряды от 30 (72Zn) до 63 (I57Eu) и соответственно массовые числа от 72 до 157, и выделением значительной энергии.

Вероятность спонтанного деления существующих в природе тяжелых ядер очень низкая. Это явление было открыто Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1942 году.

Внужденное деление – происходит при захвате нейтронов аналогично спонтанному делению. При этом испускаются новые нейтроны и освобождается энергия, передаваемая осколкам деления. Это фундаментальное явление было открыто в конце 30-х годов ХХ в. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом, что заложило основу для практического использования ядерной энергии.

Ядра тяжелых элементов –23U,235U,239Pu и некоторые другие интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После захвата нейтрона такое ядро с вероятностью ∼0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. Высвобождаемая при делении энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на ионизацию атомов окружающего вещества, а в конечном итоге – на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.

Важной особенностью является то, что некоторые осколки также обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.