3.2.3. Перетворення атомних ядер

Книга 3. Розвиток теплоенергетики та гідроенергетики

При радіоактивному розпаді відбуваються такі типи перетворень: α-розпад, β-розпад, електронне захоплення (К-захоплення) і ділення.

При α-розпаді радіоактивне ядро випускає α-частинку, яка являє собою ядро атома гелію, що має подвійний позитивний заряд і чотири атомні одиниці маси, і перетворюється в ядро, електричний заряд якого менше первісного на дві одиниці, а масове число менше первісного на чотири одиниці Такий процес розпаду характерний для ядер елементів, розташованих наприкінці періодичної таблиці Менделєєва.

При β-розпаді ядра один з його нейтронів перетворюється на протон або навпаки, при цьому випромінюється електрон (е -) або позитрон (е +). Залежно від цього розпад буде називатися електронним або позитронним. У результаті β-розпаду масове число ядра залишається без зміни, а заряд збільшується або зменшується на одиницю, ядро вихідного елемента перетворюється на ядро з порядковим номером на одиницю більше або менше, ніж у вихідного.

Альфа-розпад

Електрони і позитрони, що випускаються при β-розпаді, називають β-частинками. Крім β-частинок, ядро випускає антинейтрино або нейтрино – незаряджені частки з масою, близькою до нуля.

Процес α і β-розпаду часто супроводжується короткохвильовим електромагнітним випромінюванням з енергією γ-квантів у діапазоні рентгенівського випромінювання або вище.

Бета-розпад

Електронне захоплення. У деяких радіонуклідів атомне ядро захоплює електрон з найближчої до нього К-оболонки. У результаті захоплення електрона один з протонів ядра перетворюється на нейтрон, масове число ядра залишається без зміни, а заряд зменшується на одиницю, тобто порядковий номер елемента зменшується на одиницю, як і при позитронному β-розпаді. Процес захоплення електрона з К-оболонки атома іноді називають К-захопленням.

Процес електронного захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінювання.

Спонтанний поділ. При спонтанному поділі ядро самовільно з випусканням 2–3 швидких нейтронів розпадається на два нерівних за масою осколка, які у свою чергу розпа- даються з випусканням β-частинок і γ-квантів. Деякі з цих осколків можуть випускати нейтрони, які називаються запізнілими. Цей процес властивий важким ядрам і супроводжується утворенням осколків або продуктів поділу – атомних ядер, що мають заряди від 30 (72Zn) до 63 (I57Eu) і відповідно масові числа від 72 до 157, та виділенням значної енергії.

Імовірність спонтанного поділу існуючих в природі важких ядер дуже низька. Це явище було відкрито Г.М. Флеровим і К.А. Петржаком в 1942 році.

Вимушений поділ – відбувається при захваті нейтронів аналогічно спонтанному поділу. При цьому випускаються нові нейтрони і звільняється енергія, що передається осколкам поділу. Це фундаментальне явище було відкрите наприкінці 30-х років ХХ ст. німецькими вченими О. Ганом і Ф. Штрассманом, що заклало основу для практичного використання ядерної енергії.

Ядра важких елементів – 233U, 235U, 239Pu – і деякі інші інтенсивно поглинають теплові нейтрони. Після захоплення нейтрона таке ядро з імовірністю ∼0,8 ділиться на дві нерівні за масою частини, які називаються осколками або продуктами ділення. Енергія зв'язку частинок, яка вивільняється при розпаді ядра, перетворюється в кінетичну енергію уламків поділу, нейтронів та інших частинок. Ця енергія потім витрачається на іонізацію атомів навколишньої речовини, а в кінцевому результаті – на теплове збудження атомів і молекул, які складають речовину, тобто на розігрівання навколишньої речовини.

Тут X* – материнське ядро, Y – дочірні ядра, k – число нейтронів, випущених під час поділу. Дочірні продукти радіоактивних процесів можуть також зазнавати розпаду, так виникають ланцюги радіоактивних перетворень.

Важливою особливістю є те, що деякі осколки також мають здатність інтенсивно поглинати нейтрони.