Книга: Общая химия

37. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции.

37. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции.

В 1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что некоторые легкие элементы — бор, магний, алюминий — при бомбардировке их ?-частицами испускают позитроны. Они же установили, что если убрать источник ?-частиц, то испускание позитронов прекращается не сразу, а продолжается еще некоторое время. Это значит, что при бомбардировке ?-частицами образуются какие-то радиоактивные атомы, обладающие определенной продолжительностью жизни, но испускающие не ?-частицы и не электроны, а позитроны. Таким образом была открыта искусственная радиоактивность.

Наблюдавшиеся явления Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри объяснили тем, что под влиянием бомбардировки ядер ?-частицами сперва образуются новые неустойчивые ядра которые затем распадаются  с испусканием позитронов. Например, в случае алюминия процесс протекает в две стадии

где ₁₅³⁰P — искусственно полученный изотоп фосфора — радиофосфор.

- 106 -

Последний неустойчив (период полураспада 3 мин 15 с) и распадается с образованием устойчивого ядра:

Аналогичные процессы происходят при бомбардировке  ?-частицами ядер бора и магния, причем в первом случае получается радиоазот ₇¹³N с периодом полураспада 14 мин, во втором — радиокремний ₁₄²⁷Si с периодом полураспада 3 мин 30 с.

Результаты, полученные Ирен Кюри и Фредериком Жолио-Кюри, открыли новую обширную область для исследований.

В настоящее время искусственно получены сотни радиоактивных изотопов химических элементов. Раздел химии, изучающий радиоактивные элементы и их поведение, называется радиохимией*.

* Следует различать радиохимию и радиационную химию, предметом которой являются химические процессы, протекающие под действием ионизирующих излучений.

Получение изотопа  ₁₅³⁰P путем бомбардировки атомов алюминия  ?-частицами служит примером ядерных реакций, под которыми понимают взаимодействие ядер с элементарными частицами (нейтронами n, протонами p,  ?-фотонами) или с другими ядрами (например, с  ?-частицами или дейтронами ₁²H). Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Резерфордом. Воздействуя на атомы потоком  ?-частиц, ему удалось осуществить следующий процесс:

₇¹⁴N + ₂⁴He ?₈¹⁷O + p

Тем самым впервые была экспериментально доказана возможность искусственного взаимопревращения элементов.

Для проникновения в ядро-мишень и осуществления ядерной реакции бомбардирующая частица должна обладать большой энергией. Разработаны и созданы специальные установки (циклотроны, синхрофазотроны и другие ускорители), позволяющие сообщать заряженным частицам огромную энергию. Для проведения ядерных реакций используются также потоки нейтронов, образующиеся при работе атомных реакторов. Применение этих мощных средств воздействия на атомы позволило осуществить большое число ядерных превращений.

Так, в 1937 г. впервые был искусственно получен неизвестный до этого элемент с порядковым номером 43, заполнивший соответствующее место в периодической системе и получивший название технеция (Tc). Его получение было осуществлено путем бомбардировки молибдена дейтронами:

₄₂⁹⁸Mo + ₁²H ?₄₃⁹⁹Tc + n

Особый интерес представил синтез ряда трансурановых элементов, расположенных в периодической системе после урана.

- 107 -

Первый из них был получен в 1940 г. действием нейтронов на изотоп урана ²³⁸U. При поглощении нейтронов ядрами этого изотопа образуется ?-радиоактивный изотоп урана ²³⁹U с периодом полураспада 23 мин. Испуская ?-частицы,  ²³⁹U превращается в новый элемент с порядковым номером 93. Этот элемент по аналогии с планетой Нептун, следующей в солнечной системе за планетой Уран, был назван нептунием (Np).

Образование нептуния можно изобразить схемами:

₉₂²³⁸U + n ?₉₂²³⁹U

₉₂²³⁹U ?₉₃²³⁹Np + e^-

Было установлено, что ²³⁹Np тоже радиоактивен. Подвергаясь ?-распаду, он превращается в элемент с порядковым номером 94, которому присвоено название плутоний(Pu):

₉₃²³⁹Np ?₉₄²³⁹Pu + e^-

Таким образом, в результате облучения урана нейтронами были получены два трансурановых элемента — нептуний и плутоний.

В последующие годы, главным образом группой ученых, работавшей под руководством американского физика Г. Сиборга, были получены изотопы трансурановых элементов с порядковыми номерами 95 — 103. В частности, элемент менделевий (Md) с порядковым номером 101 был синтезирован в 1955 г. путем бомбардировки эйнштейния (Es) ?-частицами:

₉₉²⁵³Es + ₂⁴He ?₁₀₁²⁵⁶Md + n

В 1964 г. группа ученых, возглавлявшаяся академиком Г.Н. Флеровым, бомбардируя изотоп плутония ₉₄²⁴²Pu ядрами неона ₁₀²²Ne, получила изотоп элемент 104, названный курчатовием (Ku)*:

₉₄²⁴²Pu + ₁₀²²Ne ?₁₀₄²⁶⁰Ku + 4n

* Элемент 104 получил свое название в честь выдающегося советского физика, академика Игоря Васильевича Курчатова (1903 -1960). Важнейшие работы И. В. Курчатова посвящены поглощению нейтронов ядрами и делению тяжелых ядер. И. В. Курчатов был крупным организатором в области исследования атомного ядра и внес большой вклад в создание и развитие в СССР необходимой для этих исследований технической базы.

В 1970 г. в лаборатории Г. Н. Флерова синтезирован элемент с порядковым номером 105. Продолжаются работы и по синтезу более тяжелых элементов.

Изучение ядерных реакций открыло путь к практическому использованию внутриядерной энергии. Оказалось, что наибольшая энергия связи нуклонов в ядре (в расчете на один нуклон) отвечает элементам средней части периодической системы.

- 108 -

Это означает, что как при распаде ядер тяжелых элементов на более легкие (реакции деления), так и при соединении ядер легких элементов в более тяжелые ядра (реакции термоядерного синтеза) должно выделяться большое количество энергии.

Первая ядерная реакция, которую применили для получения энергии, представляет собой реакцию деления ядра  ²³⁵U под действием проникающего в ядро нейтрона. При этом образуются два новых ядра-осколка близкой массы, испускается несколько нейтронов (так называемые вторичные нейтроны) и освобождается огромная энергия: при распаде 1 г ²³⁵U выделяется 7,5·10⁷ кДж, т.е. больше, чем при сгорании 2 т каменного угля. Вторичные нейтроны могут захватываться другими ядрами  ²³⁵U и, в свою очередь, вызывать их деление. Таким образом число отдельных актов распада прогрессивно увеличивается, возникает цепная реакция деления ядер урана.

Не все вторичные нейтроны участвуют в развитии этого цепного процесса: некоторые из них успевают вылететь за пределы куска урана, не успев столкнуться с ядром способного к делению изотопа. Поэтому в небольшом куске урана начавшаяся цепная реакция может оборваться: для ее непрерывного продолжения масса куска урана должна быть достаточно велика, не меньше так называемой критической массы. При делении урана цепной процесс может приобрести характер взрыва: именно это и происходит при взрыве атомной бомбы. Для получения же управляемой реакции деления необходимо регулировать скорость процесса, меняя число нейтронов, способных продолжать реакцию. Это достигается введением в реакционный объем стержней, содержащих элементы, ядра которых интенсивно поглощают нейтроны (к подобным элементам принадлежит, например, кадмий).

Кроме  ²³⁵U для получения ядерной энергии используют плутоний  ²³⁹Pu, синтезируемый из  ²³⁸U, и изотоп урана  ²³³U, получаемый из природного изотопа тория  ²³²Th:

Изотопы  ²³⁹Pu и  ²³³U, подобно изотопу  ²³⁵U, захватывая нейтрон, подвергаются делению.

Реакция ядерного синтеза также может служить источником энергии. Так, при образовании ядра атома гелия из ядер дейтерия и трития

₁²H + ₁³H ?₂⁴He + n

на каждый грамм реакционной смести выделяется  35·10⁷ кДж, т.е. почти в 5 раз больше, чем при распаде 1 г  ²³⁵U. Превращение имеющихся на Земле запасов дейтерия (около 4· 10¹³ т) в гелий могло бы поэтому стать практически неисчерпаемым источником энергии для человечества.

- 109 -

Однако для проведения реакций ядерного синтеза подобного типа (термоядерных реакций) необходима очень высокая температура (свыше 1 млн. градусов). Пока удалось осуществить только неуправляемую термоядерную реакцию, приводящую к взрыву огромной мощности: на этом процессе основано действие водородной бомбы. В настоящее время в ряде стран проводятся интенсивные исследования, ставящие целью овладение управляемым процессом термоядерного синтеза.