Радиоактивность

Радиоактивные распады и типы ядерных излучений, Нуклонная модель, Ядерные реакции: законы сохранения и динамика Если применить к ядрам «стандартный» подход, в рамках которого мы считаем, что они должны состоять из самых мелких объектов, которые из них можно извлечь, то мы придем к самой простой из возможных моделей их строения (модели Гайзенберга-Иваненко, или нуклонной модели). Самыми мелкими нуклидами оказались протон (ядро атома водорода) с зарядом \(+e\) и массой в 1 а.е.м. и нейтрон - с нулевым зарядом и практически такой же массой (менее чем на \(0,2 \%\) больше массы протона). Обобщенное название для протонов и нейтронов - нуклоны, так что можно сказать, что в рамках этой модели ядра состоят из нуклонов. Конечно, из ядер в \(\beta\) -распадах вылетают еще и электроны, но более подробное исследование вопроса показало, что в квазиравновесных состояниях электроны не могут находиться внутри ядер, так что был сделан вывод, что эти электроны рождаются в какой-то нуклонной реакции и сразу покидают ядро. Важная черта этой модели - то, что она требует предположить существование нового взаимодействия между нуклонами. В самом деле, электромагнитное взаимодействие должно приводить к отталкиванию протонов. Гравитационное взаимодействие - притяжение, но для протонов в ядрах оно намного слабее электростатического отталкивания, и не сможет их удержать вместе. Значит, между нуклонами должны действовать очень мощные силы притяжения (их назвали ядерными силами, а соответствующее взаимодействие назвали просто «сильныл»»). Строение конкретного ядра в нуклонной модели задают следующими характеристиками: зарядовое число \(Z\) - заряд ядра в единицах элементарного заряда, равный числу протонов в ядре, и массовое число \(A\) - масса ядра в атомных единицах массы, численно примерно равная (при округлении до целого значения) суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Для компактной записи этой информации используется обозначение: \({ }_{A}^{Z} X\) , где \(X\) символ химического элемента данного ядра. Отметим, что химический элемент определяется именно по значению \(Z\) , так как это не только величина заряда ядра, но и одновременно число электронов в атоме, а химические реакции связаны в основном именно с взаимодействием электронов в атомах. Среди всевозможных нуклидов встречаются изотопы одного химического элемента - нуклиды с одинаковыми \(Z\) , но разными \(A\) . Изотопы имеют практически одинаковые химические свойства, но различаются по массе и по свойствам своих ядер. Все ядерные процессы представляют собой реакции с участием протонов и нейтронов. Например, \(\alpha\) -распад есть процесс вылета из ядра \(\alpha\) -частицы, состоящей из двух нейтронов и двух протонов. Поэтому уравнение \(\alpha\) -pacnaда: \({ }_{A}^{Z} X \rightarrow{ }_{A-4}^{Z-2} Y+\alpha\) . \(\beta\) -распад в этой модели является реакцией распада нейтрона с образованием протона, электрона и еще одной частицы - антинейтрино. Уравнение \(\beta\) -распада: \[n \rightarrow p e \bar{v}_{e} \Rightarrow{ }_{A}^{Z} X \rightarrow{ }_{A}^{Z+1} Y+e+\bar{v}_{e}.\] \(\gamma\) -распад - это процесс испускания ядром фотона (характеристики ядра при этом не меняются). Реакция деления ядер обычно сопровождается вылетом нескольких нейтронов деления (обозначим их число \(K\) ). Уравнение такой реакции: \({ }_{A}^{Z} X \rightarrow{ }_{A^{\prime}}^{Z^{\prime}} Y+{ }_{A^{\prime \prime}}^{Z^{\prime \prime}} Z+K{ }_{1}^{0} n\) , причем: \(A^{\prime}+A^{\prime \prime}+K=A, \quad Z^{\prime}+Z^{\prime \prime}=Z\) . Реакция деления ядер урана идет в реакторе атомной электростанции и в заряде атомной бомбы. Обратный процесс - слияние ядер (термоядерный синтез), энергетически выгоден для легких ядер. Пример реакции термоядерного синтеза (одна из тех, которая считается перспективной для построения термоядерного реакции): \({ }_{2}^{1} H+{ }_{3}^{1} H \rightarrow{ }_{4}^{2} H e+{ }_{1}^{0} n\) . В этой реакции сливаются ядра дейтерия («тяжелого водорода») и трития («сверхтяжелого водорода») с образованием ядра гелия и вылетом нейтрона. На каждую пару сталкивающихся ядер в этой реакции выделяется примерно 17,6 МэВ энергии, что является очень высоким показателем.