Основные типы ядерных реакций

Все вещества (элементы) в природе состоят из атомов. По современным представлениям атом состоит из ядра и электронных слоев, число которых растет по мере роста атомного номера X. Атомы тяжелых элементов имеют 7 слоев (К, Ь, М, Ы, О, Р, 0) и в каждом слое от 1 до 4 электронных оболочек с максимальным числом электронов 2, 6, 10, 14. Ядра атомов состоят из протонов р (положительно заряженных частиц) и нейтронов п, число которых равно соответственно атомному номеру Z и разности А - Z, где А массовое число, равное сумме протонов и нейтронов. Соответственно атомная оболочка содержит Z электронов.

В ядре возможны переходы п —» р и р —> п, и потому нейтроны и протоны можно рассматривать как различное состояние одних и тех же частиц - нуклонов. Поскольку система 2п -» 2р является соединением, прочно связанным силами ядерного притяжения, то в ядре, наряду с нуклонами, существуют «-частицы (ядра атомов Не).

Атомы способны испытывать ядерные превращения либо в результате их распада, либо в результате ядерных реакций, которые являются результатом взаимодействия ионизирующего излучения с электронной оболочкой или с ядром атома.

Ядра ряда элементов (в основном тяжелых) являются неустойчивыми и подвержены т. н. радиоактивному распаду. В зависимости от характера ядерных превращений радиоактивный распад подразделяют на несколько типов, основными из которых являются «-распад, /У-распад и самопроизвольное деление ядер. Ядерные реакции, в результате которых происходит радиоактивный распад ядер, сопровождаются ионизирующим излучением - выделением «-частиц, электронов и позитронов (соответственно /Г- и /? -частиц), а также фотонов (у-квантов), нейтронов и других элементарных частиц.

При «г-распаде ядро с атомной массой А и атомным номером А испускает «-частицу (или ядро гелия) и превращается в ядро с атомным номером 2 - 2 и атомной массой А- 4:

Энергетические спектры «-частиц являются линейчатыми и лежат в сравнительно узком энергетическом интервале: энергия «-частиц Е_а практически всех радионуклидов лежит в диапазоне 4 МэВ <Е_а< 9 МэВ. Отличительной особенностью «-частиц является малая проникающая способность - в твердых веществах их средний пробег измеряется микронами.

Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный распад (/Г), позитронный распад (/Г) и электронный захват (?•-распад).

Электронный распад является следствием внутриядерного превращения нейтрона в протон: заряд ядра увеличивается на единицу и превращается в ядро с атомным номером 2 + 1, ядро материнского элемента испускает электрон /Г и антинейтрино у

Позитронный распад является следствием внутриядерного перехода протона в нейтрон - заряд ядра уменьшается на единицу и превращается в ядро с атомным номером 2 - 1, ядро материнского элемента испускает позитронр и нейтрино у:

При распаде часть дочерних ядер оказывается в возбужденном состоянии и при переходе в основное состояние эти ядра испускают у-кванты с энергией от десятков до тысяч кэВ и электроны внутренней конверсии, приводящие к появлению характеристического излучения.

Электронный захват также является следствием перехода протона в нейтрон, при котором заряд уменьшается на единицу и превращается в ядро с атомным номером Е - 1, но сопровождается он захватом электрона с ближайших к ядру слоев - в первую очередь с /?-слоя (так называемый /?-захват), ядро материнского элемента испускает у-квант и нейтрино

Вызванная захватом перестройка электронов на орбитах атомов сопровождается испусканием характеристического излучения.

Поскольку при /2-распаде вылетает не одна, а две частицы е^± и у (у),

энергия распределяется между ними произвольно и потому спектры электронов /2-распада (или /2-спектры) являются непрерывными и заключены в интервале от нуля до максимальной энергии Ер_так, причем Ертах меняется в довольно широких пределах - от 10 кэВ до 10 МэВ. Проникающая способность /2-излучения существенно больше, чем у «-частиц, однако по абсолютной величине она сравнительно невелика и практически пропорциональна плотности вещества. Так, в горных породах /2-излучение естественных радионуклидов практически полностью поглощается в слое толщиной 8-10 мм, а в воздухе в слое 10 м.

У тяжелых ядер с атомной массой А > 232 радиоактивное превращение может происходить в результате спонтанного деления на сравнимые по массе осколки. Так, для ядер урана и тория в результате акта деления ядро самопроизвольно распадается на два осколка с массовыми числами в диапазоне 90-106 и 132-148 соответственно. Процесс деления ядер является конкурирующим по отношению к их «-распаду и сопровождается испусканием так называемых нейтронов деления, а также /2- и у-излучением перегруженных нейтронами осколков деления.

Ионизирующее излучение в процессе прохождения через вещество взаимодействует с атомной оболочкой или с ядром. Взаимодействие излучения с атомной оболочкой ядра приводит либо к появлению вторичного рассеянного излучения, либо к изменению энергетического состояния электронов атома, которое сопровождается рентгеновским излучением. Взаимодействие излучения с ядрами приводит к образованию «синтезированных» элементов, как правило, сопровождается интенсивным «вторичным» ионизирующим излучением.

Таким образом, ядерные реакции сопровождаются ионизирующим излучением, состоящим из «“-, /Г', /Г-частиц, фотонов (у-квантов), нейтронов и т. д.

Гамма-излучение представляет собой высокочастотное электромагнитное излучение и характеризуется большой проникающей способностью. Так, например, /-излучение, сопровождающее распад естественных радионуклидов, лежит в интервале от 10 кэВ до 3 МэВ и полностью поглощается в слое пород толщиной более 1 м или в слое воздуха мощностью более 1500 м. Как и любое электромагнитное излучение, /-излучение представляет собой отдельные энергетические кванты с энергией Е = hv, где h - постоянная Планка (6,62© 10 ³⁴ Джзс = 4,132с-) 10 ^ь эВос), v - частота, равная отношению скорости света с к длине волны /-излучения. Механизм возникновения /-излучения связан с радиоактивным распадом, который является следствием перехода ядер из неустойчивого (возбужденного) состояния в устойчивое. И поскольку распределение энергетических уровней дискретно, /-излучение, сопровождающее распад радиоактивных элементов, характеризуется «линейчатым» энергетическим спектром, который зависит от атомного номера элемента, претерпевшего радиоактивный распад, а интенсивность излучения зависит от содержания этого элемента в исследуемой среде. Эти обстоятельства являются физической основой радиометрических методов анализа горных пород и руд.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов. В свободном состоянии нейтрон радиоактивен и распадается с периодом полураспада 11,77 с по схеме

Для получения нейтронов используются ядерные реакции и делящиеся вещества (источники спонтанного деления. Наиболее известным источником нейтронов является плутоний-бериллиевый источник на осно- ве “ Ри, который при распаде (период полураспада 24 360 лет) выделяет «-частицу, реакция которой с ядром бора ⁴Не+⁹Ве—» ¹²С+п+5,704 МэВ сопровождается выделением нейтрона со средней энергией порядка 5 МэВ.

В генераторах нейтроны образуются в результате «бомбардиров- ки» мишени, содержащей тритий ( Н) или дейтерий (~Н), потоком дейтронов (d)

При этом первая реакция сопровождается нейтронами с энергией 14 МэВ, а вторая - 2,5 МэВ.

Наиболее мощным источником спонтанного деления является ис- точник '“Cf, испускающий при распаде нейтроны с энергией 2 МэВ при удельном выходе нейтронов 2,7 10⁹ мг ' с