«С. С. Ветохин РАДИОХИМИЯ Пособие для студентов специальности 1-54 01 03 Физико-химические методы и приборы контроля качества продукции Минск 2010 УДК 544.58(075.8) ББК 24.13я73 В39 Рассмотрено и рекомендовано к изданию ...»

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С. С. Ветохин

РАДИОХИМИЯ

Пособие для студентов специальности

1-54 01 03 «Физико-химические методы

и приборы контроля качества продукции»

Минск 2010

УДК 544.58(075.8)

ББК 24.13я73

В39

Рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор, директор Института ядерных проблем БГУ В. Г. Барышевский;

доктор технических наук, профессор, заместитель директора ОИЭЯИ – «Сосны» НАН Беларуси А. П. Якушев Ветохин, С. С.

В39 Радиохимия : пособие для студентов специальности 1-54 «Физико-химические методы и приборы контроля качества продукции» / С. С. Ветохин. – Минск : БГТУ, 2010. – 161 с.

Пособие построено на основе учебной программы одноименного курса, который читается в БГТУ на протяжении 12 лет. В его состав включены материалы по строению атомного ядра, происхождению и видам ионизирующего излучения, взаимодействию излучения со средой, приборам для измерения радиоактивности, ядерной энергетике, свойствам нестабильных изотопов, включая сверхтяжелые.

УДК 544.58 (075.8) ББК 24.13я © УО «Белорусский государственный технологический университет», © Ветохин С. С.,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

1.1. Состав атомных ядер

1.2. Бозоны и фермионы, квантовые характеристики ядер 1.3. Фундаментальные взаимодействия

1.4. Энергия связи

1.5. Модели ядра

ТЕМА 2. ХИМИЯ ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

2.1. Радиоактивный распад

2.2. Виды радиоактивного распада

2.2.1. Альфа-распад

2.2.2. Бета-распад

2.2.3. Энергетические спектры ионизирующего излучения

2.2.4. Иные виды распадов

2.3. Природная радиоактивность

2.4. Радиоактивные семейства (ряды)

ТЕМА 3. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

3.1. Нестабильность

3.2. Изотопы цезия

3.2.1. Физико-химические свойства цезия

3.2.2. История

3.2.3. Радиоактивный цезий

3.2.4. Источники 137Сs

3.2.5. Миграция 137Сs

3.3. Калий-40

3.3.1. Физические свойства калия

3.3.2. Биологическая роль

3.3.3. Схема распада

3.3.4. История и происхождение названия.................. 3.4. Рубидий

3.4.1. Физические свойства

3.4.2. История открытия

3.4.3. Применение рубидия

3.4.4. Биологическая роль рубидия

3.5. Стронций

3.5.1. Физические свойства

3.5.2. Применение стронция

3.5.3. Биологическая роль стронция

3.6. «Космические изотопы»

3.6.1. Образование первичных изотопов

3.6.2. Образование изотопов в звездах

3.6.3. Углерод 14С

3.6.4. Тритий

3.7. Получение оружейного плутония

3.8. Синтез трансуранов

3.9. Синтез сверхтяжелых элементов

ТЕМА 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

4.1. Тяжелые заряженные частицы

4.2. Кинематика рассеяния

4.3. Удельные потери энергии

4.4. Формула Бете – Блоха

4.5. Флуктуации ионизационных потерь

4.7. Упругое рассеяние на атомах

4.8.1. Упругое рассеяние

4.8.2. Неупругое рассеяние

4.8.4. Генерация электронно-дырочных пар и катодолюминесценция

5.1. Классификация нейтронов

5.3. Замедление нейтронов

5.4. Диффузия нейтронов

5.5. Альбедо нейтронов

5.6. Источники нейтронов

5.6.1. Изотопные источники

5.6.2. Стационарные реакторы

5.6.3. Импульсные реакторы

5.6.4. Нейтронные генераторы

5.7. Нейтронография

ТЕМА 6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

6.1. Основные характеристики и образование гаммаквантов

6.2. Поглощение -излучения веществом

6.3. Эффект Комптона

6.4. Фотоэффект

6.5. Эффект рождения пар и суммарное ослабление......... ТЕМА 7. ОБЩАЯ СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

7.1. Продукты взаимодействия

7.2. Структура треков

7.3. Возбужденные частицы

7.4. Электроны и ионы

7.5. Свободные радикалы

7.6. Особенности радиолиза газов

7.7. Радиолиз жидкостей

ТЕМА 8. ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ.......... 8.1. Виды детекторов

8.2. Газоразрядный счетчик

8.3. Сцинтилляционный счетчик

8.4. Полупроводниковый счетчик

8.5. Черенковский счетчик

8.6. Счетчик переходного излучения

8.7. Камеры (трековые детекторы)

8.7.1. Камера Вильсона

8.7.2. Пузырьковая камера

8.7.3. Фотоэмульсионная камера

8.7.4. Электроразрядные камеры

8.8. Детекторы нейтрино

8.9. Установка для регистрации элементарных частиц ATLAS на большом адронном коллайдере в CERN.... ТЕМА 9. ЯДЕРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ

9.1. Общие проблемы энергетики

9.2. Цепная реакция

9.3. Ядерный реактор

9.4. Классификация ядерных реакторов

9.5. Элементы и общая схема ядерного топливного цикла.... 9.5.1. Схема полного замкнутого ядерного цикла...... 9.5.2. Добыча руды

9.5.3. Конверсия

9.5.5. Обогащение

9.5.6. Изготовление топлива

9.5.7. АЭС

9.6. Проблемы утилизации отработанного ядерного топлива

9.7. Из истории ядерной энергетики

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОХИМИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРЕМОРДИАЛЬНЫЕ И КОСМОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ

ЛИТЕРАТУРА

Основная

Дополнительная

ВВЕДЕНИЕ

Радиохимия изучает химические свойства и физико-химические закономерности поведения радиоактивных элементов и отдельных радионуклидов, методы их выделения и концентрирования. Она охватывает также процессы получения радиоактивных материалов, производства и регенерации ядерного горючего, методы применения радионуклидов и защиты от вредного воздействия ионизирующего излучения, методы и средства измерения характеристик излучения и делящихся материалов. Важными ее разделами являются радиохимия атомных реакторов и радиохимия ядерных взрывов.

Возникновение радиохимии как самостоятельной науки можно отнести к последнему десятилетию XIX в., т. е. к моменту открытия Антуаном Анри Беккерелем явления радиоактивности, вызвавшего интерес к изучению ядерных превращений. Основополагающими были работы того времени Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, открывших и выделивших (1898 г.) радий (Ra) и полоний (Po). При этом М. Склодовская-Кюри впервые применила методы соосаждения микроколичеств радиоактивных элементов из растворов с макроколичествами элементов-аналогов.

В 1911 г. Фредерик Содди определял радиохимию как науку, занимающуюся изучением свойств продуктов радиоактивных превращений, их разделением и идентификацией. Можно выделить четыре периода становления радиохимии, связанных с развитием учения о радиоактивности и ядерной физики.

Первый период (1898–1913 гг.) характеризуется открытием пяти природных радиоактивных элементов – полоний (Po), радий (Ra), радон (Rn), актиний (Ас), протактиний (Pa) – и их изотопов. В 1911– 1913 гг. Казимир Фаянс и Фредерик Содди независимо друг от друга установили правило сдвига, в соответствии с которым из исходного радиоактивного элемента образуется новый элемент, стоящий в периодической системе Менделеева на две клетки левее исходного в случае -распада или на одну клетку правее его при электронном -распаде. При этом Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди была найдена генетическая связь между всеми открытыми изотопами и определено их место в периодической системе. В этот период ведутся интенсивные поиски радиоактивных веществ в природе – радиоактивных минералов и вод.

Второй период (1914–1933 гг.) связан с установлением ряда закономерностей поведения радиоактивных изотопов, открытием изотопного обмена. В этот период научились получать не только лабораторные, но и промышленные количества радиоактивных веществ, появилась наука о радиоколлоидах, установлены законы адсорбции, соосаждения, появляется понятие радиоактивного индикатора.

Наиболее известные имена этого периода – Дьердь Хавеши, Фридрих Адольф Панет, Казимир Фаянс, Отто Ганн, Виталий Хлопин, Борис Ратнер.

Третий период (1934–1945 гг.) начинается после открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности. В этот период благодаря работам Энрико Ферми, Игоря Курчатова, Юлия Харитона, Андрея Сахарова, Лео Сциларда, Эмилио Сегре и многих других установлено деление ядер урана под действием нейтронов, разрабатываются основы методов получения, концентрирования и выделения искусственных радиоактивных изотопов. Использование циклотрона позволило впервые синтезировать новые искусственные элементы – Te и At. С середины 30-х гг. ХХ в.

бурно развивается прикладная радиохимия, получает широкое распространение метод радиоактивных (изотопных) индикаторов.

Четвертый, современный, период связан с использованием ускорителей частиц и ядерных реакторов. В этот период осуществлен синтез и выделение трансурановых элементов до № 116. Созданы методы получения ядерного горючего, выделения плутония (Pu) и продуктов деления урана (U), регенерации отработанного урана (U). Развивается химия искусственных и естественных радиоактивных элементов, их комплексных соединений. Возникает химия атомоподобных образований – позитрония, мюония и химия мезоатомов. Радиохимические методы находят применение в геохимии и космохимии. Развивается новое направление в радиохимии – химия процессов, происходящих вслед за ядерной реакцией. Получены продукты ядерных превращений под действием частиц высокой энергии – возникла ядерная химия. Разработано ядерное оружие на основе урана, плутония, калифорния. Создана термоядерная бомба.

В связи с широким использованием изотопов развивается радиационный контроль для военных, энергетических, природозащитных и иных целей. В большинстве стран мира принимается специальное законодательство. Заключаются международные соглашения о запрещении ядерных испытаний и распространения ядерного оружия.

Огромное значение приобретает проблема утилизации ядерных отходов, в первую очередь отработанного топлива атомных станций, предотвращения аварий и ликвидации их последствий. Планы создания в нашей стране атомной станции также потребуют решения этих проблем и подготовки специалистов по ядерным технологиям, радиационной химии, дозиметрии и защите.

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

Ядро представляет собой центральную массивную часть атома, вокруг которой по квантовым орбитам обращаются электроны. Масса ядра примерно в 4 тыс. раз больше массы входящих в состав атома электронов. Но размер ядра очень мал (10–15 – 10–14 м, что приблизительно в 105 раз меньше диаметра атома). Ядро несет положительный электрический заряд, который для нейтрального атома по абсолютной величине равен сумме зарядов атомных электронов.

Существование ядер у атомов было открыто в 1911 г. Э. Резерфордом в опытах по рассеянию -частиц веществом. Обнаружив, что -частицы чаще, чем ожидалось, рассеиваются на большие углы, Э. Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в малом по размерам ядре, тогда как ранее господствовали представления Дж. Томсона о равномерно распределенном по объему атома положительном заряде.

Идея Э. Резерфорда была принята не сразу, поскольку, как считалось, из-за потери энергии на электромагнитное излучение электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра, неизбежно должны упасть на ядро. Новая модель получила признание только после опубликования в 1913 г. Н. Бором работы, положившей начало квантовой теории. В ней автор постулировал стабильность орбит как исходный принцип квантования движения атомных электронов. В том же году ученик Э. Резерфорда Г. Мозли экспериментально показал, что электрический заряд ядра в единицах заряда электрона равен атомному номеру элемента. После работ Г. Мозли факт существования положительно заряженного атомного ядра окончательно утвердился в физике.

Ко времени открытия атомного ядра были известны только две элементарные частицы – протон и электрон. В соответствии с этим считалось, что ядро состоит из них. Однако при этом возникала проблема спина, расчетные и экспериментальные значения которого для многих атомов не совпадали. Проблема была решена после открытия в 1932 г. Дж. Чедвиком нейтрона, масса которого оказалась близка к массе протона, а спин равен 1/2. Идея о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, была высказана в том же году советским физиком Д. Д. Иваненко и непосредственно вслед за этим развита В. Гейзенбергом. Последующие более тщательные эксперименты показали различие масс нейтрона и протона: масса протона составляет 1836 масс электрона (м. е.), а нейтрона – 1839 м. е.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом А (или барионным зарядом), число протонов равно заряду ядра Z (в единицах заряда электрона), число нейтронов N = А – Z. Для обозначения ядер применяют символы химических элементов. Ядра с одинаковым зарядовым числом, но с разными массовыми числами называют изотопами. Ядра, имеющие одинаковое число нейтронов, называются изотонами, а ядра разных химических элементов, имеющие одинаковые массовые числа, – изобарами.

Изотопы были открыты в 1912 г. Дж. Томсоном и Ф. Астоном, которые с помощью масс-спектрометра проводили изучение масс ядер и иных частиц, образующихся в ядерных процессах. В частности, они обнаружили, что неону вместо ожидавшейся одной соответствуют две параболы. Расчеты показали, что одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая – с массой 22. Поскольку измеренное среднее массовое число оказалось равным 20,2, Дж. Томсон высказал предположение, что неон состоит из атомов двух типов: на 90% с массой 20 и на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона оказывается равным 20,2.

Наличие двух типов атомов неона навело на мысль о том, что и другие элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов, названных изотопами.

В связи с открытием изотопов возникла проблема стандартизации, поскольку ранее химики выбрали в качестве стандарта кислород (16,000000 атомных единиц массы – а. е. м.), оказавшийся смесью четырех изотопов. В итоге было решено установить «физическую» шкалу масс, в которой наиболее распространенному изотопу кислорода приписывалось значение 16,000000 а. е. м. Однако в 1961 г. было решено перейти к новому стандарту, взяв за эталон наиболее распространенный изотоп 12С, масса которого была определена как 12,000000 а. е. м. Поскольку число атомов в одном моле изотопа равно числу Авогадро (N0 = 6,0251023), то 1 а. е. м. = 1,6610–27 кг.

Отметим, что в значении атомной единицы массы учтена масса атомного электрона, а также энергия взаимодействия нуклонов между собой и с электронами, поэтому масса, например, самого легкого изотопа водорода почти на 1% больше 1 а. е. м.

Ядра некоторых химических элементов получили свои собственные названия. Например, для ядер изотопов водорода протия, дейтерия и трития приняты отдельные обозначения и названия (табл. 1).

Одно из принципиальных различий между частицами – различие между бозонами и фермионами. Все элементарные частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут находиться в ядре или в атоме в одном и том же квантовом состоянии, а одинаковые фермионы – нет. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. В одной ячейке может находиться сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион.

В качестве примера рассмотрим состояния для электрона в атоме.

По законам квантовой механики, для электрона существует определенный дискретный ряд разрешенных «состояний движения», особый для каждого атома. Наборы таких состояний называются орбиталями.

Первая орбиталь имеет две разрешенные ячейки для фермионов, а более высокие орбитали – восемь и более ячеек.

Поскольку электрон является фермионом, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Этим определяются, по сути, все химические свойства вещества. Анализ этих свойств подробно изучается в рамках курса теоретической химии.

Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках – гипотетических частицах, поиск экспериментальных доказательств существования которых все еще продолжается, несмотря на наличие многих косвенных подтверждений.

В то же время все калибровочные частицы, которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил, – бозоны. Так, например, множество фотонов, находящихся в одном состоянии, образуют магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда.

Различие между бозонами и фермионами связано с важной характеристикой элементарных частиц – спином (I). Этим термином определяется собственный момент импульса частицы. Момент импульса в механике – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. За исключением определенных случаев, относящихся к области физики высоких энергий, в любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются в ядерных реакциях.

Различие спинов ведет, как показал В. Паули, и к различным статистическим свойствам бозонов и фермионов. Квантовые частицы-бозоны, для которых в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц, подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна, которую в 1924 г. Ш. Бозе предложил для фотонов, а А. Эйнштейн развил для всех частиц со спином 0 или 1. Согласно этой статистике, среднее число частиц на i-м уровне в равновесном состоянии где Ei = p2/2m – энергия частицы с импульсом p и массой m в i-м состоянии; – химический потенциал, определяемый из следующего условия: сумма всех Ni должна быть равна полному числу частиц в системе; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Для фермионов, вынужденных распределяться по различным квантовым состояниям в силу принципа запрета Паули, статистика становится принципиально иной:

Для элементарных частиц момент импульса квантуется. Все лептоны имеют спин 1/2, а калибровочные частицы – 1 (обычно постоянную Планка при обозначении спина опускают). И эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый, то бозон.

Понятие спина применимо и к ядрам, для которых спины нуклонов суммируются. Спин I – целое число у ядер с четным А и полуцелое при нечетном, поскольку и протоны, и нейтроны имеют спин, равный 1/2.

Другой важной квантовой характеристикой ядра является четность его состояния (Р), принимающая значения ±1 и указывающая на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отображении пространства. Четность и спин часто объединяют единым символом IP или I±. Квантовое состояние системы имеет определенную четность Р, если система зеркально симметрична (т. е. переходит сама в себя при зеркальном отражении). В действительности в ядрах зеркальная симметрия нарушена из-за слабого взаимодействия между нуклонами (10–5% от основных сил, связывающих нуклоны в ядрах), ведущего к несохранению четности.

Кроме спина и четности, для описания динамических состояний ядра используют и другие квантовые числа, набор которых зависит от выбранной модели ядра. Среди таких квантовых чисел – изотопический спин, магнитный дипольный и электрический квадрупольный моменты, учитывающие динамическую симметрию ядерных взаимодействий.

1.3. Фундаментальные взаимодействия Все многообразие физических взаимодействий сводится к четырем фундаментальным видам: сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные взаимодействия.

Гравитационные взаимодействия присущи всем видам материи.

Но среди других они являются самыми слабыми. В настоящее время их проявление удается обнаружить лишь для макроскопических тел, а в микромире ими можно, как правило, пренебречь. Согласно теории гравитации, источником гравитационных сил являются энергия и импульс частиц материи, проявляющиеся в макромире как масса.

Электромагнитные взаимодействия проявляются между электрически заряженными частицами. Электрический заряд определяется через его фундаментальные свойства. Первое из них состоит в существовании зарядов двух видов: положительных и отрицательных. Положительность и отрицательность следует рассматривать лишь как удобную условность, которая позволяет охарактеризовать электрический заряд вещественным числом. Составные частицы, имеющие нулевой суммарный электрический заряд, также способны к электромагнитному взаимодействию, т. к. силы взаимодействия между составляющими зарядами и другими заряженными частицами в некоторых условиях могут оказаться нескомпенсированными, что ведет к образованию взаимодействующих электрических диполей, квадруполей и т. п.

Второе фундаментальное свойство электрического заряда определяет характер взаимодействия заряженных частиц: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Третьим фундаментальным свойством электрического заряда является его дискретность, т. е. существует некоторый элементарный заряд, величина которого определена экспериментально и составляет е = 1,602189210–19 Кл. Если существование кварков будет окончательно установлено, то элементарный заряд станет равным 1/3е, однако для всех надкварковых образований заряд электрона по-прежнему останется наименьшей величиной.

Четвертое фундаментальное свойство электрического заряда состоит в его независимости от выбора системы отсчета.

Электромагнитные и гравитационные взаимодействия являются дальнодействующими в том смысле, что они проявляются, в принципе, на любых расстояниях от источника.

Слабое (или электрослабое) взаимодействие наблюдается между кварками и лептонами. При этом происходит излучение и поглощение фотонов или тяжелых промежуточных векторных бозонов W+, W–, Z0, введенных в 1957 г. Ю. Швингером. Дальнейшее развитие теории опирается на калибровочные теории, впервые примененные к слабым взаимодействиям в работах Ш. Глэшоу (1961 г.), А. Салама и Дж. Уорда (1964 г.). Окончательно теория сформировалась к 1967 г.

благодаря работам С. Вайнберга и А. Салама с использованием механизма Хиггса. Поиск бозона Хиггса, масса которого предположительно находится в диапазоне от 100 до 1000 ГэВ, – одна из задач для нового европейского суперколлайдера.

Слабое взаимодействие является единственным, в котором участвуют нейтрино. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами, т. е. превращаться друг в друга.

Сильное взаимодействие наблюдается в масштабах атомных ядер (порядка 10–15 м) и отвечает за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны.

Первая теория сильного взаимодействия была сформулирована в 30-х гг. прошлого века японским физиком Х. Юкава. В соответствии с этой теорией, взаимодействие нуклонов происходит посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). При этом притяжение или отталкивание двух нуклонов описывалось как испускание пиона одним нуклоном и последующее его поглощение другим. Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 г. Однако в настоящее время для более точного описания ядерных сил применяется квантовая хромодинамика, использующая кварковые представления.

Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на ядерном и субъядерном уровнях. В этой связи принято говорить об эффективном радиусе действия соответствующих сил. С его помощью различаются также понятия «ядерный» и «субъядерный».

В табл. 2 приведены сравнительные характеристики четырех видов взаимодействий, расположенных в порядке убывания их интенсивности по сравнению с интенсивностью сильных взаимодействий, принятой условно за 1, на сравнимых расстояниях. В таблице также указаны частицы-переносчики взаимодействий.

Виды и характеристики фундаментальных взаимодействий Электромагнитное Переносчики всех взаимодействий, кроме слабого, не имеют массы и, соответственно, электрического заряда. Слабые взаимодействия переносятся массивными и электрически заряженными частицами W+, W–, а также массивной электрически нейтральной частицей Z0. Их энергия покоя превышает 90 ГэВ. Все перечисленные выше частицы имеют спин 1, а гравитон, по-видимому, спин 2.

Под интенсивностью взаимодействия подразумевается величина силы взаимодействия, отнесенная к соответствующей мере сильного взаимодействия при наименьшем из эффективных радиусов действия.

Оценки этих величин, приведенные в табл. 2, весьма условны, т. к.

константы взаимодействия имеют разную размерность для различных взаимодействий. Согласно этой таблице, «ядерный» уровень материи ограничивается наличием сильно взаимодействующих частиц в области с радиусом взаимодействия 10–15 м. «Субъядерный» уровень материи определяется радиусом действия слабых сил.

Энергией связи ядра называют минимальную энергию, необходимую для разделения его на отдельные нуклоны. Зная энергию связи, можно рассчитать энергетический баланс любой ядерной реакции.

Разделение ядра на протоны и нейтроны также можно рассматривать как ядерную реакцию, в которой исходное ядро с номером А, содержащее Z протонов, разбивается на нуклоны. В этом случае можно записать следующую формулу для энергии связи ядра:

где mp и mn – массы протона и нейтрона соответственно; M(Z, A) – масса ядра; с – скорость света.

Аналогично можно определить энергию связи любой совокупности протонов и нейтронов в ядре. Например, энергия связи протона может быть рассчитана по формуле а энергия связи нейтрона – Для выбивания альфа-частицы из ядра в системе центра инерции потребуется энергия где Есв() – энергия связи альфа-частицы (ядра атома 4 He ). Ее величина составляет примерно 28 МэВ.

Энергия связи ядра всегда положительна, а суммарная масса нуклонов в ядре больше массы образованного ими ядра на величину Эту величину часто называют дефектом массы. Он имеет ясный смысл: взаимодействие нуклонов приводит к уменьшению наблюдаемой массы ядра на величину m. Для ядер эта величина достаточно велика. Для альфа-частицы уменьшение ее массы в результате взаимодействия ее нуклонов m 510–29 кг, или 0,7% от ее массы. А масса атома водорода меньше суммы масс протона и электрона всего на 210–36 кг, что составляет лишь 10–6% полной массы атома. Поэтому закон сохранения массы, с высокой точностью выполняющийся в обычных химических реакциях, не выполняется в радиационной химии и должен быть заменен законом сохранения барионного заряда.

Дефект массы можно определить и как разность массы ядра, выраженной в атомных единицах массы, и массового числа:

где размерность дефекта массы выражена в атомных единицах массы.

Для перевода этой величины в электрон-вольты значение (Z, A) следует умножить на 0,9315016106 кэВ/а. е. м.

Наряду с понятиями энергии связи и дефекта массы для характеристики взаимодействий, связывающих нуклоны в ядре, вводят соответствующие удельные величины – удельную энергию связи:

и упаковочный коэффициент:

Для того чтобы вычислить энергии связи ядер, необходимо знать массу нуклидов. Энергия покоя электрона не столь уж мала, и поэтому для точного расчета энергии связи разница между массой ядра и массой нейтрального атома оказывается существенной. В таблице Менделеева приведены атомные массы нейтральных атомов, усредненные по изотопному составу встречающихся в природе элементов.

При вычислении энергий связи ядер короткоживущих радиоактивных элементов необходимо пользоваться не таблицей Менделеева, а таблицей свойств нуклидов, поскольку для них понятие среднего изотопного состава неприменимо. В этих таблицах помимо массы нуклида, как правило, приводится и значение дефекта массы.

Практическое измерение масс нуклидов производится на приборах, называемых масс-спектрографами. С их помощью достаточно точные измерения были произведены практически для всех изотопов.

В частности, было установлено, что удельная энергия связи варьируется для различных ядер и имеет максимум около 8,8 МэВ/нуклон при A 56 (в области ядер Fe). Максимум кривой св(А) соответствует наиболее стабильным ядрам. Отсюда следует, что легким ядрам энергетически выгодно сливаться в более тяжелые (синтез), а тяжелым ядрам – распадаться на более легкие (деление).

Спад кривой удельной энергии связи при малых А можно объяснить, если рассматривать ядро как каплю жидкости, на границе которой возникают удерживающие ее силы поверхностного натяжения (капельная модель ядра). Нуклоны, оказавшиеся вблизи «поверхности» такой капли, испытывают меньшие силы притяжения, чем находящиеся в середине ядра. Ослабление взаимодействия для крайних нуклонов можно оценить, вычитая из теоретически рассчитанной энергии связи энергию поверхностного натяжения. Из теории поверхностного натяжения жидкостей известно, что эта энергия пропорциональна площади поверхности ядра. Так как линейные размеры ядер считают пропорциональными А1/3, то площадь поверхности ядра будет пропорциональна А2/3. Поэтому энергия связи ядра с учетом сил, действующих на нуклоны на границе ядра, будет иметь вид где C1 и C2 – некоторые коэффициенты, не зависящие от массового числа ядра. Очевидно, что поправка на поверхностное натяжение ядерной капли ведет к снижению энергии связи при уменьшении А.

С ростом массового числа силы отталкивания между протонами в ядре увеличиваются, что приводит к уменьшению энергии связи на величину потенциальной энергии отталкивания. Эта энергия может быть оценена как кулоновская энергия системы точечных зарядов:

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц; qi и qj – величины зарядов, находящихся на расстоянии rij друг от друга. Поскольку rij А1/3, каждое слагаемое этой суммы может быть оценено величиной e2/А1/3. Число слагаемых в сумме равно числу пар протонов в ядре, т. е. Z(Z – 1)/2, которое при достаточно больших Z можно заменить величиной Z2. Тогда формулу для энергии связи можно записать в виде где C3 – некоторый коэффициент пропорциональности. Чем тяжелее ядро, тем больше вклад кулоновского отталкивания в энергию связи.

Капельная модель, разработанная в трудах Вайцзеккера и Бора в 30-х гг. XX в., сыграла большую роль не только в понимании особенностей сил, действующих между нуклонами в ядре, но и позволила объяснить ряд закономерностей, изучаемых в ядерной физике. В частности, большой успех капельной модели проявился в создании первой теории деления ядер. Однако капельная модель учитывает лишь коллективные свойства поведения ансамбля нуклонов в ядре, но не позволяет учесть квантовые особенности поведения нуклонов и влияние этих особенностей на величину энергии связи.

Наиболее простой подход основан на представлении ядра в виде квантовой потенциальной ямы, в которой нуклоны проявляют свои свойства фермионов. Поэтому их можно расположить по протонным и нейтронным оболочкам в соответствии с принципом запрета Паули, подобно тому как электроны располагаются по состояниям в атоме.

Такая модель ядра получила название оболочечной.

В соответствии с этой моделью, на первом нейтронном энергетическом уровне может находиться до 2 нейтронов, состояния которых могут различаться по проекции спина. Аналогично, на первом протонном уровне может расположиться не более 2 протонов. Орбитальный момент импульса их относительного движения равен нулю (sсостояние). Последующие нуклоны должны занимать второй нейтронный (протонный) уровень. Ему соответствует значение l = (p-состояние) квантового числа орбитального момента относительного движения нейтронов (протонов). На втором энергетическом уровне может находиться до 6 нейтронов (протонов), каждому из которых соответствует одно из значений проекции орбитального момента импульса: –, 0, +, и одно из значений проекции спина: +/2 или –/2.

Учет взаимодействия нуклонов в этой модели ведет к выражению для энергии связи, которое называют полуэмпирической формулой Вайцзеккера:

где С1–C5 – некоторые коэффициенты, а Отметим, что у четно-четных ядер четным является и число протонов, и число нейтронов, а у четно-нечетных – нечетное число нейтронов.

Коэффициенты в формуле Вайцзеккера находятся путем подгонки кривой св(А) к экспериментальным данным. В настоящее время для них приняты следующие значения: C1 = 15,75 МэВ, C2 = 17,80 МэВ, C3 = 0,71 МэВ, C4 = 23,70 МэВ, C5 = 33,57 МэВ.

Первый член в этой формуле предполагает, что все нуклоны в ядре равноценны, и определяет примерно линейную зависимость энергии связи W от А, отражая свойство насыщения ядерных сил.

При этом коэффициент С1 вдвое больше величины энергии связи для большинства стабильных нуклидов (8 МэВ), что вызвано поправками на уменьшение энергии связи, которое учитывается последующими членами формулы.

Второй член формулы учитывает неравноценность нуклонов в ядре и дает поправку на уменьшение полной энергии связи, обусловленную тем, что часть нуклонов находится у поверхности ядра и не испытывает насыщения всех возможных связей. Количество периферийных нуклонов определяется площадью поверхности ядра, которая пропорциональна A2/3.

Третий член определяет взаимное кулоновское расталкивание протонов, энергия которого пропорциональна Z2R–1. Кулоновские силы не испытывают насыщения, и каждый из Z протонов взаимодействует с остальными Z – 1; таким образом, Z(Z – 1) Z2. Коэффициент С3 может быть вычислен на основании представления о равномерном распределении электрического заряда по объему сферы радиуса R.

Если ограничиться этими тремя слагаемыми, следующими из капельной модели, то устойчивость ядра должна возрастать с увеличением числа нейтронов при заданном числе протонов в ядре. Но экспериментальные данные указывают на иную тенденцию. Четвертый член в формуле (14), который носит название поправки на энергию симметрии, уже не следует из модели жидкой капли и отражает наблюдаемую тенденцию к симметрии в строении ядер. Считается установленным, что при отсутствии кулоновских сил максимум удельной энергии связи при фиксированном А соответствовал бы ядрам с равным числом протонов и нейтронов, что обусловлено зарядовой независимостью ядерных сил и необходимостью выполнения принципа Паули для двух нуклонов, которые имеют спин 1/2.

Равное число протонов и нейтронов у легких ядер, лежащих на оси стабильности, когда энергия кулоновского расталкивания мала, косвенно подтверждает это положение. Для компенсации расталкивающего действия кулоновских сил, величина которых пропорциональна Z2, у стабильных более тяжелых ядер доля нейтронов возрастает, но поскольку кулоновское взаимодействие уже учтено в третьем члене, то четвертый член действителен также для средних и тяжелых ядер. Отклонение от равенства Z = A/2 ведет к уменьшению удельной энергии связи ядра, и четвертый член в формуле должен быть отрицательным.

Последний член в формуле (14) отражает распространенность стабильных элементов и учитывает эффект спаривания одинаковых нуклонов. Четно-четные ядра имеют удельную энергию связи примерно на 1 МэВ большую, чем соседние четно-нечетные или нечетночетные ядра. Ядра с нечетным числом и протонов, и нейтронов имеют наименьшую удельную энергию связи среди соседних. Стабильных ядер такого типа известно всего четыре.

Формула Вайцзеккера неприменима к очень легким ядрам и дает довольно существенные отклонения значения удельной энергии связи (до 1%) для ядер с А = 40–50, 90, 130, 210. Эти отклонения приходятся на зоны магических ядер, у которых число нейтронов или протонов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 164. Для нейтронов этот ряд шире и включает числа: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, 196, 228, 272, 318. Ядра, у которых магическим является и число протонов, и число нейтронов, называются дважды магическими. Таких ядер пока известно всего пять:

2 He, 8 O, 20 Ca, 20 Ca, 82 Pb. Существенное отличие удельной энергии связи, приходящейся на магические ядра, от энергии связи соседних нуклидов связано с тем, что в магических ядрах оболочки полностью заполнены. Подобное явление наблюдается и на атомном уровне: химические элементы с заполненными оболочками имеют более высокий потенциал ионизации, чем имеющие один электрон на внешней оболочке.

Оболочечная модель была развита в 60-х гг. ХХ в. в трудах советского ученого, академика А. Б. Мигдала, который ввел для ядер понятие ферми-жидкости, в которой происходят (при наличии необходимых условий) энергетические переходы нуклонов, в частности, на внешней оболочке ядра. При этом, так же как на атомном уровне в кристаллах полупроводников, образуются квазичастицы и дырки. Эта теория хорошо подтверждается экспериментальными данными для низких возбужденных уровней, но требует учета более тонких взаимодействий в других случаях.

Для большинства тяжелых ядер с А > 150 квадрупольные моменты Q ядер чрезвычайно велики и отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в 10–100 раз. Особенно четко это выражено у ядер с четными А и Z. В этом случае энергия EI возбуждения уровня со спином I дается соотношением где J – величина, практически не зависящая от I и имеющая размерность момента инерции. Спины возбужденных состояний при этом принимают, как показывает опыт, только четные значения (2, 4, 6...;

нулевое значение отвечает основному состоянию).

Расчеты влияния квадрупольных взаимодействий и подтверждающие их экспериментальные данные послужили основанием для построения ротационной модели несферического ядра, впервые предложенной американским физиком Дж. Рейнуотером (1950 г.) и развитой в работах датского физика Н. Бора и американского физика Б. Моттельсона. Согласно этой модели, ядро представляет собой эллипсоид вращения. Его большая (a1) и малая (а2) полуоси выражаются через параметр деформации ядра следующим образом:

К настоящему времени проведены исследования деформаций большинства тяжелых ядер. В спектрах некоторых из них обнаружено несколько ротационных полос (например, у ядра 235U найдено 9 полос).

Ротационная модель несферических ядер позволяет описать ряд существенных свойств большой группы ядер. Вместе с тем эта модель не является последовательной теорией, выведенной из более общих принципов.

Ее исходные положения постулированы в соответствии с эмпирическими данными о ядрах. В рамках этой модели не объяснен и сам факт возникновения ротационного спектра (или вращения ядра как целого).

Дальнейшее развитие теория атомного ядра получила после открытия явления сверхтекучести. Впервые на возможность сверхтекучести ядерной материи указал советский академик Н. Н. Боголюбов (1958 г.). Согласно этой теории, в ядрах происходит «спаривание» нуклонов, имеющих определенные наборы квантовых чисел, аналогично спариванию электронов в сверхпроводниках. Величина энергии связи пары нуклонов (куперовской пары) для ядерной материи составляет 1–2 МэВ.

Наиболее яркое указание на сверхтекучесть ядерного вещества – отличие моментов инерции сильно несферических ядер от момента инерции твердого эллипсоида. Теория сверхтекучести ядерного вещества удовлетворительно объясняет как величины моментов инерции, так и их зависимость от параметра деформации. Теория предсказывает также скачкообразное возрастание значения J в данной ротационной полосе при некотором достаточно большом критическом спине ядра I.

Это явление, аналогичное разрушению сверхпроводимости сильным магнитным полем, пока экспериментально не обнаружено.

Одной из наиболее поздних моделей атомного ядра является кластерная модель. Ее появление связано с открытием в 1984 г. двумя независимыми группами исследователей в Великобритании и СССР спонтанного испускания ядрами 223Ra ядер 14С, сопровождаемого выделением энергии 31,85 МэВ:

Впоследствии аналогичные распады были обнаружены у десятков тяжелых ядер, а сам новый распад был назван кластерным. Для его объяснения предположили, что в ядрах могут существовать короткоживущие кластеры размером от 2 до 16 нуклонов, которые имеют определенную, хотя и очень низкую (на 10–17 порядков ниже вероятности -распада), вероятность выйти из материнского ядра (рис. 1). Для деления по этой схеме ядро должно оказаться существенно деформированным (параметр деформации примерно вдвое больше, чем в обычном состоянии). Кластер при этом должен находиться в состоянии с наименьшей энергией связи с ядром, а его образование должно быть энергетически выгодным.

Кластерная модель нашла достаточно широкое применение для описания низколежащих уровней легких ядер с четным числом протонов и нейтронов, что дает основание говорить, что эти состояния имеют -кластерную структуру. Физическая причина возникновения такой структуры – хорошо известные в ядерной физике силы Майорана.

Для более тяжелых ядер кластерная модель объясняет некоторые свойства наиболее устойчивых к распаду магических ядер. А низкая вероятность кластерного распада объясняется необходимостью формирования кластера в определенном месте поверхности ядра, что подтверждается и теоретическими расчетами. При этом, в соответствии с моделью, ядро может содержать одновременно значительное количество кластеров, постоянно разрушающихся и вновь образующихся, по всему объему. Эти образования предположительно представляют собой ядра ряда от 2Н до 16О. Чем тяжелее кластер, тем большую энергию он должен получить от ядра для выхода: для 4Не и 16О средние энергии отделения отличаются в 6 раз.

Рис. 1. Схема выхода кластера из атомного ядра:

а – кластер X находится внутри ядра А; б – кластер X вылетел из ядра Рассмотренные выше модели позволяют описать главные свойства большинства ядер. Но они не достаточны для описания всех наблюдаемых свойств, особенно возбужденных состояний ядер. Так, для объяснения спектра коллективных возбуждений сферических ядер приходится дополнительно учитывать поверхностные и квадрупольные колебания жидкой капли (вибрационная модель). Для объяснения уникальных свойств некоторых ядер используются представления о «кластерной» структуре ядра. Например, предполагается, что ядро Li большую часть времени существует в виде дейтрона и -частицы, вращающихся относительно центра масс ядра. Все модели атомного ядра в настоящее время играют роль рабочих гипотез.

Последовательное же объяснение наиболее важных свойств ядер на прочной основе общих физических принципов и данных о взаимодействии нуклонов все еще остается нерешенной фундаментальной проблемой современной физики.

ТЕМА 2. ХИМИЯ ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

В нестабильных элементах радиоактивный распад происходит спонтанно, т. е. представляет собой статистический процесс, не позволяющий точно предсказать момент распада конкретного ядра. Однако вероятность распада ядра можно определить. Она не зависит от температуры среды, по меньшей мере, в диапазоне обычных температур, давления, агрегатного состояния вещества и химических связей.

Но присутствие источника ионизирующего излучения или даже изменение массы навески радиоактивного вещества могут сказаться на результатах весьма существенно. В последнее время появились сомнения и в «нейтральности» химических связей. Так, явление холодного синтеза, которое все еще нельзя считать доказанным окончательно, имеет право на дальнейшее изучение.

Статистика радиоактивного распада описывается распределением Пуассона. Именно из распределения Пуассона вытекает экспоненциальный закон радиоактивного распада, который описывают формулой следующего вида:

где N(t) – число ядер данного изотопа в момент времени t, если в начальный момент их было N0. Параметр называют постоянной распада, характеризующей данный изотоп; является величиной, обратной времени, за которое число ядер данного изотопа уменьшается в е раз.

Однако в прикладной ядерной физике принято оценивать радиоактивный процесс интуитивно более «образным» временем полураспада Т1/2, т. е. интервалом, в течение которого количество ядер данного изотопа уменьшается вдвое (распадается половина). Связь между этими двумя величинами очень проста:

Среднее время жизни ядра связано с постоянной распада как обратная величина:

Введем также величину активности A образца, определяемую как среднее количество ядер образца, распадающихся в единицу времени:

Если дочернее ядро также оказывается нестабильным, то процесс каскадного распада (исходное ядро 1 превращается в ядро 2 с последующим его распадом на ядро 3) описывается системой дифференциальных уравнений где N1(t) и N2(t) – количество ядер первого и второго типа в образце в момент времени t; 1 и 2 – постоянные распада ядер 1 и 2 соответственно. Решением этой системы при начальных условиях N1(0) = N10;

N2(0) = 0 будет Если материнский изотоп живет дольше дочернего (1 > 2 и 1 < 2), то достигается состояние радиоактивного (векового) равновесия. Это означает, что по истечении определенного времени отношение количеств радиоактивных атомов материнского и дочернего вещества, а следовательно, и отношение их скоростей распада становятся постоянным. Действительно, при достаточно большом t второй член в скобках выражения для N2 делается пренебрежимо малым по сравнению с первым. Тогда И поскольку N1 (t ) = N10e 1t, то а равновесное количество атомов дочернего вещества определяется выражением Для активностей в этой ситуации можно записать т. е. отношение активностей материнских и дочерних ядер остается постоянным во времени.

Если же материнское вещество является более короткоживущим, чем дочернее, то такого равновесия в цепочке не наблюдается. По мере распада материнского вещества количество дочернего вещества сначала возрастает, затем проходит через максимум, после чего падает.

2.2.1. Альфа-распад Схема альфа-распада выглядит следующим образом:

Ядро Х называют материнским, а ядро Y – дочерним.

В настоящее время известно более 200 альфа-активных изотопов, большинство из которых принадлежит к тяжелым элементам с Z > 92.

Однако и среди редкоземельных элементов с А в диапазоне от 140 до 160 единиц также встречаются альфа-активные ядра.

Пример альфа-распада сверхтяжелого ядра сиборгия показан на рис. 2.

Энергии альфа-частиц, образующихся при распаде тяжелых ядер, лежат в диапазоне от 4 до 9 МэВ. Для редкоземельных элементов этот диапазон находится между 2,0 и 4,5 МэВ. Поскольку при альфа-распаде дочернее ядро образуется, как правило, в возбужденном состоянии, акт распада сопровождается испусканием гамма-кванта или нескольких квантов, уносящих энергию возбуждения и переводящих ядро в основное состояние с минимумом потенциальной энергии. Поэтому в выражении для ядерной реакции над стрелкой или в конце, что правильнее, указывается значок гамма и, если необходимо, его энергия.

Теория альфа-распада впервые была предложена в 30-х гг. ХХ в.

Георгием Гамовым и Эдвардом Теллером. В соответствии с современными воззрениями, основанными на кластерной модели ядра, альфа-частицы в радиоактивных ядрах существуют достаточно длительное время вблизи поверхности, где ядерное взаимодействие нуклонов минимально. При этом частицы располагаются в потенциальной яме, т. е. в области пространства, окруженной энергетическим потенциальным барьером (рис. 3).

Рис. 3. Потенциальная яма для альфа-частиц в ядре:

U – потенциальная энергия; U0 – основной уровень; Н – высота барьера;

r – расстояние от центра ядра; Е – начальная энергия альфа-частицы;

R – радиус ядра; r1 – расстояние отрыва частицы от ядра Расчеты, основанные на представлениях классической физики (энергия частицы должна быть больше высоты барьера для его преодоления), приводили к столь высоким значениям требуемой энергии частиц, что альфа-распад был бы невозможен. Однако квантовая теория позволяет выход частиц из ямы путем проникновения сквозь барьер благодаря туннельному эффекту, что соответствует экспериментальным данным, показывающим, что кинетическая энергия альфа-частиц в 6–8 раз меньше высоты потенциального барьера. При этом вероятность распада связана с параметрами ядра следующим образом:

Так как энергия E частицы стоит в показателе экспоненты, то даже небольшие ее повышения или понижения приводят к сильному изменению вероятности распада ядра, а следовательно, и времени его жизни. Форма потенциального барьера U(r) к настоящему времени точно не установлена. Но даже простые модели типа прямоугольного ящика или экспоненциальной стенки дают лучшее согласие с экспериментом, чем классический подход.

2.2.2. Бета-распад Явление бета-распада первоначально связывали с испусканием только электрона, что вело к увеличению атомного номера нуклида на единицу без изменения атомной массы (превращение в ядро-изобар).

Однако баланс реакции при этом нарушался. Для исправления ситуации в 1931 г. В. Паули ввел в реакцию гипотетическую частицу антинейтрино, компенсирующую изменение спина и энергии и практически не взаимодействующую с внешней средой. После этого реакция бета-распада приобрела следующий вид:

Позже было обнаружено, что возможен и бета-плюс-распад, при котором продуктами реакции являются позитрон и нейтрино:

Еще один вид бета-распада получил название K-захват, поскольку в этой реакции ядро захватывает электрон с ближайшей к нему Kоболочки и превращается в элемент с меньшим на единицу атомным номером. K-захват сопровождается испусканием нейтрино.

Электронный захват, предсказанный теоретически Нобелевским лауреатом Хидеки Юкавой, был открыт в 1938 г. американским физиком и Нобелевским лауреатом Луисом Альваресом. Нейтрино удалось открыть экспериментально лишь в 1953 г. Ионизирующая способность этой частицы оказалась столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути.

Некоторые характерные примеры бета-распада представлены на рис. 4.

Теория -распада была сформулирована в 1933 г. Э. Ферми, который использовал гипотезу В. Паули о рождении в -распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино. Ферми обнаружил, что -распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе – слабым взаимодействием – и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (–-распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (+-распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино (электронный захват).

В 1934 г. Ферми заложил основы теории слабых взаимодействий. К 1958 г. эта теория была обобщена в универсальную четырехфермионную теорию слабых взаимодействий, согласно которой элементарный процесс слабого взаимодействия представляет собой локальное взаимодействие четырех фермионов, т. е. частиц с полуцелыми спинами.

В настоящее время процессы как слабого, так и электромагнитного взаимодействия находят объяснение в новой теории – объединенной теории электрослабых взаимодействий. Согласно этой теории, слабое взаимодействие осуществляется путем обмена виртуальными промежуточными бозонами. В теории Ферми предполагалось, что взаимодействие, которое приводит к бета-распаду, мало по сравнению с взаимодействием, которое формирует состояния ядра.

Энергии, выделяемые при -распаде, варьируются от 0,02 МэВ в реакции распада тритона: 3H 3He + e– + + 0,02 МэВ, до более 20 МэВ в распаде ядра лития: 11Li 11Be + e– + + 20,4 МэВ. Периоды полураспада также изменяются в широком диапазоне: от миллисекунд до 1016 лет.

При рассмотрении бета-активности особое место следует отвести явлению внутренней конверсии, в результате которого происходит испускание электрона, но не ядром, а атомом. Это явление – следствие того, что ядро в возбужденном состоянии с энергией Ei может перейти в состояние с меньшей энергией Ef, передав энергию Wif = Ei – Ef одному из электронов атомной оболочки. В результате внутренней конверсии испускается электрон, энергия которого Ee определяется соотношением Ee = Wif – EK, L, M..., где EK, L, M... – энергия связи электрона на оболочках K, L, M и т. д.

В процессе внутренней конверсии участвует виртуальный фотон (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма Феймана для внутренней конверсии Внутренняя конверсия – процесс, конкурирующий с -излучением. Конкуренция между -излучением и внутренней конверсией характеризуется полным коэффициентом внутренней конверсии, который равен отношению вероятности испускания электрона Ne к вероятности испускания -кванта N:

где K, L, M,... – парциальные коэффициенты внутренней конверсии для электронов K-, L-, M-... оболочек.

Величина коэффициента внутренней конверсии сильно возрастает с увеличением мультипольности перехода и уменьшением его энергии, растет с увеличением заряда ядра (рис. 6).

Коэффициент внутренней Рис. 6. Теоретически рассчитанные коэффициенты внутренней конверсии для атома циркония (электрический переход с мультипольностью 1) В случае переходов без изменения спина (0-0-переходы) внутренняя конверсия – единственный способ снятия возбуждения ядра. Явление 0-0-перехода возникает в том случае, когда основной и первый возбужденный уровни ядра имеют спин, равный нулю. Такая ситуация имеет место, например, в ядре 72Ge, в котором основной и первый возбужденный уровни имеют характеристики 0+. Если ядро оказывается в первом возбужденном состоянии, оно не может перейти в основное состояние путем испускания гамма-кванта, т. к. реального фотона с нулевым моментом не существует. Но, оказывается, виртуальный гамма-квант с нулевым моментом и положительной четностью может существовать. И этот квант действительно обеспечивает снятие возбуждения ядра путем внутренней конверсии.

Процесс внутренней конверсии всегда сопровождается рентгеновским излучением, возникающим при переходе электронов с внешних оболочек атома на освободившиеся в результате конверсии состояния K-, L-, M-... оболочек.

2.2.3. Энергетические спектры ионизирующего излучения При альфа-распаде энергии материнского и дочернего ядер жестко детерминированы, поэтому энергетические спектры альфа-частиц и сопутствующих гамма-квантов представляют собой наборы узких линий.

При бета-распаде испускаются одновременно две частицы, а энергия и импульс распределяются между ними произвольно. Поэтому энергетический спектр бета-частиц, образующихся в реакциях распада, непрерывен и имеет вид экспоненты, ограниченной некоторой максимально возможной в данном распаде энергией, соответствующей нулевой энергии нейтрино. Средняя энергия бета-частиц принимается равной 1/3 от максимальной.

При этом бета-распад ведет, как правило, к образованию дочернего ядра в возбужденном состоянии. Возбуждение, как и при альфараспаде, снимается испусканием гамма-кванта. Энергетический спектр гамма-квантов будет при этом дискретным, поскольку соответствует энергетической структуре образовавшегося ядра. В этой связи определение типа и активности бета-активных ядер часто ведут именно по спектрам и интенсивности образующегося -излучения.

Экспериментально измеренные спектры распадов существенно отличаются от действительных или рассчитанных теоретически. При этом наблюдаются уширенные спектральные полосы, ширина которых определяется свойствами применяемых детекторов ионизирующего излучения. Наблюдаемая ширина линий (энергетическое разрешение детектора) составляет от 1–2% (от средней энергии, соответствующей данной линии) для полупроводниковых детекторов глубокого охлаждения до 10–15% для сцинтилляционных детекторов.

Детекторы с большими значениями разрешения в спектроскопических целях не используют.

2.2.4. Иные виды распадов В природе наблюдаются и иные виды излучения. Например, испускание нейтронов отмечается для тяжелых ядер, таких как уран или плутоний. При искусственно вызванном делении таких ядер могут образовываться и разнообразные осколки деления, представляющие собой ядра легких изотопов. Деление ядра на легкие осколки сопровождается испусканием нескольких нейтронов. Энергетический спектр нейтронов зависит от типа ядерной реакции, но, как правило, он непрерывен.

В ядерных реакциях с участием частиц высоких энергий наблюдаются все элементарные частицы. Однако изучение этих реакций относится к специальному разделу ядерной физики – физике частиц и высоких энергий. Выше, в рамках кластерной модели ядра, указывалось и на обнаружение распада некоторых ядер с испусканием тяжелых частиц, вплоть до ядер кислорода. Несмотря на низкую вероятность такого распада и его возможность лишь для ограниченного числа ядер, его изучение позволяет лучше понять некоторые фундаментальные особенности законов микромира.

Существует природный радиоактивный фон, который обусловлен не только наличием урана или других тяжелых ядер. Его создают («фонят») химические элементы, которые находятся в середине периодической системы и входят в состав веществ, с которыми мы сталкиваемся каждодневно. Например, кальций. В 100 г кальция содержится 180 мг изотопа с массовым числом 48, который -радиоактивен с периодом полураспада 1,6·1017 лет. Кальций входит в состав мела или бетона. В нашем организме его также достаточно.

Еще один интересный факт: изотоп золота-197 тоже является радиоактивным. Правда, это происходит довольно редко, ведь период полураспада здесь 3·1016 лет, а превращается золото в еще более дорогой иридий.

Самым тяжелым элементом, который встречается в природе, считается уран. Но есть информация, что в урановых рудах в незначительных количествах обнаружены 237Np, 239Np и 239Pu, которые образуются в результате реакции урана с нейтронами. Источниками последних принято считать космическое излучение, однако нельзя исключать и вклад нейтронов, образующихся в результате спонтанного деления ядер урана в природной руде.

2.4. Радиоактивные семейства (ряды) Радиоактивные ряды, или семейства, представляют собой группы генетически связанных радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий изотоп возникает в результате - или -распада предыдущего. Каждый ряд имеет родоначальника – изотоп с наибольшим периодом полураспада T1/2. Завершают ряд стабильные изотопы.

Если ядро испускает -частицу, его заряд (Z) уменьшается на 2, а массовое число (А) – на 4. При испускании -частицы Z увеличивается на 1, а А не изменяется. Следовательно, в каждом ряду массовые числа изотопов могут быть одинаковыми или различаться на число, кратное 4. Если значения массовых чисел членов данного ряда делятся на 4 без остатка, то такие массовые числа можно выразить общей формулой 4n (где n – некоторое целое число); в тех случаях, когда при делении на 4 в остатке будет 1, 2 или 3, общие формулы для массовых чисел можно записать как (4n + 1), (4n + 2) или (4n + 3). Очевидно, что любое ядро будет удовлетворять одной и только одной из этих формул.

Легкие нестабильные ядра образуют очень короткие ряды, поэтому их в качестве родоначальников рядов обычно не рассматривают. В этой связи родоначальниками радиоактивных рядов считают тяжелые изотопы из группы актиноидов. В природе существуют ряды тория, актино-урана и уран-радия (естественные ряды). Это связано с тем, что периоды полураспада 232Th (T1/2 = 1,411010 лет), U (T1/2 = 7,13108 лет) и 238U (T1/2 = 4,51109 лет) соизмеримы с возрастом Земли (несколько миллиардов лет), и эти изотопы еще не успели полностью распасться. Заканчиваются естественные радиоактивные ряды изотопами свинца 208Pb, 207Pb и 206Pb. Четвертый ряд должен начинаться с изотопа нептуния-237. Но из-за малого периода полураспада (2,14106 лет) этот изотоп исчез на Земле, как и все члены его семейства, за исключением последнего – практически стабильного изотопа висмута-209. Однако это семейство было искусственно получено еще в 20-х гг. ХХ в., а в настоящее время его можно обнаружить и в природе как результат ядерных превращений урана-238 под действием нейтронов по схеме На самом деле нептуниевый ряд начинается вовсе не с нептуния, а с кюрия. Ряд назван нептуниевым из-за того, что 237Np в нем – наиболее долгоживущий элемент, а предшествующие ему материнские нуклиды сравнительно быстро распадаются (период полураспада истинного родоначальника ряда – кюрия, 241Cm, – всего 32,8 дня). В состав семейства нептуния входят изотопы урана, тория, протактиния, таллия, свинца, полония, а также изотопы почти не известных в природе элементов – нептуния, плутония, америция, франция и астата.

Некоторые члены естественных радиоактивных рядов имеют специальные названия и символы. Например, изотоп 230Th называется ионием (символ Io); 214Po – радием-це-штрих (RaC'), a 228Ra – мезоторием-один (MsTh1). Эти названия возникли исторически еще до появления понятия об изотопах.

Отдельные изотопы распадаются не по одному пути (- или -распад), а по двум. Ядра таких изотопов в одних случаях испускают -частицы, в других – -частицы. Например, 212Bi в ряду актино-урана в 33,7% случаев претерпевает -распад, а в 66,3% случаев – -распад.

Во всех природных семействах встречается такая последовательность типов распада, при которой за одним -распадом следуют два распада или наоборот. Альфа-распад уменьшает заряд ядра на две единицы, два последующих -распада увеличивают заряд на две единицы. Появляется новый изотоп первоначального элемента. Например, в цепочке распада тория-232 появляется торий-228, а образующийся на первом этапе распада радий-228 в дальнейшем превращается в радий-224:

Полные схемы распадов в радиоактивных семействах приведены в Приложении 3.

ТЕМА 3. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

Окружающий нас мир состоит из 92 химических элементов естественного происхождения, от самого легкого – водорода до самого тяжелого – урана. Они существуют на Земле независимо от нашей деятельности. Это значит, что время их жизни больше, чем возраст нашей планеты. Гипотетически возможны элементы с атомными номерами до 170. Однако граница их существования намечается значительно раньше. Причина – нестабильность ядра.

На карте (рис. 7) представлено 287 стабильных изотопов 92 химических элементов. Они образуют узкий остров, который окружен морем нестабильных изотопов, испытывающих различные виды радиоактивного распада.

По мере удаления от берегов время жизни изотопов уменьшается до предела, когда ядро не может существовать как нечто целое (время жизни порядка 10–22 с). В этих границах число радиоактивных ядер около 5000. Среди них с позиций ядерной физики наибольший интерес представляют легкие ядра с большим избытком нейтронов (так называемые нейтронные капли) и сверхтяжелые элементы (СТЭ), среди которых ожидается появление «островов» стабильности. Вот к этим островам и стремились исследователи-ядерщики разных стран в течение последних 40 лет.

Когда мы по карте изотопов продвигаемся за уран, время жизни ядер резко сокращается: от урана (Z = 92) до фермия (Z = 100) оно падает на 20 с лишним порядков. В области самых тяжелых элементов спонтанное деление становится основным видом распада. Этот тип радиоактивности был открыт К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым 60 лет назад как редкая разновидность распада урана. Предсказали это явление Н. Бор и Дж. Уилер в 1939 г. Согласно разработанной ими модели жидкой капли, какой представлялось ядро, предел стабильности ядер ожидался для элементов с Z = 104–106. Эта модель была доминирующей в ядерной физике более 20 лет.

Среди наблюдающихся в природе все изотопы с атомным номером более 83 (висмут) радиоактивны и принадлежат к так называемым радиоактивным семействам (см. раздел 2.4 и Приложение 2).

Однако мы начнем рассмотрение нестабильных изотопов с имеющих в настоящее время наибольшее практическое значение.

3.2.1. Физико-химические свойства цезия Цезий (лат. cаesium), Cs, – химический элемент I (Ia) группы периодической системы. Атомный номер 55, относительная атомная масса 132,9054. Энергия первой ионизации 3,894 эВ. Радиус атома 267 пм, иона – 165 пм. Работа выхода электрона 1,81 эВ.

Температура плавления составляет 28,4°С, кипения – 6700°С.

Плотность 1,9 г/см3. Обладает низкими механическими свойствами.

По внешнему виду это золотисто-желтый металл. Электроотрицательность 0,7. Степень окисления +1.

Его содержание в земной коре составляет 3,7·10–4%, в почве несколько ниже – 5·10–5%, в живой фитомассе – только 6·10–6%.

В природном цезии присутствует только стабильный изотоп 133Cs.

Известно 33 радиоактивных изотопа цезия с массовыми числами от 114 до 148. В большинстве случаев они недолговечны. Однако три из них распадаются не так быстро – это 134Cs, 137Cs и 135Cs с периодами полураспада 2 года, 30 лет и 3·106 лет. Все три изотопа образуются при распаде урана, тория и плутония в атомных реакторах или в ходе испытаний ядерного оружия.

3.2.2. История В 1846 г. на о. Эльба в Тирренском море был открыт силикат цезия – поллуцит. Неизвестный в то время цезий был принят за калий.

Однако химический анализ показывал нехватку около 7% атомов металла. Эта загадка была разрешена только в 1861 г. – через 2 года после открытия спектрального метода анализа немецкими учеными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом. Цезий стал первым из элементов, открытых методом атомной спектроскопии. Его название соответствует цвету наиболее ярких линий в спектре (от лат. caesius – небесно-голубой).

Однако выделить металлический цезий в чистом виде удалось лишь через 20 лет шведскому химику К. Сеттербергу электролизом расплава смеси цианидов цезия и бария.

3.2.3. Радиоактивный цезий Наиболее практически важными радиозагрязнителями являются изотопы цезия с массовыми числами 137 (период полураспада 30 лет) и 134 (2 года). Последний в настоящее время не наблюдается. На рис. 8 приведена схема распада изотопа 137Cs.

Основным источником цезия-137 являются выпадения после ядерных испытаний, которые все еще значительны, и выбросы предприятий атомной промышленности. Цезиевые руды опасности не представляют, поскольку в них нет радионуклидов.

Основной путь получения цезия-137 – деление ядер урана и плутония: вероятность канала до 30%. В среднем на 100 ядер урана в реакторах образуется 6% 137Сs.

Период полураспада метастабильного ядра 137Ва – 2,55 мин, что позволяет вести измерение цезия по гамма-излучению 137Ва. Энергия бета-частиц составляет 171 кэВ, что с точки зрения радиационных измерений менее удобно.

Содержание цезия-137 в продуктах ядерного деления (ПЯД) показано в табл. 3 для периодов работы вплоть до 10 лет.

Возраст Масса Cs, % 4,1·10–5 2,9·10–4 0,002 0,004 0,01 0,02 0,07 0,44 2,0 18,2 31, 3.2.4. Источники 137Сs Испытание ядерного оружия – один из наиболее значимых источников радиоактивного загрязнения планеты, в том числе 137Cs.

К началу 1981 г. суммарная активность поступившего в окружающую среду 137Cs достигла 960 ПБк. Плотность загрязнения в Северном и Южном полушариях и в среднем на земном шаре составляла соответственно 3,42; 0,86 и 3,14 кБк/м2, а на территории бывшего СССР в среднем – 3,4 кБк/м2.

В ядерных реакторах в процессе их эксплуатации накапливаются продукты деления (фиссиум) и трансурановые элементы, суммарная активность которых огромна. Среди радионуклидов фиссиума радиоизотопы цезия занимают значительное место. На 1 МВт электрической мощности за год образуется столько этого радионуклида, что его активность составляет 130 ТБк (Т, тера – 1012). Суммарное накопление нуклида в реакторах всего мира (в пересчете на активность) к концу столетия достигнет 900 ЭБк (Э, экса – 1018), что примерно в тысячу раз больше количества радионуклидов, поступивших во внешнюю среду при ядерных взрывах.

Чрезвычайно сложные ситуации возникают после аварий, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории. Например, при аварии на Южном Урале в 1957 г. произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, и в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0,2 ПБк 137Cs. При пожаре на радиохимическом заводе в Уинденейле (Великобритания) в 1957 г.

произошел выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк 137Cs. Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия «Маяк» на Южном Урале в р. Течу в 1950 г. составил 102 ПБк, в том числе 12,4 ПБк 137Cs. Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз. Карачай на Южном Урале в 1967 г. составил 30 ТБк. На долю 137Cs пришлось 0,4 ТБк. Настоящей катастрофой стала авария на ЧАЭС в 1986 г.: из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. В Украине, Беларуси и Центральном экономическом районе Российской Федерации выпало более половины общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ. Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников радиоактивного цезия для медицинских и технологических целей.

3.2.5. Миграция 137Сs Цезий легко мигрирует во внешней среде, чему способствуют два обстоятельства. Во-первых, 137Cs – конечный продукт цепочки распадов в которой йод и ксенон присутствуют в газовой фазе. Во-вторых, при всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных взрывах на силикатных почво-грунтах образуются слаборастворимые частицы. Содержание радионуклида в атмосферных осадках при ядерных взрывах в слаборастворимой форме колебалось в широких пределах – 3,3–82,4%.

Выпавший на поверхность земли цезий перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смывании осадками в низменные участки. Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов, рельефа местности, вида почв и растительности и физикохимических свойств нуклида.

Вертикальный перенос идет с фильтрационными токами воды и связан с деятельностью почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др. Подвижность и биологическая доступность нуклида со временем снижаются в результате его перехода в «слабообменное» состояние.

В первые годы после выпадения цезий в основном содержится в верхнем, 5–10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида.

Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы.

Проникновение радиоактивного цезия на глубину 30–50 см занимает десятки лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее – в результате сельскохозяйственной деятельности. В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

Движение 137Cs по пищевым цепочкам начинается с растений, куда нуклид попадает при радиоактивных выпадениях либо косвенно – через листья, стебли и корневую систему с пылью и водой. Уровни поверхностного загрязнения растений определяются их особенностями и физико-химическими свойствами аэрозолей. Особенно высокое содержание радионуклидов отмечено у лишайников, чая и хвойных деревьев. Аэрозольный цезий более всего накапливается в капусте, далее по убыванию – свекле, картофеле, пшенице и травянистой растительности. Со временем уровень содержания цезия снижается из-за прямых потерь (дождь и ветер) и прироста биомассы: примерно вдвое в течение двух недель.

Основной источник поступления цезия в организм человека – загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения.

Содержание радиоактивного цезия в литре коровьего молока достигает 0,8–1,1% от суточного поступления нуклида, козьего и овечьего – 10–20%. Однако в основном он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится соответственно 4, 8, 20 и 26% от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц его попадает меньше – 1,8–2,1%. В еще больших количествах цезий накапливается в мышечных тканях гидробионтов: активность 1 кг пресноводных рыб может превышать активность 1 л воды более чем в 1000 раз (у морских – ниже).

Основным источником радиоактивного цезия для населения Беларуси до чернобыльской аварии были молочные и зерновые продукты, а после аварии – молочные и мясные. В странах Европы и США цезий поступает в основном с молочными и мясными продуктами и меньше – с зерновыми и овощными.

Опасным источником радионуклидов являются грибы, которые сорбируют их очень интенсивно, и болотные растения, например клюква. Эти продукты следует употреблять в пищу только после радиационного контроля.

3.3.1. Физические свойства калия Калий – серебристое вещество с характерным блеском на свежеобразованной поверхности (рис. 9). Очень легок и легкоплавок. Относительно хорошо растворяется в ртути, образуя амальгамы. Будучи внесенным в пламя горелки, калий (а также его соединения) окрашивает пламя в характерный розово-фиолетовый цвет. Калий, как и другие щелочные металлы, бурно реагирует с водой. Этот металл хорошо горит на воздухе.

Средняя атомная масса калия составляет 39,0983 а. е. м. Радиус атома равен 235 пм, а иона – только 133 пм. Калий легче воды, его плотность лишь 0,856 г/см3.

В теле взрослого человека в среднем содержится 140 г калия, его суточное потребление составляет примерно 2,5 г.

В природном калии 3 изотопа: 39К и 41К – стабильные, 40К – радиоактивный с периодом полураспада 1,26 млрд. лет.

К составляет основную массу элемента – 93,26%, следом за ним – 41К (6,73%). Вклад 40К составляет всего лишь 0,0118%.

Радиационная активность калия в организме – 55 Бк/кг, что дает до 4000 распадов в секунду. Имеется корреляция между содержанием калия-40 в окружающей среде и продолжительностью жизни.

Поэтому его иногда называют одним из главных виновников не достигающей максимально возможной продолжительности жизни человека. Доза внутреннего облучения составляет 15–20 мР/год, внешнего – 10 мР/год.

3.3.2. Биологическая роль Калий – важнейший биогенный элемент, особенно в растительном мире. При недостатке калия в почве растения развиваются очень плохо, уменьшается урожай.

В организме человека калий регулирует водный баланс, нормализует ритм сердца, влияет на работу нервных и мышечных клеток, улучшает снабжение мозга кислородом, помогает избавляться от шлаков, действует как иммуномодулятор, способствует снижению давления крови и помогает при лечении аллергии.

Нормы содержания калия для взрослого человека 3,5–5,5 ммоль/л.

При переизбытке калия развивается гиперкалиемия, а при недостатке – гипокалиемия.

3.3.3. Схема распада К относится к нестабильным ядрам, для которых возможно несколько каналов распада. В данном случае наблюдаются все три вида бета-распада, приведенные в табл. 4.

При измерении активности образцов, содержащих 40К, используют бета- или гамма-радиометры.

3.3.4. h“2%!,, C!%,“.%›де…,е …="=…, Соединения калия использовались с давних времен. Так, производство поташа существовало уже в XI в.

В 1807 г. английский химик Гэмфри Дэви электролизом твердого едкого кали (KOH) выделил калий и назвал его «потассий» (лат.

potassium; это название до сих пор употребляется в английском, французском, испанском, португальском языках). В 1809 г. Л. В. Гильберт предложил название «калий» (лат. kalium, от араб. аль-кали – поташ).

Это название вошло в немецкий язык, оттуда – в большинство языков Северной и Восточной Европы (в том числе русский) и «победило» при выборе символа для этого элемента – K.

3.4.1. Физические свойства Рубидий (лат. rubidium), Rb, – химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 37; щелочной металл серебристо-белого цвета. Природный рубидий представляет собой смесь двух изотопов: стабильного 85Rb (72,15%) и слаборадиоактивного 87Rb (период полураспада Т1/2 = 4,8·1010 лет). При -распаде Rb образуется стабильный 87Sr. Определение содержания 87Sr и рубидия в горных породах и минералах (стронциевый метод) дает возможность надежно установить их геологический возраст.

В земной коре рубидия содержится 1,5·10–2% по массе, т. е. больше, чем Cu, Pb, Zn. Но он не образует собственных минералов, поэтому добыча его сложна. Воды морей и океанов содержат от 1,0·10–5 до 2,1·10–5% рубидия.

Атомная масса рубидия равна 85,4678 а. е. м. Радиус атома несколько больше, чем у калия, и составляет 248 пм, тогда как радиус иона (+1e) – 147 пм. Плотность рубидия почти вдвое больше, чем у калия, и достигает 1,532 г/см3.

3.4.2. История открытия Авторы открытия спектрального анализа – Бунзен и Кирхгофф – немедленно применили этот метод при химическом анализе минералов. После открытия цезия они заинтересовались минералом лепидолитом и выделили с помощью хлорплатиновой кислоты (H2PtCl6) двойные хлорплатинаты калия, цезия и рубидия. Поскольку калийные соли лучше растворяются в воде, чем рубидиевые и цезиевые, это помогло отделить последние от калиевых солей. При спектроскопическом анализе остатка после удаления калия обнаружились две новые красные линии. Бунзен и Кирхгофф правильно отнесли их к новому металлу, который назвали рубидием (лат. rubidus – красный) из-за цвета его спектральных линий. Получить рубидий в виде металла Бунзену удалось в 1863 г.

3.4.3. Применение рубидия Применение рубидия многообразно, и, несмотря на то, что по ряду областей применения он уступает своими важнейшими физическими характеристиками цезию, этот редкий щелочной металл играет важную роль в современной технологии. Можно отметить следующие области применения рубидия: катализ, электронная промышленность, специальная оптика, атомная промышленность, медицина. Важной его характеристикой является невысокая энергия ионизации – 4,17 эВ, что больше, чем у цезия, но все же делает рубидий привлекательным для изготовления фоточувствительных приборов.

Изотоп рубидий-86 широко используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а также при стерилизации ряда важных лекарств и пищевых продуктов. Рубидий и его сплавы с цезием – это весьма перспективный теплоноситель и рабочая среда для высокотемпературных турбоагрегатов.

Рубидий используется в органическом и неорганическом синтезе. Каталитическая активность рубидия применяется для переработки нефти. Ацетат рубидия используют для синтеза метанола и высших спиртов из водяного газа, что актуально для подземной газификации угля и производства искусственного жидкого топлива.

Ряд сплавов рубидия с теллуром обладают более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, чем соединения цезия. Рубидий входит в состав специальных высокоэффективных смазочных композиций (сплавов) в вакууме (ракетная и космическая техника).

3.4.4. Биологическая роль рубидия Биологически рубидий относят к малоизученным микроэлементам. Он, как и цезий, поступает в организм в основном с пищей. Установлено их постоянное наличие в организме. Однако до сих пор эти элементы не считаются биотическими.

Рубидий и цезий найдены во всех исследованных органах млекопитающих и человека. Поступая в организм с пищей, они быстро всасываются из желудочно-кишечного тракта в кровь. Средний уровень рубидия в крови составляет 2,3–2,7 мг/л, причем его концентрация в эритроцитах почти в три раза выше, чем в плазме.

Установлено адреноблокирующее и симпатомиметическое действие солей цезия и рубидия на центральные и периферические адренореактивные структуры, которое особенно ярко выражено при подавлении тонуса симпатического отдела центральной нервной системы и дефиците катехоламинов. Солям этих металлов свойственен, главным образом, бета-адреностимулирующий эффект.

Соли рубидия и цезия оказывают влияние на неспецифические показатели иммунобиологической резистентности.

Однако подозревают, что 87Rb, как и 137Cs, является ионизационным поражающим фактором, приводящим к преждевременным смертям.

Ежедневно в организм человека с пищей поступает 1,5–4,0 мг рубидия. Большая часть (около 40%) попадает в организм с чаем и кофе. Так, в черном чае содержится порядка 100 мг/кг рубидия. Также рубидий может поступать в организм человека с питьевой водой, особенно в тех районах, которые расположены на гнейсах и гранитах. По некоторым оценкам, минимальная ежедневная потребность человека в рубидии составляет 0, мг, а всего в теле человека содержится около 1 г рубидия.

При пероральном поступлении рубидия в организм его можно обнаружить в крови через 60–90 мин. Рубидий находится в связанном с эритроцитами состоянии, его концентрация в эритроцитах значительно выше, чем в плазме. В желудочно-кишечный тракт всасывается более 80% рубидия. Транспортные механизмы клеток человека и животных не различают ионы рубидия и калия, поэтому эти ионы могут конкурировать между собой. После всасывания рубидий накапливается в головном мозге и скелетной мускулатуре. Он также может накапливаться в плаценте. Концентрация рубидия в костях составляет 26,7 мкг/г, яичниках – 20 мкг/г, легких – 9,2 мкг/г, мягких тканях – около 7,8 мкг/г.

Рубидий выводится из организма в основном с мочой (до 70%).

Предполагаемая потребность млекопитающих в рубидии составляет 0,3–0,4 мг в день, а человека – 0,1 мг в день и меньше. Взрослый человек, находящийся на смешанной диете, потребляет в день около 1,7 мг рубидия, что, к примеру, значительно превышает потребление йода, селена, хрома, молибдена и никеля.

В XIX в., в связи со своим нейротропным действием, основанным на конкурентном взаимодействии с ионами калия, соли рубидия использовались для укрепления нервной системы, а позже и как противоэпилептическое и гипнотическое средство.

Содержание рубидия ниже 250 мкг/кг в корме у подопытных животных может приводить к задержке внутриутробного развития, абортам и преждевременным родам.

Поступление рубидия с кормом в количестве более 200 мг в день не вызывает у животных токсического эффекта, тогда как прием 1000 мг рубидия значительно угнетает рост и развитие, снижает продолжительность жизни.

3.5.1. Физические свойства Стронций (лат. strontium), Sr, – химический элемент с атомным номером 38. Очень химически активен и на воздухе быстро окисляется.

Элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 г. в свинцовом руднике близ шотландской деревни Строншиан, откуда и название элемента. Правда, присутствие в этом минерале оксида нового металла было установлено почти через 30 лет Уильямом Крюйкшенком и Адером Кроуфордом.

Содержание стронция в земной коре составляет 0,384%, он входит в состав 40 минералов. Из них наиболее важные – целестин (SrSO4) и стронцианит (SrCO3), имеюшие промышленное значение. Стронций также содержится в морской воде (0,1 мг/л) и в почве (0,035%).

В природе стронций встречается в виде смеси 4 стабильных изотопов: 84Sr (0,56%), 86Sr (9,86%), 87Sr (7,02%), 88Sr (82,56%).

Этот металл серебристо-белого цвета, не тяжелый (плотность 2,6 г/см3), довольно мягкий, плавящийся при 770°C. По химическим свойствам он типичный представитель семейства щелочноземельных металлов.

Радиоактивный стронций в значительных количествах образуется при ядерных взрывах, а также в ядерных реакторах, где он является одним из наиболее вероятных продуктов деления ядер урана.

3.5.2. Применение стронция Радиоактивный стронций нашел применение в качестве изотопного индикатора при исследовании кинетики различных процессов.

Именно этим методом в опытах с животными установили, как ведет себя стронций в живом организме: где преимущественно локализуется, каким образом участвует в обмене веществ. Тот же изотоп применяют в качестве источника излучения при лучевой терапии. Аппликаторами со стронцием-90 пользуются при лечении глазных и кожных болезней. Препараты стронция-90 применяют также в дефектоскопах, в устройствах для борьбы со статическим электричеством, в некоторых исследовательских приборах, в атомных батареях.

3.5.3. Биологическая роль стронция Стабильные изотопы стронция играют незначительную биологическую роль. При дефиците кальция и витамина Д, неполноценном питании, нарушении соотношения микроэлементов, таких как барий, молибден, селен и др., недостаток стронция может вызывать у детей «стронциевый рахит», поражение и деформацию суставов, задержку роста.

Наиболее важный из нестабильных изотопов 90Sr откладывается в скелете, поражая -излучением костную ткань и костный мозг, что приводит к развитию лучевой болезни, опухолей кроветворной ткани и костей, а также вызывает лейкемию и злокачественные опухоли костей, поражение печени.

3.6.1. Образование первичных изотопов В момент образования в нашей Вселенной атомной структуры ее химический состав был чрезвычайно прост – присутствовал единственный элемент – водород, да и то в виде ядра, т. е. элементарной частицы – протона. Из числа известных нам частиц присутствовали также электроны и нейтроны. Их содержание определялось условиями равновесия: при столкновении протонов и электронов рождаются нейтроны, которые потом самопроизвольно распадаются на протоны и электроны, а обратная реакция вновь дает протон. Также в этих реакциях испускаются нейтрино. Все это происходило доли секунды.

Плотность вещества и температура при этом весьма высоки – больше, чем в недрах современных звезд, – поэтому в течение нескольких минут идет первичный термоядерный синтез, но плотность и температура вещества быстро убывают, что приводит к резкому замедлению ядерных реакций. Поэтому успевают появиться лишь гелий и незначительное количество дейтерия, лития и бериллия. После этого три четверти массы Вселенной приходится на обычный водород, четверть – на гелий-4, а остальное – на небольшое количество дейтерия, гелия-3 и лития (тритий и бериллий-7 неустойчивы и вскоре распадаются). Далее синтез не идет – Вселенная слишком холодна и продолжает охлаждаться из-за расширения.

3.6.2. Образование изотопов в звездах В дальнейшем, а это занимает десятки миллионов лет, гравитационные процессы приводят к образованию звезд, внутри которых температура вновь поднимается до миллионов градусов – начинается звездный нуклеосинтез. Поскольку свободных нейтронов во Вселенной очень мало, ведь они нестабильны, основной реакцией является образование дейтерия при столкновении двух протонов. Один из них в процессе слияния превращается в нейтрон, испуская позитрон. В отсутствии нейтронов из дейтерия образуется не тритий, а гелий-3 после соединения с еще одним протоном.

Два ядра гелия-3 могут, столкнувшись, образовать крайне неустойчивое ядро бериллия-6 (4 протона + 2 нейтрона), которое мгновенно распадается на гелий-4 и пару протонов. А в реакциях соединения гелия-3 и гелия-4 рождаются ядра бериллия и лития с атомным весом 7. Однако, присоединяя еще один протон, они становятся неустойчивыми и распадаются на два ядра гелия-4 (рис. 10).

Рис. 10. Протон-протонный цикл синтеза гелия Масса ядра гелия-4 примерно на 0,7% меньше массы четырех протонов. Излишек массы, в соответствии с эйнштейновской формулой E = mc2, превращается в энергию. Именно за счет этого дефекта массы и светят звезды. Если выделяется слишком много энергии, звезда расширяется, вещество охлаждается, и скорость реакции снижается. Если же энергии мало, то происходит обратный процесс. В итоге звезда поддерживает температуру на уровне, соответствующем достаточно низкому темпу синтеза. Поэтому звезды живут достаточно долго.

В конце концов, запасы водорода в звезде исчерпываются. Однако дальнейшие этапы синтеза затруднены тем, что не существует стабильных ядер с массой 5 и 8. Но если вначале две альфа-частицы образуют неустойчивое ядро бериллия-8 (период полураспада всего 3·10–16 с), то есть шанс на то, чтобы в реакцию с бериллием успела вступить еще одна альфа-частица. А это дает углерод-12. Затем углерод, захватывая альфа-частицы, превращается в кислород. Превращение идет настолько эффективно, что кислорода во Вселенной оказывается даже больше углерода.

Легкие звезды останавливаются на этапе синтеза гелия, более тяжелые производят углерод и кислород, и только самые большие, превосходящие 10 солнечных масс, могут продолжить синтез более тяжелых ядер. В них после истощения запасов гелия внутренние области сжимаются, разогреваются, и начинаются реакции соединения ядер углерода. Два ядра углерода дают неон и альфа-частицу, или натрий и протон, или магний и нейтрон. Появившиеся протоны и нейтроны превращают углерод в азот, кислород и далее, за счет захвата альфа-частиц, в неон, кремний, магний и алюминий. После углерода вне очереди начинаются реакции с участием ядер неона, причем делает он это нетрадиционным путем: вместо того, чтобы сразу слиться с другим ядром, его ядра под действием гаммаквантов высоких энергий распадаются на кислород и альфачастицу. А затем альфа-частицы, взаимодействуя с другими ядрами неона, дают магний. В итоге из двух ядер неона возникают одно кислородное и одно магниевое.

После истощения запасов неона ядро тяжелой звезды становится кислородно-магниевым, снова сжимается, температура растет. Теперь ядра кислорода, попарно сливаясь, превращаются в кремний или серу.

Кроме того, появляется немного аргона, кальция, хлора и других элементов. Следующий на очереди – кремний. Напрямую два ядра кремния слиться не могут, поскольку у них слишком большая энергия связи и кулоновское отталкивание. Поэтому начинает идти множество реакций с участием альфа-частиц. На этой стадии возникают разные элементы, вплоть до железа. Железо и близкий к нему никель обладают максимальной энергией связи и с альфа-частицами не взаимодействуют. Получается железная звезда.

Дальнейшие превращения идут с участием нейтронов, для которых в силу нейтральности кулоновский барьер отсутствует. Один из механизмов получил название s-процесса (от англ. slow). Он протекает в конце жизни звезд с массой от 1 до 3 солнечных, когда они достигают стадии красного гиганта. Идет этот процесс не в ядре звезды, а в слоях, лежащих выше. У таких относительно легких звезд стадия гиганта имеет продолжительность, измеряемую десятками миллионов ганта имеет продолжительность, измеряемую десятками миллионов лет, и этого хватает для существенного преобразования вещества. Подобным путем можно получить такие тяжелые элементы, как свинец, барий или технеций.

Когда жизнь такого красного гиганта подходит к концу, его ядро превращается в белого карлика, а оболочка рассеивается. Тем самым межзвездная среда пополняется наработанными за время жизни звезды тяжелыми элементами, и постепенно химический состав Галактики эволюционирует за счет звездного нуклеосинтеза.

К тому моменту, когда образовалась Солнечная система, этот процесс шел уже 8 млрд. лет, и около 1% межзвездного вещества успело превратиться в тяжелые элементы, из которых, в частности, сложена наша планета.

Более тяжелые звезды проходят в процессе эволюции через стадию сверхновой. Взрывы сверхновых звезд очень важны для формирования Вселенной, потому что это эффективный способ выбросить в космос наработанные в звезде элементы. Образующаяся при этом нейтронная звезда забирает только относительно небольшое ядро красного гиганта, состоящее в основном из железа и никеля. Например, при начальной массе звезды в 20 солнечных в нейтронную звезду превратится не более 7% вещества, все остальное выметается взрывом в космос. Кроме того, во время взрыва в них образуются новые элементы. В результате химический состав вещества сильно сдвигается в сторону тяжелых элементов.

Считается, что наиболее эффективно обогащают Вселенную тяжелыми элементами звезды с массами от 12 до 25 солнечных. Их железное ядро окружает мощная кремниево-кислородная оболочка, которая после сброса дает элементы от натрия до германия (включая железо). В более массивных звездах образуется не нейтронная звезда, а черная дыра, и наружу ускользают только достаточно легкие частицы. Звезды поменьше, с массами в 8–12 солнечных, не обладают такой оболочкой, и поэтому элементов группы железа в них образуется мало. Зато появляются много более тяжелые элементы.

В них на стадии образования нейтронной звезды идет длящийся лишь несколько секунд r-процесс (от англ. rapid). В нем протекают реакции образования нейтронов из протонов под действием нейтрино.

Его итогом становятся ядра всех масс, вплоть до самых тяжелых, включая актиноиды. Физика этого процесса все еще плохо изучена, и предлагается несколько разных радиохимических механизмов. Схема эволюции массивной звезды приведена на рис. 11.

Рис. 11. Основные этапы эволюции массивной звезды В настоящее время распространенность химических элементов определяется именно этими процессами. По данным астрофизических наблюдений, их распределение имеет вид, приведенный на рис. 12.

Логарифм относительной распространенности Рис. 12. Относительная распространенность элементов во Вселенной (индексы r и s показывают на быстрый и медленный механизм захвата нейтронов;

максимальное значение распространенности кремния принято за единицу) Однако новые изотопы могут образовываться не только в звездах.