Радиационная безопасность. От теории к практике. 1. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА (В. И. Ушаков)

1.1.1. Материя, масса, энергия

Материя неразрывно связана с движением. Движение есть способ существования материи, внутреннее присущее ей свойство. Материя без движения так же немыслима, как и движение без материи. Все происходящие в мире процессы и изменения: перемещение частиц и распространение волн, электромагнитные и тепловые явления, химические и ядерные процессы, органическая жизнь и т. п. – являются формами движения материи.

Согласно современным физическим представлениям материя существует в двух основных видах: вещества и поля. Вещество и его элементы – частицы различной степени сложности (в том числе и элементарные частицы) – имеют собственную массу, или массу покоя, что, в частности, отличает вещество от поля (например, электромагнитного), которое массой покоя не обладает.

Современная физика различает следующие конкретные физические формы движения материи: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, ядерную. Дальнейшее расширение и углубление познания материи позволит, несомненно, раскрыть новые физические формы ее движения.

Разделение физических форм движения материи является в известной мере условным, так как фактически в природе ни одна физическая форма движения материи не существует изолированно от других ее форм движения. Однако для каждого рода физических объектов существует специфическая физическая форма движения материи, свойственная именно этому роду как главная форма движения.

Все физические формы движения материи обратимы, при этом в строго определенных количественных отношениях, что обусловило введение понятия энергии как общей меры движения материи.

В соответствии с различными физическими формами движения материи различают и виды энергии (механическая, тепловая, химическая и др.), которые также способны к взаимным превращениям в определенных количественных отношениях. Эта способность различных видов энергии к взаимным превращениям выражается законом сохранения и превращения энергии.

Из сказанного следует, что материи всегда присуща энергия и что не может быть энергии без материи.

Из закона сохранения и превращения энергии следует, что между различными видами энергии существует эквивалентность. Этот закон справедлив для всех видов энергии, он является всеобщим законом природы, не знающим исключений, и выражает языком физики единство материального мира.

Если материальная система подвергается внешним воздействиям, в результате которых она переходит из одного состояния в другое, то изменение ее энергии равно изменению энергии взаимодействующих с ней тел и полей. В термодинамике внешние воздействия подразделяются на два рода: механическую работу, совершаемую системой, и теплообмен между системой и внешней средой, характеризуемый количеством тепла, отдаваемого (или поглощаемого) системой. Соответственно этому закон сохранения и превращения энергии в термодинамике формулируется так: количество тепла Q, сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии системы U и на совершение системой внешней работы А, т. е. Q = U + А.

Этот закон носит название первого начала (принципа) термодинамики.

В физике большое значение имеет взаимосвязь массы и энергии. Масса является одной из важнейших характеристик тел, одним из неотъемлемых свойств материи.

До конца XIX века масса считалась неизменным свойством частиц вещества, не зависящим от скорости их движения. Исследования и опыты по определению светового давления, опыты с быстро движущимися электронами показали, что их масса меняется вместе со скоростью.

В теории относительности этот закон был распространен на любые частицы вещества: атомы, нейтроны, электроны и др.

Масса тел и частиц, движущихся с большой скоростью (соизмеримой со скоростью света), будет больше массы покоя.

Эйнштейн в теории относительности вывел исключительно важную закономерность в соотношении между массой m и энергией Е тел (частиц), а именно E = mc².

Это соотношение выражает закон взаимосвязи массы и энергии для любых тел, элементарных частиц и полей, подтверждая неразрывность движения и материи, оно подчеркивает общность всех видов энергии. Закон зависимости массы от скорости и закон взаимосвязи между массой и энергией получили экспериментальное подтверждение при ядерных реакциях, они имеют большое значение при расчетах ядерных процессов. Эти закономерности лежат в основе теории современной ядерной физики.

Так как с² является величиной постоянной, то всякое изменение энергии тела влечет за собой соответствующее изменение его массы, следовательно, количество энергии тела может оцениваться и величиной его массы. Поэтому не должно представляться странным выражение: «Солнце ежеминутно излучает энергию в количестве, равном 250х10⁶ т».

Все тела с одинаковой массой содержат одинаковое количество энергии. Чтобы оценить энергию 1 г любого тела (металла, угля, песка и др.), надо в соотношение Эйнштейна поставить вместо m единицу, а вместо с – значение скорости света (3х10¹⁰ см/с). Тогда, тело с массой 1 г обладает энергией, равной 9х10²⁰ эрг или 2,15х10¹³ кал или 9х10¹³ Дж, что соответствует количеству энергии, выделяющейся при сжигании около 3000 т каменного угля.

Из показанного примера следует, что природа располагает неисчислимыми запасами энергии, даже малой части которых достаточно для удовлетворения потребностей в энергии всего человечества. Однако в настоящее время освобождение и использование этой энергии является пока еще сложной проблемой.

Прежде чем приступить к рассмотрению вопросов, связанных с количественным выражением значений энергии, предлагается рассмотреть единицы измерения энергии и их количественные соотношения, вытекающие из эквивалентности различных физических форм энергии (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Соотношения между энергетическими единицами

1кг массы вещества соответствует 5,61х10²² МэВ или 0,603х10²⁴ а.е.м., а 1 а.е.м., в свою очередь, соответствует 1,66х10^—27 кг массы вещества.

В качестве единицы измерения энергии элементарных частиц в атомной физике применяют электрон-вольт (эВ). Один электрон-вольт (1 эВ) – это такое количество энергии, которое приобретает электрон при перемещении в постоянном электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. При этом, электрическое поле совершает работу перемещения электрона, в результате чего энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона.

Ввиду того, что электрон-вольт представляет очень малую величину, энергию элементарных частиц измеряют в мегаэлектрон-вольтах (МэВ) (1 МэВ=10⁶ эВ). Мегаэлектрон-вольт – малая величина энергии: 1 МэВ=1,6х10¹³ Дж.

Электрон – стабильная элементарная частица, легчайшая из электрически заряженных материальных элементарных частиц. Электрон является также наименьшей частицей отрицательного электричества. Величина заряда электрона называется элементарным зарядом.

Важнейшими характеристиками элементарных частиц являются масса покоя (называемая также собственной массой) и электрический заряд. Масса покоя электрона m_е=9,1095х10^—31 кг, отрицательный электрический заряд его (элементарный электрический заряд) равен 1,6х10^—19 Кл (кулон): 1 Кл – количество электричества, протекающего за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Массы других частиц обычно выражают или в массах электрона, или в так называемых атомных единицах массы (а.е.м.).

За физическую атомную единицу массы принята ¹/₁₂ часть массы изотопа углерода ¹²С (1 а.е.м. = 1,66х10^—27 кг, т.е. в 1824 раза больше массы покоя электрона (1 а.е.м.=1824 m_е)).

1.1.2. Строение вещества

В настоящее время известно около 1,5х10⁶ типов молекул. Однако атомов к началу 1964 г. было идентифицировано 101, из них в природе встречаются 88, а 13 получаются искусственно. Все известные молекулы построены примерно из 60 типов атомов.

Множество атомов одного типа называется химическим элементом. Таким образом, эти элементы являются теми «кирпичами», из которых сложены в многообразных комбинациях все тела окружающего нас материального мира – неорганического, органического, растительного и животного.

Атом является мельчайшей первичной частицей химического элемента. Он представляет собой сложную электродинамическую систему, состоящую из двух частей: небольшой очень плотной положительно заряженной центральной части, именуемой ядром, и легкой внешней (орбитальной) электронной оболочки, образованной отрицательно заряженными элементарными частицами – электронами. Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие из элементарных материальных частиц – протонов с положительным электрическим зарядом и нейтронов, которые электрического заряда не имеют. Протоны и нейтроны носят общее название – нуклоны.

Ядро атома водорода (наиболее легкого из всех элементов) состоит из одного протона и не содержит нейтронов.

Протон – стабильная элементарная частица, обладающая положительным зарядом (ядро атома водорода). Масса протона в 1837 раз больше массы электрона (т. е. составляет 1837 m_е или 1,00758 а.е.м.). Заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона, но противоположен ему по знаку, т. е. равен одной положительной элементарной единице заряда. Протон обозначается ¹₁р, где индексы обозначают массу и заряд протона.

Нейтрон – это нейтральная частица. Масса нейтрона равна 1839 m_е или 1,00893 а.е.м., то есть примерно равна массе протона. В свободном состоянии нейтрон – неустойчивая частица и претерпевает превращения. Нейтрон обозначается ¹₀n, где индекс 0 – заряд нейтрона, индекс 1 – масса нейтрона.

Таким образом, почти вся масса атома сосредоточивается в его ядре; масса электронной оболочки составляет сотые доли процента массы атома (см. табл. 1.2).

Таблица 1.2

Значения масс покоя и электрических зарядов элементарных частиц атома

При нормальном (невозбужденном) состоянии атома число электронов его оболочки равно числу протонов ядра, следовательно, атом электрически нейтрален. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядрах атомов (кроме ядра атома водорода) равняется приблизительно единице для легких ядер и постепенно возрастает до 1,6 с увеличением массы ядра.

В современной физике принято считать, что атомы имеют строение, напоминающее (геометрически) планетную систему Солнца. В центре электродинамической системы атома находится ядро, вокруг которого движутся по своим орбитам электроны. Геометрическая модель атома представлена на рис. 1.1.

Число положительных зарядов атомного ядра (число протонов) называется атомным номером Z элемента.

Число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом А элемента A = N + Z,

где N – число нейтронов в ядре (N = А – Z).

Заряд ядра обусловлен наличием в нем протонов. Заряд любого ядра равен Q = Ze,

где е – заряд протона, Кл.

Рис. 1.1. Планетарная модель атома

По величине заряда ядра все химические элементы располагаются в определенной последовательности в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева. Порядковый номер элемента в этой таблице равен заряду его ядра.

Вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре называют нуклидом и обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например, ⁴₂He – гелий с зарядом, равным двум зарядам электрона, и массовым числом, равным 4 (см. рис. 1.1).

Массовое число равно ближайшему целому числу, выражающему атомный вес элемента. Например, записи, характеризующие изотопы урана: ²³⁸₉₂U, ²³⁵₉₂U и ²³³₉₂U, означают, что все эти изотопы имеют один атомный номер 92, числа же нейтронов их атомных ядер различны и соответственно равны: 238—92=146; 235—92=143 и 233—92=141.

Количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре (см. рис.1.1). Электроны в атоме сгруппированы по электронным оболочкам (орбитам), номера которых возрастают по мере удаления от ядра: n=1,2,3,4… Суммарный отрицательный заряд всех орбитальных электронов равен суммарному положительному заряду протонов ядра. Атом в нормальном состоянии – электрически нейтральная система.

Энергия связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме, зависит от расстояния электрона до центра атома. Каждая орбита соответствует вполне определенному значению этой энергии.

Электроны, расположенные вблизи ядра, находятся под действием большей силы притяжения, чем электроны, находящиеся дальше от него. Когда электрон, оставаясь внутри атома, переходит с одной орбиты на другую, то выделяется или поглощается энергия. Электрон, переходя с ближней обриты на более удаленную от ядра, должен преодолеть силу притяжения ядра, т.е. приобрести (поглотить) дополнительную энергию. При переходе электрона с дальней орбиты на ближайшую к ядру происходит выделение энергии, которая может быть излучена атомом.

Атом, в котором электроны обращаются на более удаленной от ядра орбите, чем им дозволенной, называется возбужденным. Возбужденный атом неустойчив и время его жизни в этом состоянии: х 10^—8 с.

Из периодической системы элементов видно, что атомы различных элементов имеют различное количество слоев (орбит) электронов. Оно зависит от атомного номера, который определяет положение (период) элементов в периодической системе. Наибольшее число слоев электронной оболочки равно семи.

Исходя из того, что атом представляет собой электродинамическую систему планетарной структуры, под диаметром атома понимают диаметр воображаемой сферы, заключающей в себе атом, внутрь которой не может проникнуть другой атом из-за действия сил отталкивания, возникающих между электронными оболочками (см. рис. 1.1). Диаметр атома около 10^—8 см. Размеры атомных ядер очень малы; плотность же ядерного вещества чрезвычайно большая.

Диаметр ядра атомов различных элементов лежит в пределах 10^—13 – 10^—12 см, т. е. в 10⁴ – 10⁵ раз меньше диаметра атома. Радиус атомного ядра может быть определен по формуле R = 1,5 x 10^—13xA^1/3, где А – число нуклонов в ядре (массовое число).

Радиус атома приблизительно равен (2,5…5,5) х10^—11м, а радиус атомного ядра (1,5—10) х10^—16м. Так, радиус ядра атома ²³⁸₉₂U составляет приблизительно 0,93х10^—15м, а его объем —3,4х10^—40м³.

Исходя из того, что масса каждого нуклона равна приблизительно 1 а.е.м. или 1,66х10^—27кг, масса ядра урана равна приблизительно 395х10^—27кг. Плотность ядерного вещества урана равна 116 000 кг/м³. Плотность ядерного вещества других элементов примерно такая же.

Из изложенного следует, что основная часть энергии атома сосредоточена в его ядре, на электронную же оболочку остается сравнительно ничтожная ее доля. Поэтому перспективным путем получения больших количеств промышленной энергии является деление атомных ядер, в результате которого выделяется ядерная энергия.

1.1.3. Изотопы. Радиоактивность и ее закономерности

Существует много атомов, ядра которых содержат равное число протонов, но разное число нейтронов. Массовые числа у этих атомов различны, но их химические свойства одинаковы, так как они имеют один и тот же заряд ядра и, следовательно, занимают одно и то же место в таблице Менделеева. Такие атомы получили название изотопов. Изотоп – нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу.

Изотопный состав имеют многие химические элементы, некоторые из них имеют относительно большое количество изотопов. Например, водород имеет три изотопа: ¹₁H – протий (легчайший изотоп водорода), ¹₂D – дейтерий, ¹₃T – тритий; известны: 19 изотопов йода, восемь изотопов железа, шесть изотопов урана и т. д.

Изотопы одного элемента химическими методами не могут быть разделены. Записываются изотопы элементов одинаковыми символами, отличающимися один от другого лишь массовым числом, например: изотоп углерода – от ¹⁰₆C до ¹⁴₆C; изотоп алюминия – от ²⁶₁₃Al до ²⁹₁₃Al; изотоп урана – от ²³³₉₂U до ²³⁹₉₂U и т. д.

Известно около 1500 изотопов. Одни из них устойчивые – стабильные, другие неустойчивые – радиоактивные. Стабильные изотопы – изотопы, ядра которых в течение длительного промежутка времени не претерпевают изменения. Изотопы, ядра которых со временем распадаются, называют радиоактивными или радионуклидами (РН). Радионуклид – нуклид, обладающий радиоактивностью. Радиоизотоп – изотоп, обладающий радиоактивностью.

В конце XIX в. А. Беккерелем, Пьером и Марией Кюри и другими учеными было открыто явление самопроизвольного распада ядер некоторых неустойчивых химических элементов. Исследователи установили, что распадающиеся ядра претерпевают превращения с образованием новых изотопов элемента и даже новых элементов, при этом выделяется энергия в виде радиоактивных излучений.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Явление самопроизвольного распада ядер называется естественной радиоактивностью, а неустойчивые изотопы, претерпевающие самопроизвольные превращения, радиоактивными. Специально приготовленные радиоактивные изотопы называют искусственно радиоактивными.

Явление радиоактивности обладает рядом особенностей:

радиоактивность – свойство ядер радиоактивных элементов;

радиоактивность – самопроизвольный процесс;

на явление радиоактивности не влияют такие внешние факторы, как давление, температура, магнитные и электрические поля, химические реагенты;

в процессе радиоактивного распада выполняется закон сохранения энергии, согласно которому энергия материнского ядра равна энергии продуктов распада, закон сохранения электрического заряда и закон сохранения массы. Это означает, что суммарная энергия, масса и заряд до начала превращения и после его завершения должны оставаться постоянными.

Устойчивость атомных ядер обусловлена соотношением внутриядерных сил, воздействующих на нуклоны ядра. Такими силами являются:

ядерные силы взаимного притяжения нуклонов; эти силы проявляют себя на очень малых радиусах действия (не более 10^—13см) и стремятся удержать ядро в целостности;

кулоновские силы взаимного отталкивания протонов, стремящиеся разрушить ядро.

Нормальный (невозбужденный) атом всякого элемента электрически нейтрален и все внутриатомные силы его находятся в равновесии.

Атомные ядра элементов с атомным номером 83 и более (число протонов Zх83, отношение числа нейтронов к числу протонов A—Z/Zх1,52) являются в той или иной мере неустойчивыми. К наименее устойчивым относятся ядра тяжелых элементов. На рис. 1.2 представлена графическая зависимость числа нейтронов в атомных ядрах элементов от заряда ядра.

Рис. 1.2. Зависимость N (Z)

По мере увеличения числа протонов в устойчивых атомных ядрах число нейтронов, приходящихся на один протон, возрастает от 1 до 1,6. Это обусловлено тем, что с увеличением числа протонов в ядре кулоновские силы отталкивания усиливаются и, преодолевая ядерные силы взаимного притяжения нуклонов, стремятся разъединить и удалить протоны из ядра.

Ядро с большим числом протонов может существовать только при наличии большого числа нейтронов, которые, снижая концентрацию протонов в ядре (см. рис. 1.2), уравновешивают внутриядерные силы ядра атома. В устойчивых ядрах должно быть определенное соотношение числа нейтронов к числу протонов, увеличивающееся с возрастанием атомных номеров химических элементов.

Отклонение от этого соотношения приводит к неустойчивости элементов, т.е. к их радиоактивному распаду.

Распад ядер радиоактивных элементов происходит до тех пор пока не будет установлено равновесие нуклонов в ядре и ядро не станет устойчивым. Цепь распадов с последовательным образованием ряда промежуточных изотопов, называемая радиоактивным семейством, заканчивается нераспадающимся (стабильным) изотопом какого-либо элемента. Так, например, одно из таких радиоактивных семейств начинается ураном и заканчивается стабильным изотопом свинца.

В науке и технике широко используются искусственные радиоактивные изотопы, которые изготовляются путем различных ядерных реакций и превращений.

Между естественной и искусственной радиоактивностями одинаковых изотопов нет разницы, так как свойства радиоактивного изотопа не зависят от способа его получения.

Основными видами радиоактивных превращений атомных ядер являются: альфа-распад; бетта^- и бетта⁺-распад, электронный захват (К-захват); гамма-распад; нейтронный распад (n-распад); спонтанное деление ядер.

При альфа-распаде из ядра распадающегося элемента излучается альфа-частица, представляющая собой ядро атома гелия ⁴₂He (два протона и два нейтрона) и имеющая положительный заряд, равный по абсолютной величине двум зарядам электрона. В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных альфа-активных ядер. Этот вид распада характерен для тяжелых элементов, обладающих меньшими значениями энергии связи, и нередко сопровождается гамма-излучением. Образовавшееся при альфа-распаде дочернее ядро будет иметь заряд и массу, меньшие, чем у распавшегося ядра, соответственно на две и четыре единицы. В общем виде реакция альфа-распада записывается так ^A_ZX – ^A-4_Z-2Y +4²He + Q, где Q – выделившаяся при распаде энергия, эВ.

Например, ядро плутония ²³⁹₉₄Pu, излучив альфа-частицу, превращается в ядро урана ²³⁵₉₂U. Общая схема этого альфа-распада приведена на рис. 1.3. Процесс альфа-распада принято представлять следующим образом. В результате взаимодействия ядерных и кулоновских сил в некоторый момент ядро отделяет альфа-частицу, которая вскоре оказывается под действием только отталкивающих кулоновских сил. Эти силы разгоняют альфа-частицу до скорости, достигающей на периферии атома 20000 км/с. Отдельная частица приобретает большую кинетическую энергию. Таким образом, выбрасыванием из ядра альфа-частицы осуществляется превращение скрытой энергии ядра в энергию движения частицы.

Рис. 1.3. Схема альфа-распада

Энергия испускаемых альфа-частиц составляет 4…10 МэВ; при прохождении через вещество альфа-частицы теряют свою энергию, главным образом, в результате взаимодействия с электронами атомов вещества.

Длина пробега альфа-частиц в веществе невелика; например, в воздухе она составляет 2…12 см в зависимости от вида радиоактивного изотопа. Проникающая способность альфа-частиц незначительна: они легко задерживаются тонкой металлической фольгой.

Для ряда изотопов вылет альфа-частицы сопровождается излучением гамма-кванта.

При бетта – распаде (электронном распаде) радиоактивного ядра излучаются две частицы: отрицательно заряженная – электрон и нейтральная – нейтрино.

Этот вид распада характерен для ядер с избыточным числом нейтронов и в большинстве случаев сопровождается гамма-излучением.

Поскольку нейтрино имеет ничтожную массу покоя и не обладает зарядом, то заряд образовавшегося при бетта – распаде ядра увеличивается на единицу, а атомный вес остается прежним.

Иными словами, новый элемент будет обладать тем же массовым числом, что и исходный элемент, но иметь на единицу больший заряд и располагаться в таблице Менделеева на одно место правее исходного.

Общая схема бетта-распада приведена на рис. 1.4.

Таким образом, бетта – распад является превращением нейтрона в протон с выделением электрона (бетта – частицы) и нейтрино. В этом виде распада ядра проявляется одно из любопытных явлений атомной физики – способность одной элементарной материальной частицы превращаться в другую.

Формула превращения нейтрона в протон может быть представлена в следующем виде: ¹₀n – ¹₁H +0_—1e + v.

Такое превращение сопровождается выделением энергии (0,76 МэВ).

Позитронный (бетта⁺ – распад) распад характерен для ядер с избыточным числом протонов (недостаточным числом нейтронов). При нем в определенных энергетических условиях излучается позитрон и нейтрино. Излучение позитрона может происходить только в том случае, если разность энергий (уменьшение массы) материнского и дочернего ядер превышает 1,02 МэВ.

Рис. 1.4. Схема бетта-распада

При столкновении испущенного позитрона с электроном обе частицы исчезают (аннигилируют), превращаясь в кванты света, при этом вся энергия частиц переходит в энергию гамма-квантов по формуле

⁰₊₁e+⁰_—1e -> 2бетта+2x0,51МэВ

При излучении позитрона образуется ядро с тем же массовым числом, но с зарядом на единицу меньшим, т. е. ядро элемента, расположенного в таблице Менделеева на одно место левее исходного.

Например

²⁷₁₄Si -> ⁰₊₁e+²⁷₁₃Al+v

При этом виде распада происходит превращение одного протона ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино:

¹₁p -> ⁰₊₁e+¹₀n+v

Такое превращение протекает с поглощением энергии (1,8 МэВ), так как масса нейтрона больше массы протона.

Процесс К-захвата (электронного захвата) происходит при условии, если избыточная энергия возбужденного ядра с избыточным числом протонов не превышает 1,02 МэВ. То есть, когда в ядре не хватает энергии для излучения позитрона, бетта⁺-распада (позитронного) не произойдет. Переход ядра в устойчивое состояние в этом случае может произойти путем захвата одного из орбитальных электронов из К-слоя (редко из L-слоя) электронной оболочки атома. В результате этого превращения, так же как при излучении позитрона, образуется ядро элемента с атомным номером на единицу меньшим, чем у исходного ядра (материнского).

Ввиду того, что после электронного захвата в К-оболочке атома образуется вакантное место, один из электронов внешней оболочки занимает его, в результате происходит перестройка в атомных оболочках. Атом из возбужденного состояния переходит в нормальное; переход сопровождается испусканием рентгеновского излучения дочернего атома.

Следовательно, К-захват также связан с превращением протона в нейтрон.

В результате нейтронного распада (n-распада) ядро испускает нейтрон, что в большинстве случаев происходит в цепочке распада, в которой энергия возбуждения дочернего ядра превышает энергию связи нейтрона, равную примерно 8 МэB. Испускание нейтрона приводит к уменьшению массового числа на единицу.

Спонтанное деление ядер характерно для ядер очень тяжелых элементов. При нем ядро атома вещества делится на два осколка со средними массовыми числами. У тяжелых ядер больший избыток нейтронов над протонами, чем у устойчивых ядер с массой средней величины, поэтому при спонтанном делении испускается два-три нейтрона.

Радиоактивный распад зависит только от внутреннего энергетического состояния ядра. Интенсивность радиоактивного распада различных изотопов различна, с течением времени она уменьшается. Скорость распада является величиной, характерной для данного изотопа и не зависящей от внешних воздействий температуры, давления, магнитных сил и пр.

Для всех видов радиоактивных распадов существует общая закономерность, состоящая в том, что количество ядер данного радиоактивного изотопа, распадающихся за единицу времени (в среднем), всегда составляет определенную, характерную для данного радиоактивного изотопа, долю полного числа еще не распавшихся атомов.

На практике пользуются характеристикой скорости радиоактивного распада, называемой периодом полураспада Т_1/2 – временем, в течение которого распадается половина имевшихся вначале ядер.

Период полураспада различных радиоактивных изотопов исчисляется временем от долей секунды до миллиардов лет.

К примеру, в одном килограмме урана за одну секунду распадается 2х10¹⁰ атомов; это означает, что за секунду его масса уменьшается приблизительно на 8х10^—19 часть.

Число распадов в одном грамме радия (атомный вес 226 и период полураспада 1620 лет) составляет 3,7х10¹⁰ распадов в секунду. Это число распадов в одну секунду принято за единицу радиоактивности – кюри или 3,7х10¹⁰ Бк.

Характеристикой скорости распада является также среднее время жизни радиоактивного изотопа – среднее значение промежутка времени от момента образования ядра до момента его распада. Среднее время жизни изотопа может быть определено путем сложения времени жизни всех радиоактивных атомов и деления этой суммы на первоначальное число радиоактивных атомов.

Характеристика радиоактивного изотопа, представляющая собой скорость (интенсивность) распада его атомов, называется активностью. Она определяется числом ядер вещества, распадающихся в единицу времени.

Единицами измерения радиоактивности в системе СИ является 1 беккерель (Бк), который равен 1 распаду в секунду. Широко используются в настоящее время внесистемные единицы: кюри (1 Кu=3,7х10¹⁰ Бк (расп./с)), милликюри (1 мKu=3,7х10⁷ Бк (расп./с)) и микрокюри (1 мкKu=3,7х10⁴ Бк (расп./с)).

Кюри (Ku) – единица активности радионуклида, в котором происходит 3,7х10¹⁰ актов распада в секунду, что соответствует числу распадов в секунду 4 г радия-226.

Важными для практики являются понятия: удельной активности радиоактивных веществ, под которой понимается их активность, отнесенная к единице массы и объемной активности-активности, отнесенной к единице объема среды (например, Бк/кг (мKu/г), Бк/л (мKu/л) воды, Бк/м³ (мкKu/м³) воздуха и т. д.).

1.1.4. Энергия связи и дефект массы атомных ядер

Для уяснения физического процесса и закономерностей выделения ядерной энергии необходимо рассмотреть взаимодействие сил между нуклонами ядра, энергию связи ядра и условия ее освобождения.

Атомы всех элементов обладают определенными значениями массы и энергии, основная часть которых сосредоточена в ядрах. Определенным количеством энергии обладают и ядра атомов, находящихся в нормальном (невозбужденном) состоянии, равновесие нуклонов в которых поддерживается действием ядерных и кулоновских сил. Изменение равновесия этих сил в ядре приводит к изменению его энергетического уровня.

Чтобы удалить друг от друга («растащить») в пределах действия ядерных сил взаимно притягивающиеся нуклоны ядра, необходимо затратить работу. При этом, энергия нуклонов в новом состоянии будет больше их энергии в прежнем состоянии. Если удаленные в пределах радиуса ядра нуклоны предоставить самим себе, то под действием ядерных сил они вернутся в прежнее положение, при этом согласно закону сохранения энергии выделится определенное количество энергии. Однако, энергия всех нуклонов ядра после их сближения будет меньше энергии в положении, когда они были удалены друг от друга.

Аналогично, при образовании ядра происходит «стягивание» ядерными силами его протонов и нейтронов, сопровождающееся выделением энергии. Энергия образовавшегося ядра будет меньше на определенную величину энергии свободных нуклонов этого ядра.

Для разрушения атомного ядра, т. е. для полного выведения всех его нуклонов за пределы действия ядерных сил, нужно затратить энергию, соответствующую работе преодоления ядерных сил. Количество энергии, требующейся для разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.

Количественно энергия связи ядра равна энергии, освобождающейся при образовании этого ядра из свободных нуклонов. Энергия связи ядра характеризует силы, связывающие его нуклоны, подобно энергии связи молекулы, характеризующей силы химических связей атомов. Как при образовании из атомов молекулы связь между атомами тем сильнее, чем больше выделяется тепловой энергии, так и при образовании из свободных нуклонов атома связь нуклонов тем прочнее (энергия связи ядра тем больше), чем больше выделяется энергии. Ядерные силы в миллионы раз превышают силы химических связей молекул, поэтому энергия связи атомных ядер несоизмеримо больше энергии связи молекул.

Энергия связи является мерой устойчивости ядра: чем она больше, тем ядро устойчивее, тем больше требуется энергии для его разрушения.

Количественные значения энергии связи атомных ядер различных элементов зависят главным образом от количества нуклонов в ядре (массового числа А) и соотношения числа нейтронов и протонов в нем. Чем больше массовое число ядра, тем больше энергия связи ядра.

С уменьшением энергии ядра при образовании его из свободных нуклонов соответственно уменьшается и масса образовавшегося ядра по сравнению с массой всех нуклонов, его образовавших. Эту убыль массы при ядерных превращениях называют дефектом массы. Ее количественное значение для ядра данного изотопа точно соответствует значению энергии связи этого же ядра.

Дефект массы ядра является мерилом энергии связи, по его значению можно определить количество энергии, выделяющейся при образовании ядра из свободных нуклонов.

Удельная энергия связи ядер различных элементов различна. На рис. 1.5 приведены значения удельной энергии связи устойчивых атомных ядер в зависимости от значений их массового числа. Из рисунка видно, что в области малых массовых чисел с возрастанием их значений удельная энергия связи ядер вначале быстро возрастает, достигает максимальных значений (около 8,7 МэВ) при массовых числах равных 60…80, а затем медленно уменьшается. Следовательно, ядра со средней массой являются наиболее устойчивыми.

Этот факт определил два пути выделения ядерной энергии для практического использования:

реакции синтеза наиболее легких ядер (термоядерные реакции);

реакции деления наиболее тяжелых атомных ядер.

Предлагается рассмотреть определение дефекта масс на примере ядра гелия.

Рис. 1.5. Средняя энергия связи ядра на один нуклон

Ядро гелия ³₂He состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Масса его равна 4,003 а.е.м., масса протона равна 1,00758 а.е.м., а масса нейтрона 1,00893 а.е.м.

При образовании (синтезе) одного ядра гелия ³₂He из двух атомных ядер тяжелого водорода ¹₂H (дейтронов) дефект массы ядра составляет 0,02559 а.е. м. При образовании одного грамм-атома гелия, т. е. 4,004 г (6,02х10²³ атомов), выделится энергия в количестве 5,45х10¹¹ кал, что соответствует количеству тепла, выделяющемуся при сжигании около 78000 кг каменного угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

1.2.1. Ядерные реакции с нейтронами

Процессы, происходящие при внешнем воздействии на атомные ядра элементарных частиц или других ядер, в результате которых ядра претерпевают какие-либо превращения, называются ядерными реакциями. Процессы радиоактивности, при которых соответствующие превращения происходят внутри самих ядер в силу их внутренней неустойчивости (без внешнего воздействия), к ядерным реакциям не относятся.

При исследованиях в современной ядерной физике часто прибегают к «бомбардировке» атомных ядер-мишеней элементарными частицами. Взаимодействия между ядрами и частицами очень разнообразны.

В результате ядерных реакций изменяется состав ядер, что нередко приводит к превращению одних химических элементов в другие; во всех случаях изменяется энергетическое состояние ядер, вступающих в реакцию. Впервые реакция искусственного превращения одного элемента в другой была осуществлена в 1919 г. известным английским физиком Э. Резефордом.

Эта реакция проходит в две стадии:

¹⁴₇N+⁴₂He-> ¹⁸₉F*

Знак * указывает, что ядро находится в возбужденном состоянии. В результате на этой стадии получается радиоактивный изотоп фтора, ядро которого через очень короткий промежуток времени (около 10^—14 с), называемый временем жизни возбужденного ядра, теряет избыточную энергию, испуская протон (ядро атома водорода), и превращается в устойчивый изотоп кислорода:

¹⁸₉F-> ¹⁷₈O+¹₁H.

Избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергии ядер ¹⁷₈O и ¹₁H, разлетающихся с большой скоростью. Обыно ядерные реакции записывают (опуская промежуточную запись) следующим образом:

¹⁴₇N+⁴₂He-> ¹⁷₈O+¹₁H.

В ядерных процессах, происходящих в реакторах, главное значение имеют ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Ниже кратко рассматриваются особенности и физическая сущность этих реакций.

Элементарные частицы-нейтроны, не обладая электрическим зарядом, не взаимодействуют с электронами атомов и не подвержены влиянию кулоновских сил ядер. Поэтому нейтроны обладают огромной проникающей способностью. Ядерные реакции, вызываемые нейтронами, происходят с образованием промежуточного ядра, называемого также составным ядром. Ядро, образующееся в результате ядерной реакции, называется ядром отдачи.

Промежуточное ядро обладает энергией возбуждения, т. е. избытком энергии по сравнению с энергией такого же ядра, находящегося в основном состоянии. Этот избыток энергии, приобретаемый ядром при столкновении с нейтроном (энергия возбуждения промежуточного ядра), равен сумме кинетической энергии нейтрона и его энергии связи в составном ядре.

Основными видами ядерных реакций, вызываемых нейтронами, происходящих в ядерных реакторах, являются: упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, превращение и деление.

Рассеянием нейтронов атомными ядрами называют процесс, в результате которого происходит только передача кинетической энергии налетевшего нейтрона нуклонам ядра-мишени. Рассеяние может быть упругим и неупругим.

Реакция упругого рассеяния нейтрона ядром аналогична столкновению двух идеально упругих шаров (рис. 1.6).

При этом виде рассеяния нейтрона кинетическая энергия системы «нейтрон плюс ядро-мишень» остается неизменной: не происходит ни поглощения, ни выделения энергии, происходит лишь отдача кинетической энергии нейтрона ядру-мишени без изменения внутреннего состояния ядра. Доля теряемой нейтроном энергии и изменение направления его движения зависят от соотношения кинетических энергий нейтрона и ядра-мишени: если энергия нейтрона больше энергии ядра, то рассеянный нейтрон замедляется, а ядро ускоряется, и наоборот.

Рис. 1.6. Упругое рассеяние нейтронов (схема): а – при соударении под углом; б – при лобовом соударении

Если, например, нейтрон ударяет в ядро легкого водорода (протон), то ввиду малого различия их масс при лобовом ударе вся энергия нейтрона будет передана протону, а нейтрон потеряет свою скорость. При боковых ударах (общие случаи) нейтрон передает протону лишь часть своей энергии.

В среднем потеря энергии нейтрона при одном столкновении с ядром водорода составляет примерно ³/₄ первоначальной. Чем тяжелее бомбардируемое ядро, тем меньше потеря энергии при одном соударении. Так, при соударении нейтрона с ядром углерода, который в 12 раз тяжелее нейтрона, среднее значение потери энергии нейтрона равно около 0,15 первоначальной величины. Реакция упругого рассеяния нейтрона на углероде записывается, например, так: ¹²₆C (n, n) ¹²₆C.

Реакция упругого рассеяния имеет большое практическое значение в процессах замедления нейтронов в ядерных реакторах. Ряд последовательных упругих соударений нейтронов с ядрами атомов вещества-замедлителя приводит к снижению энергии нейтронов до значений, примерно равных кинетической энергии атомов замедлителя. Такие нейтроны называют тепловыми.

Нейтроны с энергией до 1000 эВ (0,001 МэВ) называются медленными, нейтроны с энергией около 0,025 эВ называются тепловыми, с энергией 0,001…0,5 МэВ – промежуточными, с энергией 0,5 МэВ и выше – быстрыми.

Тепловые нейтроны – нейтроны энергий, соответствующих энергии теплового движения атомов.

Нейтрон с энергией около 1 МэВ может вызывать возбуждение ядер тяжелых элементов; в этом случае он может потерять большую часть своей первоначальной энергии. При этом ядро атома, захватывая нейтрон и приобретая избыток энергии, возбуждается, а затем испускает нейтрон с меньшей кинетической энергией, все еще оставаясь в возбужденном состоянии; оставшийся избыток энергии возбужденного ядра испускается в виде излучения, после чего ядро возвращается в свое основное энергетическое состояние. При этом энергия системы «нейтрон плюс ядро-мишень» уменьшается на величину энергии излучения.

Рассматриваемая реакция вызывается быстрыми нейтронами и преимущественно при взаимодействии с ядрами тяжелых элементов. Например, при соударении быстрого нейтрона с ядром урана потеря энергии нейтроном составляет 0,1…0,2 первоначальной энергии, в то время как при упругом соударении этих частиц средняя потеря энергии нейтрона ввиду большого отношения масс составляет около 0,01 первоначальной энергии. Реакция идет параллельно, например, с упругим рассеянием при взаимодействии нейтрона с протоном. Часть соударений приводит к захвату нейтрона протоном с образованием ядра тяжелого водорода-дейтрона; масса этого ядра меньше, чем сумма масс протона и нейтрона на 0,00234 а.е.м. (дефект массы), что соответствует энергии 2,2 МэВ, которую выделяет ядро.

Ядерные реакции с захватом нейтрона ведут к образованию различных изотопов; они имеют большое практическое значение, в частности, при производстве радиоактивных изотопов. Если энергия нейтрона достаточно велика, то реакция захвата может происходить с испусканием ядром протона. Образовавшееся в результате ядро отдачи отлично от ядра-мишени, т.е. происходит превращение одного элемента в другой.

Примером такого превращения является образование азота ¹⁶₇N в результате взаимодействия кислорода ¹⁶₈O с нейтронами, имеющими энергию выше 10 МэВ. Эта реакция записывается так: ¹⁶₈O (n, р) ¹⁶₇N.

Рис. 1.7. Схема реакции синтеза ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия и вылетом нейтрона

К числу ядерных реакций превращения относятся реакции синтеза двух легких ядер в одно ядро более тяжелое и более устойчивое (термоядерные реакции). Так, при столкновении двух легких ядер дейтерия ²₁H и трития ³₁H образуется промежуточное ядро ⁵₂He, которое испускает нейтрон и переходит в ядро отдачи ³₂He. Эта реакция записывается так: ³₁H (d, n) ³₂He, где d – ядро дейтерия.

Дефект массы реакции будет равен 0,1894 а.е.м. и ей соответствует энергия связи 17,6 МэВ. Следовательно, эта реакция происходит с выделением энергии, которая в данном случае выделяется в виде кинетической энергии нейтрона и атома гелия.

Примером реакции превращения, но с поглощением энергии, может служить реакция ⁶₃Li (р, n) ⁷₄Be, при которой ядро лития бомбардируется протоном; образующееся промежуточное ядро испускает нейтрон и получается ядро отдачи с тем же массовым числом, но с зарядом на единицу больше. Дефект массы реакции составляет 0,00175 а.е.м., а энергия равна (—1,63) МэВ.

Знак минус означает, что реакция происходит с поглощением энергии. Если ударяющий протон имеет энергию, равную или больше 1,63 МэВ, то реакция происходит за счет поглощения кинетической энергии протона, если же она менее этой величины, то реакция произойти не может.

1.2.2. Ядерные реакции деления

Ядерная реакция деления заключается в том, что возбужденное промежуточное ядро, образующееся при захвате бомбардирующей частицы, делится на две части (осколка), сравнимые по величине. Деление может быть осуществлено под действием частиц большой энергии: нейтронов, протонов, дейтронов. При реализации реакции деления взрывного типа наиболее важное значение имеет деление под действием нейтронов. При делении тяжелого ядра образуются изотопы, расположенные в средней части периодической системы Менделеева, где ядра имеют большую, чем у тяжелых ядер, энергию связи на нуклон. Поэтому реакция деления сопровождается освобождением большого количества энергии.

Так как у образующихся осколков ядер отношение числа нейтронов к числу протонов меньше, чем у тяжелых ядер делящихся материалов, при делении ядер в осколках возникает избыток нейтронов; часть из них превращается в протоны, а небольшая их часть (два-три на один акт деления) остается в виде свободных нейтронов. Это является важнейшим фактором получения самоподдерживающейся реакции деления ядер.

Возникновение при реакции деления двух-трех свободных нейтронов и их электрическая нейтральность, позволяющая им проникать в бомбардируемые ядра без затраты большого количества энергии, обусловливают самоподдерживающийся процесс деления с непрерывным выделением энергии. Такой процесс деления ядер нуклидов, при котором число нейтронов, образующихся в процессе деления ядер за какой-либо интервал времени, равно или больше числа нейтронов, убывающих из системы вследствие утечки и поглощения за тот же интервал времени, получил название самоподдерживающейся цепной реакции деления (СЦР).

В настоящее время известны четыре изотопа, делящиеся под действием как быстрых, так промежуточных и медленных нейтронов. Это ²³⁵₉₂U, ²³³₉₂U, ²³⁹₉₄Pu и ²⁴¹₉₄Pu. Именно эти изотопы и ядерные материалы их содержащие относят к категории делящихся веществ. Изотопы ²³³₉₂U и ²³⁹₉₄Pu в природе не существуют, их искусственно получают из изотопов ²³²₉₀Th и ²³⁸₉₄Pu (соответственно). Под действием тепловых нейтронов ²³²₉₀Th и ²³⁸₉₂Uне делятся, но, захватывая нейтроны, после определенных превращений образуют делящиеся изотопы ²³³₉₂U и ²³⁹₉₄Pu.

Непрерывное самопроизвольное (спонтанное) деление происходит лишь у ядер, для которых отношение Z / А> 44,5. Это отношение называется параметром деления. Для урана и плутония его значения равны 36—37. Поэтому для осуществления деления их ядер необходима дополнительная энергия, которая может быть сообщена им в виде энергии возбуждения попадающих в ядра нейтронов.

Энергия, которую необходимо сообщить ядру для деления, называется пороговой энергией или энергией активации (Е_а). Для промежуточных ядер ²³⁶₉₂U, ²³⁹₉₂U, и ²⁴⁰₉₄Pu она соответственно равна 6, 8; 7,1 и 5,1 МэВ.

Энергия, которую придает ядру бомбардирующая его частица, называется энергией возбуждения (Е_е) ядра.

По капельной теории промежуточных ядер (Н. Бор и Я. И. Френкель), деление атомных ядер по аналогии с делением капель жидкости осуществляется в две стадии и протекает следующим образом.

Ядро, захватившее нейтрон, образует возбужденное промежуточное ядро. Такое ядро обладает энергией, равной сумме его энергии связи, кинетической энергии попавшего нейтрона и энергии частицы, высвобождающейся при образовании промежуточного ядра. Энергия же возбуждения ядра будет равна сумме энергии связи попавшего нейтрона и его кинетической энергии. Эта энергия распределяется между нуклонами ядра, при этом происходит как бы его нагревание (возбуждение). На этом заканчивается первая стадия реакции деления ядра.

Промежуточное ядро существует чрезвычайно малое время (примерно 10^—14 с) и претерпевает последующие превращения, составляющие вторую стадию реакции.

Вследствие возбуждения ядро под действием внутриядерных сил переходит в состояние, подобное состоянию колеблющейся капли жидкости.

В момент разрыва капли-ядра отделяется несколько частиц (нейтронов). На рис. 1.8 приведена схема деления атомного ядра урана-235 под действием нейтрона.

Если энергия возбуждения ядра недостаточна, чтобы довести ядро до состояния перетянутой в центре капли, то ядерные силы возвратят ядро к первоначальной сферической форме, а избыток энергии будет выделен излучением нейтрона или кванта.

Если же возбуждение ядра достаточно велико, электростатические силы отталкивания между двумя полуядрами преодолеют ядерные силы притяжения и ядро разделится на два осколка (см. рис. 1.8.), которые разлетятся с огромной скоростью.

Рис. 1.8. Схема реакции деления ядра урана-235 под действием нейтрона

От избыточных нейтронов осколки освобождаются путем последовательных распадов. Нейтроны, испускаемые осколками ядра при делении делятся на две группы: мгновенные и запаздывающие.

Мгновенные нейтроны (два или три) испускаются осколками немедленно после деления (в промежуток времени около 10^—14 сек). Их энергия достигает 10 МэВ и более, однако большинство мгновенных нейтронов деления обладают энергией 1…2,5 МэВ. Мгновенные нейтроны составляют более 99% от общего числа нейтронов, испускаемых при делении. Остальная небольшая часть (менее 1%) нейтронов, запаздывающих, испускается в продолжение нескольких секунд после акта деления. Их энергия в среднем составляет около 0,5 МэВ.

От остальных (девяти-десяти) избыточных нейтронов осколки деления освобождаются путем последовательных трех-четырех распадов. Каждое осколочное ядро имеет свою цепочку распада.

Радиоактивный распад осколков деления приводит к появлению в делящемся материале большого количества (до 200) новых изотопов, также обладающих большой радиоактивностью. Поэтому операции с отработавшим ядерным топливом являются опасными и выполняются при помощи специальных защитных устройств.

Важнейшим результатом реакций деления ядер является выделение энергии. Исследования показывают, что при делении ²³⁵₉₂U, чаще всего образуются осколки с массовыми числами 95 и 139. Масса атома ²³⁵₉₂U равна 235,124 а.е.м., масса нейтрона 1,0089 а.е.м., массы устойчивых изотопов, соответствующих массовым числам 95 и 139 равны соответственно 94,945 и 138,955 а.е. м. Следовательно, дефект массы на один акт деления ²³⁵₉₂U на два осколка составит 0,215 а.е.м.

Энергия, освобождающаяся при одном акте такого деления, будет равна 0,215х931=200 МэВ. Величина энергии деления ядра ²³⁵₉₂U распределяется по составляющим в соответствии с табл. 1.3.

Таблица 1.3

Распределение энергии реакции деления ядер ²³⁵₉₂U

Исключив энергию нейтрино, равную около 11 МэВ, как безрезультатно покидающую зону реакции и прибавив около 4 МэВ энергии, выделяющейся за счет вторичных эффектов, связанных с радиоактивными превращениями, количество выделяющейся энергии на один акт деления ядра ²³⁵₉₂U можно считать равным 195±5 МэВ.

Полное деление 1 кг ²³⁵₉₂U дает в сутки тепловую мощность, равную 925 МВт, или полное деление 1,08 г дает 1 МВт в сутки.

Таким образом, количество выделяемой энергии при делении (неполном) 1 кг ²³⁵₉₂U более чем в полтора миллиона раз превышает количество энергии, выделяемой при полном сгорании 1 кг нефтяного топлива лучших сортов.

Под полным делением 1 кг ядерного топлива подразумевается деление на осколки всех заключающихся в нем ядер.