Что такое ядерные реакции?

Что такое проникающая способность излучения?

Проникающая способность излучения определяет состав и толщину эффективно поглощающего его материала.

a-излучение – наименее проникающее. Оно эффективно поглощается слоем воздуха толщиной несколько сантиметров, слоем воды толщиной около 0,1 мм или, например, листом бумаги. b-излучение обладает существенно большей проникающей способностью; чтобы его задержать, нужен, например, слой алюминия толщиной в несколько миллиметров, а пробег b-частиц в биологической ткани достигает нескольких сантиметров. Для g-излучения с энергией свыше 100 кэВ все эти преграды почти прозрачны. Чтобы его задержать, нужен очень толстый (десятки сантиметров и даже метры) слой вещества, обладающего при этом как можно большим атомным номером (например, свинца). Нейтронное излучение, напротив, лучше всего задерживается легкими средами (вода, парафин); при этом эффективность поглощения резко увеличивается при наличии даже небольших количеств некоторых специальных веществ (например, соединений бора).

Сказанное иллюстрируется рис. 6. Нетрудно видеть, что наблюдается простая закономерность: чем выше ионизирующая способность излучения, тем ниже способность проникающая. Это вовсе не случайно – при взаимодействии излучений с веществом основная часть энергии расходуется именно на ионизацию – первичную (для заряженных частиц) или вторичную (для нейтральных).

Проникающую способность излучения не следует путать с его биологической опасностью. Анализ последней, как мы увидим, гораздо более сложен.

Ядерной реакцией называется любой процесс, изменяющий нуклонный состав ядра и/или его энергетическое состояние. Ядерные реакции бывают спонтанными, т. е. протекающими без влияния извне (радиоактивный распад, спонтанное деление), и вынужденными, для протекания которых необходимо внешнее воздействие. По типу энергетического баланса ядерные реакции подразделяются на эндотермические (для протекания которых необходимо поступление энергии извне) и экзотермические(при которых выделяется энергия, уносящаяся другими частицами).

Помимо уже известного нам радиоактивного распада, существует огромное множество типов ядерных реакций, из которых на практике особенно интересны три: реакции деления (под действием нейтронов и спонтанного), реакции синтеза и реакции активации.

Для тяжелых нуклидов (изотопов тория, урана, плутония и элементов с еще большим атомным номером) свойственна реакция ядерного деления под действием нейтронов. Ядро тяжелого элемента, захватив нейтрон, разваливается на два сравнимых по массе ядра с выделением значительного количества энергии (экзотермическая реакция). Совершенно особая роль этой реакции деления в ядерной технике и энергетике обусловлена одновременным испусканием некоторого количества вторичных нейтронов, число которых (в среднем) на акт деления (знаменитое «n») существенно больше единицы (например: 2,41 – для урана-235; 2,89 – для плутония-239; 4 и более – для еще более тяжелых ядер). Нетрудно понять, что это явление может быть положено в основу самоподдерживающейся цепной реакции ядерногоделения, лавинообразно охватывающей все новые и новые тяжелые ядра. В установках, где реализуется такая реакция, – взрывная (атомная бомба) или управляемая (атомный реактор) – совокупность этих ядер является делящимся, или расщепляющимся, материалом, а с учетом необходимых добавок и технологического исполнения – ядерным топливом. Однако для протекания цепной реакции ядерногоделения нужно соблюдение многих условий, и в первую очередь достижение некоторого порогового компактного количества расщепляющегося материала – критической массы. Для изолированной сплошной сферы из плутония-239 значение критической массы составляет около 15 кг, для урана-235 при аналогичных условиях – примерно 50 кг. Вообще же значение критической массы чрезвычайно сильно зависит от очень многих обстоятельств.

Рисунок 6. Проникающая способность излучений

Вторичные ядра, образующиеся в ходе протекания реакции деления с развалом тяжелых ядер, называются осколками, илипродуктами, деления. При делении урана или плутония с различной, но хорошо известной вероятностью может образовываться около 1000 типов этих новых ядер, причем большая их часть (свыше 90 %) радиоактивна. Именно продуктами деления являются такие печально знаменитые радионуклиды, как стронций-90, цезий-137 и йод-131.

Следует отчетливо понимать, что собственная радиоактивность расщепляющегося материала (урана, плутония) не имеет ни малейшего отношения к их использованию в качестве ядерного топлива. Заметим, что вещества на основе элементов легче тория расщепляющимся материалом для практической реализации цепной реакции деления не могутбыть никогда и ни при каких условиях. При этом вопрос об их стабильности или радиоактивности не играет абсолютно никакой роли. Поэтому, читая в газетах о попытке кражи, например, цезия-137 с намерением впоследствии продать его в качестве ядерного материала для создания атомной бомбы, испытываешь лишь оторопь от легкомыслия крадущего (помереть ведь может!) и безграмотности пишущего (если он к намерению сделать такую бомбу относится всерьез), но никак не чувство озабоченности.

Тяжелые ядра, начиная с урана, способны делиться не только под действием нейтронов, но и самопроизвольно, «по собственной инициативе». Такая ядерная реакция называется спонтанным делением. Обладая всеми рассмотренными ранее особенностями реакции деления (образование двух осколков, множественность вторичных нейтронов), она тем не менее считается одним из типов уже знакомого нам радиоактивного распада и характеризуется тем же экспоненциальным законом. Для a-активного урана спонтанное деление – явление исключительно редкое: в уране-238 статистически один такой случай приходится почти на 5 • 108«нормальных» a-распадов. Однако, чем тяжелее ядро, тем выше значимость спонтанного деления, а для наиболее тяжелых оно становится главным или даже единственным типом распада, в конце концов вообще препятствуя образованию очень тяжелых ядер как единых, связанных систем.

В противоположность тяжелым, легкие ядра имеют склонность к «слипанию». При взаимодействии, например, двух ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) образуется новое стабильное ядро (гелий-4) и опять-таки выделяется значительное количество энергии. В этом случае речь идет о реакциях синтеза. Именно им мы обязаны решительно всем, поскольку они лежат в основе энергетики нашего Солнца (и других звезд), но эта же реакция реализуется и в самом разрушительном оружии всех времен – термоядерном.

Наконец, третий интересный для нас тип ядерной реакции – захват ядром нейтрона с образованием нового нуклида, обычно радиоактивного, – реакция активации. Речь при этом не случайно идет именно о нейтроне. Во-первых, он легко «внедряется» в ядро-мишень: нейтрон не имеет заряда, на него не действуют неизбежные в противном случае кулоновские силы. Во-вторых, эксплуатируемые ядерные реакторы являются мощнейшими источниками именно нейтронов (а на исследовательских ядерных реакторах интенсивные потоки и пучки нейтронов вообще являются единственной продукцией), что позволяет нарабатывать искусственные радионуклиды в значительных (промышленных) количествах. Продуктом нейтронной активации является, например, широко используемый в изотопных технологиях кобальт-60 (g-излучатель с периодом полураспада 5,27 года).

Что такое схема распадарадионуклида?

Любой радионуклид распадается, испуская только свойственные именно ему ядерные излучения в статистически вполне определенном количестве. Например, при распаде ста ядер цезия-137 испускается сто b-частиц, восемьдесят пять g-квантов с энергией 662 кэВ и семь g-квантов с энергией 32 кэВ. Все, ничего больше. Не могут при распаде этого нуклида образоваться ни a-частица, ни нейтрон, как не могут измениться только что приведенные числа. Так же обстоит дело со всеми другими радионуклидами. Разумеется, полная физическая картина распада любого радионуклида намного сложнее, и для ее наглядного представления существуют особые схемы, построенные в общепринятых обозначениях, – они-то и называются схемами распада. Однако в прикладных исследованиях по радиационной физике под схемой распада обычно имеют в виду совокупность типов, интенсивностей и энергий ионизирующих излучений разного рода, свойственных распаду именно данного радионуклида.

Дата добавления: 2015-07-13