Ядерные реакции

Ядерные реакции - это превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом. Написание уравнений таких реакций основано на законах сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме масс и сумме зарядов в правой части уравнения. Например,

²⁷₁₃Al + ⁴₂He = ³⁰₁₄Si + ¹₁H

Это уравнение показывает, что при взаимодействии атома алюминия с α-частицей образуются атом кремния и протон. Радиоактивный распад радия с образованием радона и гелия следует записать так:

²²⁶₈₈Ra = ²²²₈₆Rn + ⁴₂He

Впервые искусственно ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. бомбардировкой ядер атомов азота α-частицами:

¹⁴₇N + ⁴₂He = ¹⁷₈O + ¹₁H

В результате ядерной реакции произошло превращение азота в кислород с выделением протона.

После создания циклотрона (1930) открыто и исследовано большое число всевозможных ядерных реакций.

Более употребительна краткая запись ядерных реакций. Вначале записывают химический знак исходного ядра, затем (в скобках) кратко обозначают частицу, вызвавшую реакцию, и частицу, образовавшуюся в результате реакции, после чего ставят химический знак конечного ядра. При этом у символов исходного и конечного ядер обычно проставляются только массовые числа, так как заряды ядер легко определять по периодической системе элементов Менделеева. Сокращенная запись рассмотренных ранее ядерных реакций следующая:

²⁷Al(α, p)³⁰Si;      ¹⁴N(α, p)¹⁷O;      ²²⁶Ra(-, α)²²²Rn,

где α - обозначение α-частицы (⁴₂He); p - протона (¹₁H); черточка обозначает отсутствие действующей частицы в случае радиоактивного распада.

С помощью радиоактивных реакций получают изотопы, обладающие радиоактивностью (радиоактивные изотопы). Все они неустойчивы и в результате радиоактивного распада превращаются в изотопы других элементов.

Радиоактивные изотопы получены для всех химических элементов. Их известно около 1500. Элементы, состоящие только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивными. Это элементы с Z = 43, 61 и 84-107.

Стабильных (нерадиоактивных) изотопов известно около 300. Из них состоит большинство химических элементов периодической системы. У некоторых элементов наряду со стабильными имеются и долгоживущие радиоактивные изотопы. Это ⁴⁰₁₉K, ⁸⁷₃₇Rb и др.

По химическим свойствам радиоактивные изотопы почти не отличаются от стабильных. Поэтому они служат в качестве "меченых" атомов, позволяющих по изменению их радиоактивности следить за поведением всех атомов данного элемента и за их передвижением. Радиоактивные изотопы широко применяются в научных исследованиях, в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, биологии и химии. В настоящее время их получают в больших количествах.

Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или в форме энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется главным образом в форме теплоты. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Это объясняется неразрушимостью ядер атомов при протекании химических реакций.

Трансурановые элементы - химические элементы, расположенные в периодической системе за ураном (с атомным номером Z ≥ 93). Ядерные реакции широко используются для синтеза трансурановых элементов. Работы в этой области проводились в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. Там впервые были синтезированы элементы с порядковыми номерами 102, 103, 104, 105, 106, 107. Велись работы по синтезу элементов с более тяжелыми ядрами.