Основы радиохимии и радиоэкологии

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет имени В.Н.Каразина

А. П. Красноперова

_____________________________________________________________

Основы радиохимии и радиоэкологии

Учебное пособие для вузов

Харьков

2010

УДК 541.28

Рецензенты: зав. кафедрой

Доктор Коваленко

Красноперова А. П.

Основы радиохимии и радиоэкологии: Учебное пособие для вузов.-

Харьков: Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина

Предисловие

Немного открытий найдется на памяти человечества, которые так круто меняли бы его судьбу, как открытие явления радиоактивности.

Оно помогло раскрыть сложную внутреннюю структуру атома, что привело к пересмотру коренных представлений об окружающем нас мире, к ломке устоявшейся классической картины мира. Квантовая механика была создана специально для объяснения явлений, происходящих внутри атома. Это в свою очередь вызвало пересмотр и развитие математического аппарата физики, изменило лицо самой физики, химии и ряда других наук. Пожалуй, трудно назвать сейчас область науки и техники, на которую не повлияло бы открытие явления радиоактивности.

Это открытие по своему значению так велико, что ХХ век стали называть «атомным веком». Самые современные отрасли промышленности обязаны своим возникновением радиоактивным атомам, и в первую очередь, конечно, атомная энергетика и связанная с ней атомная промышленность.

Радиохимия- ровесница века, получившего название «атомный», одна из тех отраслей знаний, которые в большой степени определили научный и технический прогресс прошлого века. Радиохимии принадлежит ведущая роль в технологии получения новых элементов и новых изотопов, которые находят применение в самых различных областях науки и техники, а также в изучении их физико-химических свойств и поведения в различных средах.Если в начале 900-х годов, к моменту зарождения радиохимии, было известно всего несколько десятков естественно радиоактивных элементов и их изотопов, то сейчас их более 1500, включая значительное число изотопов искусственных элементов.

Настоящее учебное пособие возникло в результате обобщения материала курса лекций по основам радиохимии и радиоэкологии, читаемых автором в Харьковском национальном университете им. В. Н. Каразина на протяжении нескольких лет. Учебное пособие написано в соответствии с программой курса, утвержденной методическим советом химического факультета

Предлагаемая книга написана в виде учебного пособия для вузов и охватывает широкий круг вопросов, относящихся к современной радиохимии и радиоэкологии.

Правила отбора учебного материала для основ радиохимии как общехимической дисциплины, его основную ориентацию, круг выбранных тем, глубину их изложения, были обусловлены тем фактором, что слушатели данного курса после окончания химического факультета не обязательно будут работать в радиохимических лабораториях.

В связи с этим блок лекций по радиохимии содержит сведения общекультурного характера, отвечающие минимальному образовательному цензу, который должен предъявляться выпускнику химического факультета любого университета.

Книга состоит из двух частей. Первая часть посвящена рассмотрению основ радиохимии, вторая - основ радиоэкологии.

В первой главе кратко изложена история радиохимии, ее значение и место среди других разделов химии. Вторая и третья главы посвящены физическим основам радиохимии. Сюда входят сведения о строении ядерной материи, о закономерностях и видах радиоактивного распада, о ядерных излучениях и их взаимодействии с электронной оболочкой и ядром, о ядерных реакциях,

В книге отдельные главы посвящены основным вопросам общей радиохимии: поведению ультрамалых концентраций радиоактивных веществ в различных в растворах, так как именно в таких количествах получаются радионуклиды по ядерным реакциям и в результате распада ядер. В таких же концентрациях радионуклиды содержатся в объектах окружающей среды.

Особое внимание уделено вопросам разделения и очистки радиоактивных изотопов, их идентификации, а также химическим проблемам ядерной энергетики, ядерного топливного цикла и захоронения радиоактивных отходов, что непосредственно примыкает к радиоэкологической части курса.

Опираясь на полученные знания, будущий химик, не имея непосредственного касательства к радиохимии, должен уметь при необходимости корректно поставить задачу, осмыслить полученную информацию и принять правильное решение.

Втора часть учебника посвящена вопросам радиоэкологии. Неблагоприятная радиоэкологическая обстановка в некоторых регионах страны, заметный вес ядерной энергетики в общем энергетическом хозяйстве (5 атомных станции), использование радиоактивных источников в научных исследованиях и медицине, ряд серьезных факторов социально-психологического характера, в частности, широко распространенная радиофобия, заставляют высшую школу обратить внимание на радиоэкологическую грамотность населения. С этой целью в разделе, посвященном основам радиоэкологии, основное внимание уделяется вопросам действия ионизирующего излучения на живые организмы, источники поступления и миграции радиоактивных веществ в окружающей среде.

В книге рассматриваются проблемы безопасной работы атомных станций.

Известно, что одной из основных проблем, возникающих при работе атомных станций, является проблема захоронения радиоактивных веществ, образующихся в результате деления ядерного горючего. Этому вопросу посвящен специальный раздел учебника. Анализируется авария на Чернобыльской АЭС и ее воздействие на окружающую среду.

Серьезное внимание уделяется в курсе нормированию воздействия радиации на живые организмы, физическим и химическим методам защиты от внутреннего и внешнего облучения.

Книга рассчитана на студентов химических и смежных специальностей вузов, а также может быть полезна для специалистов в области химии, биологии, ядерной физики и для всех тех, кто интересуется химией и проблемами выживания человечества в сложных экологических условиях.

ГЛАВА 1. История, предмет и задачи радиохимии

1.1 История радиохимии

Возникновение радиохимии как науки связано с открытием первых естественных радиоактивных элементов и изучением их свойств.

Все началось с открытия немецким физиком Конрадом Рентгеном в 1895 году неизвестного излучения, способного беспрепятственно проникать через различные вещества. К. В. Рентген однажды заметил явление: при прохождении тока высокого напряжения через газоразрядную трубку начинал светиться лежащий на столе экран, покрытый тонким слоем платино-цианистого бария. Возникшее излучение он назвал Х-лучами, которые впоследствии стали называть рентгеновскими. Это историческое открытие было сделано в лаборатории Вюрцбургского университета.

Рис. К. В. Рентген

Заслуга Рентгена состоит в том, что он не только увидел необычное явление, но и попытался дать ему научное объяснение. Современники по достоинству оценили открытие и изучение свойств нового излучения. В 1901 году В. К. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике. Сегодня мы понимаем, что открытие Рентгена было не просто выдающимся, оно распахнуло дверь в новый таинственный мир, полный неожиданностей, загадок и неведомых для человека и всего живого на земле последствий.

За этим гениальным открытием последовал ряд не менее важных следующих одно за другим открытий. Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований Рентгена.

Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

Весной 1896 А. Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана. Для проверки этого предположения он поместил различные фосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получил неожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка с которой соприкасался кристалл соли урана.

Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Сообщения А. Беккереля на современников большого впечатления не произвели, так как всех больше интересовали всепроникающие Х лучи,открытые Рентгеном. Анри Беккерель оставляет свои исследования и начинает заниматься эффектом Зеемана. Исследования А. Беккереля продолжила его ученица Мария Склодовская-Кюри и ее муж физик Пьер Кюри. В 1898 г.

Рис. Анри Беккерель

Пьер и Мария Кюри обнаружили, что источником лучей Беккереля может быть не только уран, но и торий. Это жепрактически одновременно с ними обнаружил немецкий физик Герхардт Шмидт. Результаты, полученные независимо в двух лабораториях, указывали, что свойство испускать такие лучи есть более широкое явление, чем первоначально предполагалось. Свойство излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистрации применять более удобный электрический метод, что значительно ускорило процесс исследований. Мария Кюри вводит новый термин «радиоактивность» как самопроизвольные превращения атомов химического элемента с испусканием излучения. Начатый Пьером и Марией Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана.Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Переработав несколько тонн урановой руды, и используя в качестве носителей барий и висмут, они получили два очень радиоактивных осадка: сернокислый барий и гидроокись висмута. В сернокислом барии был найден новый химический элемент, аналог щелочноземельных металлов, названный М. Кюри радием.

Во втором осадке был обнаружен ранее неизвестный элемент, названный в честь родины Марии Кюри полонием. Для получения новых элементов, содержащихся в руде, был разработан новый радиохимический метод носителей, заключающийся в том, что микроколичества этих элементов соосаждались с весовым количеством осадков - носителей. В поисках радиоактивных элементов, содержащихся в урановой руде, зародились первые методы радиохимии, зародился новый раздел химии - радиохимия

Рис.1.1 Мария и Пье р Кюри в лаборатории

При этом указываются два пути идентификации новых радиоактивных элементов: химический (осаждение с носителем стабильных элементов) и физический (по изменению физических характеристик веществ под действием излучения). С этого момента изменилось отношение к открытому Анри Беккерелем явлению. Следует отметить, что свое открытие супруги Кюри не запатентовали, а опубликовали научную статью. Это дало толчок к дальнейшему исследованию явления радиоактивности учеными различных лабораторий и стран.

И так, выдающиеся исследования Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри заложили основы новой области знаний, возникшей на границе физики и химии.

По мере изучения явления радиоактивности и свойств радиоактивных веществ отчетливо начали вырисовываться два тесно взаимодействующих направления исследований в этой области. Одно из них - чисто физическое, изучало природу и свойства радиоактивности, законы радиоактивных превращений и т.д. Развитие этого направления привело к возникновению ядерной физики.

Другое направление первоначально ставило своей основной задачей исследование химической природы радиоактивных веществ и продуктов их превращений. Развитие этого направления привело к развитию радиохимии.

В истории развития радиохимии можно выделить два периода: ранний ( 1898-1933 г. г.) и современный (с 1934 г. и по настоящее время). Каждый из периодов характеризуется качественно различными объектами изучения, процессами, лежащими в основе получения этих объектов, а также круг явлений и проблем, на которых в тот момент концентрировалось основное внимание исследователей.

Раний период характеризуется:

- возникновением и становлением радиохимии как науки, открытием естественных радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов( П. и М. Склодовская-Кюри Кюри, О. Хан, Л. Мейтнер, Г. Дебьерн,1898-1899);

- установлением природы радиоактивности и основных законов радиоактивного распада (М. Склодовская-Кюри и П. Кюри, Ф. Содди, Э. Резерфорд, 1900-1903);

установлением закономерностей изменения химической природы элементов в результате радиоактивного распада и формулировкой закона сдвига ( Ф. Содди и К. Фаянс, 1909-1912);

- открытием и изучением явления изотопии (Ф. Содди, А. Флек, 1911-1913;)

размещением радиоактивных элементов в периодической системе(Ф. Содди и К. Фаянс,1913) и формированием представлений о естественных радиоактивных рядах;

открытием первой ядерной реакции (Э. Резерфорд,1919);

открытием и исследованием процессов изотопного обмена (Д. Хевеши, 1920);

изучением поведения радиоактивных элементов, находящихся в субмикроколичествах, в различных физико-химических процессах и формулировкой правил определяющих их поведение в при выделении твердых фаз из растворов ( К. Фаянс, П. Бэр ,Ф .Панет, А. П. Ратнер, Т. Сведберг, О. Ган и др., 1913-1926);

установлением количественных закономерностей управляющих процессами сокристаллизации ничтожно малых количеств радиоактивных элементов (О. Ган, В. Г. Хлопин, А. Дернер, Д. Хоскинс, 1924-1933);

открытием нейтрона ( Дж.Чэдвик,1932);

разрабтокой термодинамической теории изоморфной сокристаллизации и адсорбции радиоактивных нуклидов (А. П. Ратнер, 1933);

открытием явления радиоколлоидообразования и исследованием электррохимического поведениярадиоактивных нуклидов (Ф. Панет, Т. Годлевский, И. Е. Старик, М. Гайсинский, 1913-1933);

В результате этих исследований возникли такие разделы радиохимии как общая радиохимия, химия радиоактивных элементов и прикладная радиохимия.

Современный период развития радиохимии начался с 1934 г. Все достижения этого периода связаны с открытием супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри явления искусственной радиоактивности.

Рис. 1. 2. Ирен и Фредерик Жолио_Кюри в лаборатории

В эти же годы были созданы ускорители заряженных частиц: циклотроны, бетатроны, ускорители Ван - де - Граафа. Эти устройства позволили получить радиоактивные изотопы многих элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Возникла область радиохимии, направленная на химическое изучение ядерных реакий и выделение получаемых радиоактивных продуктов.

Важнейшие события этого периода развития радиохимии:

открытие искусственной радиоактивности и радиохимическая идентификация радиоактивных нуклидов, возникающих в результате протекания ядерных реакций (И. и Ф. Жолио- Кюри, 1934);

открытие и изучение химических эффектов, индуцируемых радиационным захватом нейтронов и радиохимическая идентификация продуктов возникающих при этом ( Л. Сциллард, Т. Чалмерс, 1934);

открытие явления деления под действием медленных нейтронов ядер урана -235 и радиохимическая идентификация образующихся нуклидов (О. Ган, Ф. Штрассман, 1939);

открытие спонтанного деления урана ( Г.Н. Флеров и К.А. Петржак, 1940);

идентификация первого искусственно полученного радиоактивного элемента-технеция ( К. Перрье, Э. Сегре, 1937). Открытие и радиохимическое изучение франция ( М. Перей, 1939)и астата ( Д. Корсон, К. Маккензи, Э. Сегрэ, 1940);

создание первых технологических схем производства плутония и возникновение ядерной энергетики( 1940- 1954);

исследование химических последствий при изомерных переходах и в результате бета-распада атомов в составе молекулярных систем (В. Д. Нефедов, М. А. Торопова, Е.Н. Синотова, 1953-1984);

- синтез и изучение свойств трансурановых элементов( Э. Мак- Миллан, П. Абельсон, Г. Сиборг, 1940) и создание актиноидной теории (Г.Сиборг, 1945-1949);

получение и радиохимическое изучение трансактиноидных элементов вплоть до № 110. Исследования в области сверхтяжелых элементов (Г. Н. Флеров, И. Звара, Ю. Ц. Оганесян, Г. Сиборг, А. Гиорсо, с 1962…)

Благодаря исследованиям, выполненным в этот период, получили интенсивное развитие все ранее сложившиеся области радиохимии и возникли новые области, такие как ядерная химия и химия процессов индуцированных ядерными превращениями. Этот период характеризуется практической реализацией наиболее важных достижений радиохимии.

1.2 Предмет и задачи радиохимии

Термин «радиохимия» был впервые введен английским химиком А. Камероном в 1910г. Камерон определял радиохимию как раздел науки изучающий природу и свойства радиоактивных элементов и продуктов их распада.

В 1911 г. выдающийся английский радиохимик Ф. Содди дал радиохимии определение как науки, которая «занимается преимущественно свойствами продуктов радиоактивных превращений, их разделением и идентификацией». Как следует из истории развития радиохимии, определения А. Камерона и Ф. Содди отвечали уровню ее развития в то время.

В 50-е годы советским ученым Н. Е. Стариком была предложена формулировка: «Радиохимия есть область химии, в которой изучаются химические и физико-химические свойства радиоактивных изотопов».

Современное определение радиохимии: «Радиохимия - область химии, изучающая химию радиоактивных изотопов, элементов и веществ, их физико-химические свойства, ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические процессы».

Из этого определения следует, что одной из основных задач радиохимии является исследование химических свойств радиоактивных элементов, не имеющих стабильных изотопов.

С одной стороны, эта задача является общехимической, поскольку каждый элемент обладает индивидуальными химическими свойствами, определяемыми его электронной структурой.

С другой стороны целый ряд особенностей поведения и исследования элементов, не имеющих стабильных изотопов, делает необходимым выделение этой области химии в самостоятельную область знаний

В настоящее время можно выделить четыре основных раздела радиохимии:

1. Общая радиохимия,

2. Химия ядерных превращений,

3. Химия радиоактивных элементов,

4. Прикладная радиохимия.

Общая радиохимия изучает физико-химические закономерности поведения радиоактивных изотопов и элементов.

К этому разделу радиохимии относится изучение состояния радиоактивных изотопов в ультрамалых концентрациях в растворе, газе и твердой фазе, распределение их между фазами в процессах соосаждения, адсорбции, ионного и изотопного обмена, электрохимия радиоактивных элементов.

Химия ядерных превращений (ядерная химия) изучает продукты ядерных превращений и ядерных реакций на изотопном, элементном и молекулярном уровнях. Ядерная химия включает также методы получения, концентрирования и выделения радиоактивных нуклидов, а также химических превращений под действием собственного излучения (авторадиолиз).

Химия радиоактивных элементов - это химия технеция, прометия, астата, урана, тория и продуктов их распада - полония, родона, франция, радия, актиния и протактиния, трансурановых элементов, а также мезоатомов и водородоподобных атомов - мюония, позитрония. К этому разделу условно можно отнести технологию ядерного оружия.

Прикладная радиохимия занимается широким кругом вопросов и включая: химию ядерного горючего, радиохимию АЭС, получение естественных и искусственных активных элементов, изотопов, и синтез меченых ими соединений, применение радиоактивных нуклидов в науке и промышленности в качестве радиоактивных индикаторов и в приборах неразрушающего контроля, экологические проблемы.

Радиационная химия изучает химические превращения в системах при воздействии на них ионизирующих излучений. Радиационная химия близко соприкасается с радиохимией, но не составляет предмета последней. Но поскольку радиохимики и радиоэкологи имеют дело с радиоактивными системами, рассмотрение основных вопросов радиационной химии вполне уместно в курсе радиохимии и радиоэкологии.

1.3 Особенности радиохимии

Характерные особенности радиохимии, отличающие ее от других разделов химии, вытекают из общего свойства всех объектов ее изучения- радиоактивности. Это свойство делает неприменимым одно из фундаментальных положений классической химии- неизменяемость природы химического элемента.

Наиболее важные аспекты явления радиоактивности, обусловливающие особенности радиохимии:

1. Ограниченность времени существования подавляющего большинства радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов;

2. Принципиально иная природа процессов, происходящих в радиоактивных нуклидах, и обусловленные этим огромные масштабы энергетических изменений;

3. Изменение химической природы элемента в результате радиоактивных превращений.

В отличие от объектов исследования классической химии, часть объектов, изучаемых в радиохимии, существует кратковременно. Отсюда в ходе радиохимических исследований исключительно важной становится роль фактора времени (необходимость тщательного планирования эксперимента и отработки всех стадий исследования, использование экспрессных методик и т. д.) С этой особенностью связано также акцентирование внимания на определенных изотопах исследуемого элемента.

Ограниченность времени существования объектов радиохимии влечет за собой необходимость проводить исследования с исключительно малыми количествами и концентрациями радиоактивных веществ.

Необходимость работы с малыми концентрациями диктуется не только не невозможностью получения ряда некоторых радиоактивных элементов в сколько-нибудь значительных количествах, но чрезвычайно большими энергетическими эффектами, сопутствующими радиоактивным превращениям. Эти эффекты на 5-6 порядков превышают соответствующие изменения при обычных химических реакциях.

Характерной особенностью радиохимии является то, что она изучает состояния и законы поведения ультрамалых количеств вещества и имеет свои собственные методы исследования.

Необходимость проведения исследований с ничтожно малыми количествами вещества влечет, в свою очередь за собой целый ряд следствий и прежде всего подверженность радиоактивных элементов сильнейшему влиянию процессов, которые при работе с весовыми количествами веществ не играют сколько - нибудь заметной роли (адсорбция, коллоидообразование).

Физико-химические процессы, происходящие в системах, включающих радиоактивные элементы, несравнимо более сложны, чем в случае стабильных элементов.

Возможность проведения радиохимических исследований с чрезвачайно малыми количествами вещества определяется очень высокой чувствительностью методов детектирования радиоактивных нуклидов

1.4 Значение радиохимии

Значение радиохимии, как и любой науки, определяется влиянием, которое она оказала и оказывает на научно- технический прогресс. Прежде всего, радиохимия сыграла огромную роль в разработке теоретических и экспериментальных основ ядерной промышленности. На основе радиохимических исследований, сделан целый ряд открытий, таких как естественная радиоактивность, превращаемость элементов, ядерная изомерия, изотопия, искусственная радиоактивность и деление тяжелых ядер. Значительная роль принадлежит радиохимии в открытии и получении новых элементов.

Бурное развитие радиохимических исследований, связанное с работами по использованию ядерной энергии, применением радиоактивных изотопов в качестве индикаторов во многих областях науки и техники, а также в приборах неразрушающего контроля вывело радиохимию из ограниченной области знания в разряд ведущих дисциплин.

Одной из важных особенностей радиохимии как пограничной науки является ее высокая продуктивность, обусловленная синтезом идей и методов химии и физики.

1.5 Радиохимия и экология

Радиактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших количествах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях ядерной энергетики и оборонной промышленности. Попадая в окружающую среду они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.

Определение содержания радиоактивных веществ в окружающей среде, наблюдение за путями распространения в ней различных радионуклидов, изучение миграции их по пищевым цепям и проникновения в организм животных и человека, составляют задачу одного из разделов экологии- радиационной экологии.

Радионуклиды, попадающие в окружающую среду, в основном находятся в ультрамалых концентрациях. Поэтому для определения, и в особенности для выделения радиоактивных компонентов, требуется предварительное концентрирование исследуемых радиоактивных веществ, иногда из очень больших объемов первоначального материала. Так, для определения ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁸U, ²³² Th в морской воде требуется отбирать пробы объемом 200-500 л. Изучение концентрации продуктов деления в воздухе нередко требует фильтрации 10⁵ м³ воздуха для получения одной пробы.

Одной из задач радиохимии является исследование форм нахождения радионуклидов в изучаемых объектах.

Поэтому очень важны исследования состояния радионуклидов в почвах, в различных организмах, в воде, особенно в океане, который постепенно становится источником пищевых ресурсов человека.

Радиохимия дает в руки радиоэкологов методы определения малых концентраций радионуклидов.

Глава 2. Физические основы радиохимии

2.1 Элементарные частицы

За последние несколько десятилетий в физику «вошел» новый материальный мир - мир элементарных частиц.

Элементарными частицами называются мельчайшие составные части материи, которые при современном состоянии знания не могут быть разложены на более мелкие частицы. Некоторые из них были открыты в космических лучах, но большинство было создано искусственно с помощью мощных ускорителей заряженных частиц - главнейшего экспериментального орудия физики элементарных частиц. На протяжении всей истории развития естественных наук ученые искали « кирпичики мироздания», то есть неделимые первичные частицы (элементарные частицы), из различных сочетаний которых построен материальный мир.

На определенном этапе развития науки роль этих частиц довольно успешно выполняли атомы. Однако открытие Дж. Дж. Томсоном в 1895 г. электрона, Х-лучей Рентгеном и радиоактивности развенчало представление об атоме как элементарной частице. После открытия в 1932 г. нейтрона Дж. Чедвиком и создания протонно-нейтронной модели структуры ядра Резерфордом элементарными частицами были признаны электрон, протон и нейтрон.

В настоящее время открыто множество других элементарных частиц. Полный список элементарных частиц и античастиц насчитывает сотни названий. Число их значительно больше, чем число химических элементов в таблице Менделеева. Сейчас уже не подлежит сомнению, что многие частицы сами имеют сложную структуру. Например, протон и нейтрон - составные частицы атомного ядра- построены сами из « более элементарных частиц», тем не менее, исторически сложившееся название «элементарные частицы» продолжает существовать. Трудно сказать, есть ли какой-нибудь критерий «элементарности» данной частицы. Однако элементарные частицы, несомненно, имеют такие общие свойства, которые качественно отличают их от сложных частиц или от макроскопических тел.

К общим свойствам элементарных частиц относятся:

1. У многих элементарных частиц существуют свои двойники (частица и античастица). Они имеют одинаковые значения массы, спина и других характеристик, но отличаются знаком электрического заряда. Например, пары: электрон-позитрон, протон- антипротон.

2. Элементарные частицы способны к аннигиляции, одновременному исчезновению при столкновениях с превращением всей их энергии покоя в энергию других частиц или фотонов. Например, при столкновении электрона с позитроном обе эти частицы исчезают и появляются два фотона, которые обычно разлетаются в разных направлениях,

e? + e+ =2 г

3. Основными характеристиками элементарных частиц являются их заряд, масса покоя, механический момент (спин) и магнитный момент; для нестабильных элементарных частиц указываются дополнительно время жизни и тип распада.

Массы покоя всех известных в настоящее время частиц лежат в интервале от 0 до 2600 m_e (1330 МэВ). Массу покоя обычно выражают в единицах массы покоя электрона m_e или единицах энергии (МэВ). Масса покоя легчайшей частицы- электрона, эквивалентна энергии 0,52 МэВ, тогда как масса покоя наиболее тяжелых частиц превышает 2·10³ МэВ. Обычно массу электрона m_e принимают за единицу измерения массы покоя всех других частиц.

Все известные элементарные частицы в зависимости от их массы покоя можно разделить на три группы ( таблица 2.1):

1. Частицы с массой покоя m ? m_e называются лептонами. К лептонам относятся электроны, позитроны, нейтрино, мюоны. К лептонам причисляют также фотоны. Масса покоя фотона равна нулю. Электрон и позитрон - самые легкие заряженные частицы. Масса электрона m_e = 5,48·10^-4а.е.м(0,52 МэВ). Все лептоны кроме мюонов абсолютно устойчивы. Самыми тяжелыми лептонами являются мюоны. Мюоны распадаются со средним временем жизни около 2·10П⁶с на другие лептоны( электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино).

м? > e? + нЮ_е + н_м

м+ > e+ + н_е + нЮ_м,

где н_е и н_м - электронное и мюонное нейтрино, а нЮ_е и нЮ_м - электронное и мюонное антинейтрино. Электронные и мюонные нейтрино являются самыми легкими из лептонов. Не имея массы покоя и не взаимодействуя электрическими и ядерными силами с другими частицами, нейтрино обладают исключительной проникающей способностью. Представление о нейтрино было введено итальянским физиком Энрико Ферми в 1934 г. для объяснения кажущейся потери энергии и углового момента при бета- распаде ядер. В 1956 г. впервые удалось зарегистрировать ядерные реакции, обусловленные нейтрино.

Тогда же было установлено, что есть две разновидности нейтрино: электронное и мюонное, и каждое из них отличается от соответствующей античастицы. Первые реакции, вызванные нейтрино были обнаружены с электронными антинейтрино, которые испускаются из активной зоны ядерного реактора при превращении избыточных нейтронов в протоны в осколках деления ядер урана или плутония. При энергии выше 1,8 Мэв антинейтрино попав на протон, может вызвать реакцию обратную бета-распаду

нЮ_е+ p⁺ >n + e⁺

Образовавшиеся позитроны аннигилируют с электронами с образованием двух гамма-квантов, которые при прохождении через сцинтилляторы вызывают две вспышки. Эти вспышки света можно зарегистрировать.

До сих пор не было ни малейшего намека на существование внутренней структуры у лептонов.

2. Частицы с массой покоя m_e< m < 1000m_e относятся к мезонам. Мезонами называются все сильно взаимодействующие между собой и нуклонами частицы. Мезоны рождаются при столкновении нуклонов или при распаде «возбужденных» состояний нуклонов. Мезоны сильно различаются по величине внутренней энергии и среднему времени жизни. Например, пионы обладают внутренней энергией от 134,9 до 135,6 Мэв, а среднее время жизни изменяется от 2,6·10^-8 с до 1,8·10^-16с. Среднее время жизни омега - мезонов составляет 10^-22 -10^-23 с, внутрення энергия - 783 Мэв.

3. Частицы с массой покоя m >1000m_e относятся к барионам (адронам). Барионы делятся на две группы: нуклоны с массой покоя m?1836-1839 m_e и гипероны, масса которых превышает 2000 m_e.

К нуклонам относятся протоны и нейтроны. Протон - стабильная частица - представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени. Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада 12,5 мин. В атомном ядре нейтроны могут существовать вечно.

Гипероны рождаются при столкновении пионов высокой энергии с нуклонами. Гипероны - более тяжелые частицы, чем нуклоны и взаимодействуют между собой и нуклонами. Среднее время жизни гиперонов 10^-10 с. Испуская пионы, гамма-кванты и лептоны они превращаются в протоны. Регистрируют гипероны с помощью пузырьковых камер или в толстых слоях фотоэмульсий. В пузырьковой камере в перегретой жидкости на пути движения заряженной частицы вследствие ионизации образуются пузырьки, фотографируя которые можно фиксировать путь движения частицы. Обычно он составляет 1-2 см.

Мезоны и все барионы (за исключением протонов) являются нестабильными частицами со временем жизни от 10^-20 до 2.10^-6с.

Таблица 2.1 Элементарные частицы

Группа частиц	Элементарные частицы	Обозна- чение	Заряд	Масса покоя (МэВ)	Распад	Среднее время жизни, с
Лептоны	фотоны	г	0	0	-	?
	Нейтрино	н	0	<2·10-4	-	?
	Антинейтрино	нЮ	0	0	-	?
	Электрон: негатрон позитрон
		e?, ?	e-	0.511	-	?
		e+, +	e+		-	?
	Мюоны	м+	e+	105.7	e++ н + нЮ	2,20·10-6
		м?	e+		e?+ н + нЮ
Мезоны	Пионы	р+	e+	139.6	м++ н	2,55·10-8
		р?	e-		м?+ нЮ
		р0	0	135.0	2г	1,1·10-16
	К- частица Каоны	К+	е+	493.8	м++ н, р+ р0, р+ р+ р?	1.24·10-8
		К-	е-
		К	0	497.8	р+ р? р0 р0	0,89·10-10
		К	0		рeр , р+ р? р0	5.2·10-8
Барионы	Нуклоны	Протон	р+	e+	938.25	-	?
		Антипротон	р?	e-
		Нейтрон	n	0	939.55	р++e?+ нЮ	1,013·103
		Антинейтрон	Пn	0		р?+ e++ н
	Гипероны	Ламда-частица	Л0	0	1115.4	р++ р?(65%) n+ р0(35%)	2,4·10-10
		Сигма-частица	У+	+e	1189.2	р++ р0(~50%) n+ р+ (~50%)	0,77·10-10
			У0	0	1192.4	Л0+ н	<10-11
			У ?	e+	1197.3	n+ р?	1,61·10-10
		Кси-частица	О ?	e-	1321.0	Л0+ р?	1,7·10-10
			О0	0	1314.7	Л0+ р0	2,7·10-10
		Омега-частица	Щ?	e-	1675	О+ р Л+Кчаст.	1,3·10-10

В природе процессы рождения элементарных частиц происходят при взаимодействии с веществом быстрых частиц из состава космического излучения или ускоренных искусственно в специальных установках- ускорителях.

Удивительная особенность элементарных частиц состоит в том, что хотя ни одна частица не может считаться построенной из других элементарных частиц, все они способны к взаимным превращениям. Существует всего несколько четко очерченных типов фундаментальных взаимодействий, которым подвержены элементарные частицы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Они, прежде всего, резко отличаются интенсивностью, но для них различны также и радиусы действия и присущие им внутренние симметрии. Любая элементарная частица может рождаться и погибать в результате сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий с другими частицами. Самым интенсивным и наиболее симметричным является сильное взаимодействие. Оно лежит в основе ядерных сил, действующих между частицами, входящими в состав атомных ядер,- протонами и нейтронами. Именно оно обусловливает структуру ядра. Частицы, подверженные сильному взаимодействию получили название адронов ( греч. «крупный, массивный). Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях, меньше или равном 10^-15 м ; на больших расстояниях сильное взаимодействие не проявляется. К группе адронов относятся входящие в состав ядра протоны и нейтроны, а также большие совокупности мезонов, гиперонов и резонансов. В сильном взаимодействии не участвуют лептоны - группа частиц со спином ?: электрон (е), мюон (м), тау-лептон(ф) и соответствующие нейтрино ,, .Фотоны участвуют только в электромагнитных взаимодействиях. Электромагнитному взаимодействию подвержены также все заряженные частицы. По интенсивности оно в сто раз уступает сильному взаимодействию, но зато радиус его действия не ограничен, как радиус сильного взаимодействия.

В последние годы были открыты новые частицы и выдвинуты предположения о существовании некоторых бесструктурных частиц - кварков, из которых возможно, состоят все известные элементарные частицы. Однако обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

2.2 Протонно-нейтронный состав ядер

Выдающееся открытие Д. И. Менделеевым в 1869 году периодического закона изменения химических свойств элементов послужило руководящей нитью в исследовании структуры атома. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева впервые нашли отражение сложность структуры атома и значимость массового числа А и порядкового номера Z элемента.

В 1911 году Э. Резерфорд обнаружил существование атомного ядра и обосновал планетарную теорию строения атома, согласно которой, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг ядра электронов, компенсирующих заряд ядра.

В 1913 году Нильс Бор выдвинул квантовую теорию строения электронных оболочек атомов. В последующие годы модель атома Резерфорда- Бора уточнялась и конкретизировалась.

Гипотеза Резерфорда была подтверждена экспериментально Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа - частиц при прохождении через различные вещества. Установленный закон рассеяния альфа- частиц позволял определять величину заряда ядер атомов данного элемента, так как интенсивность рассеяния зависит от квадрата заряда ядра. Заряды ядер были впервые определены именно методом рассеяния альфа- частиц, и в результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона. Впоследствии это предположение было подтверждено Мозли, который исследовал рентгеновские спектры элементов. В 1932 г. Д. Иваненко и одновременно с ним В. Гейзенберг впервые высказали предположение, что атомные ядра всех химических элементов имеют сложное строение и состоят из элементарных частиц двух типов: протонов и нейтронов. Вместе протоны и нейтроны атомного ядра называют нуклонами (т.е. ядерные частицы nucleus).

Важнейшими характеристиками протонов и нейтронов, как и других элементарных частиц, являются: масса покоя, заряд, спин (собственный механический момент движения) и среднее время жизни.

Протон (р) несет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Нейтрон(n) - также элементарная частица, масса которого лишь на 0.1% больше массы протона, а электрический заряд равен нулю. Массы протона и нейтрона выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.) 1а.е.м. равна 112 массы изотопа углерода^-12 и составляет [(1,660350,0003)10^-24г]:

m_p = 1,00728а.е.м. = 1,672•10^-27кг = 1836 m.е.

m_n = 1,00866а.е.м. = 1,675•10^-27к = 1838 m.e.

Протон - стабильная частица - представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени.

Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино:

n = p⁺ + e^- +

И протон, и нейтрон обладают собственным моментом количества движения ( спином), равным в единицах .

Кроме механического момента, протон обладает собственным магнитным моментом: _0 =  (магнетон Бора), который имеет положительный знак и направлен в ту же сторону, что и спин. Оказалось, что измеренный собственный магнитный момент протона в 2,8 раза больше теоретического.

Еще большей неожиданностью оказалось наличие магнитного момента у нейтрона, так как в целом он не имеет электрического заряда.

Объяснение того, что собственный магнитный момент протона почти в 3 раза больше теоретического, а у нейтрона обнаружен магнитный момент, следует искать в их собственной структуре, которая как оказалось только относительно элементарна.

Как показали эксперименты по рассеянию очень быстрых электронов, атомными ядрами нуклоны имеют сложную внутреннюю структуру и не могут претендовать на роль истинно элементарных (бесструктурных) частиц. Согласно теории Юкавы основная часть массы нуклона (например, у нейтрона-75%) содержится в «ядре» большой плотности и радиусом около 2.10^-16 м. «Ядро» окружают концентрические оболочки (мантии), образованные двумя быстрыми р - мезонами. Протон и нейтрон содержат положительный и отрицательный электрические заряды; в нейтроне они оба представлены в равных количествах, поэтому средний заряд нейтрона равен нулю, в протоне же имеется излишний положительный заряд.

Рис. Юкава

2.3 Свойства атомного ядра

Важнейшими характеристиками ядра являются их заряд, масса и размеры.

2.3.1 ЗАРЯД, ЧИСЛО НУКЛОНОВ И МАССА ЯДРА

Заряд атомного ядра равняется количеству протонов в ядре, которое совпадает с порядковым номером элемента (Z) в таблице Д.И. Менделеева. Заряды ядер были впервые определены Резерфордом в 1911 г. методом рассеяния альфа- частиц атомными ядрами.

Рис. Эрнест Резерфорд

В результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона.

В 1913 г. Мозли предложил для определения Z более простой способ определения заряда ядра. Исследовав рентгеновские спектры элементов, Мозли установил зависимость частоты н характеристического рентгеновского излучения от порядкового номера элемента Z:

н = const(Z-1)²

Таким образом, экспериментально было установлено, что заряд ядра, выраженный в единицах элементарного заряда, численно совпадает с порядковым номером элемента.

Заряд ядра, в силу нейтральности атома, в свою очередь определяет количество электронов в атоме. Поэтому в конечном итоге можно сделать вывод о том, что химические свойства атома определяются зарядом ядра и не зависят от его массы.

Другой важной характеристикой атомного ядра является его масса.

Массы атомных ядер, выраженные в обычных единицах массы, весьма малы и их обычно выражают в других единицах. В ядерной физике за одну атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 часть массы нейтрального изотопа углерода ¹²С, равной 12,000000 а.е.м. Значение а.е.м. в граммах составляет 1,66•10^-24 г= 1,66•10^-27 кг. Точные значения атомных масс экспериментально определяются с помощью масс-спектрометрической техники.

Так как, согласно уравнению Эйнштейна,

Е=mc² (2.1)

масса эквивалентна энергии, массу ядра можно выразить вместо атомных единиц массы в единицах энергии, принимая, что

1 а.е.м.=1,4923•10^-10 Дж=931,5 Мэв.

Массу ядра следовало бы вычислять как сумму масс протонов и нейтронов, которые составляют ядро. Однако точное определение массы ядра показало, что экспериментально полученные значения массы всегда меньше значений, вычисленных как сумма масс частиц, составляющих ядро.

При изучении строения ядра следует различать два понятия: масса ядра, выражаемая в атомных единицах массы (а.е.м.) и число нуклонов А. Число нуклонов А равно сумме протонов и нейтронов в ядре.

А= (p +n) (2.2)

Значения А и Z являются главнейшими характеристиками ядра, определяющими его природу.

И так, символ Z и его числовое значение одновременно обозначают следующие физические величины:

1. Число протонов в атомном ядре;

2. Электрический заряд ядра;

3. Число электронов на всех оболочках атома;

4. Порядковый номер элемента в таблице периодического закона Д.И. Менделеева.

2.3.2 РАЗМЕРЫ ЯДЕР

Первое измерение размеров ядра было выполнено Резерфордом в 1911 году по рассеянию альфа- частиц на ядрах. В дальнейшем были разработаны и другие методы измерений размеров ядра, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) атомными ядрами.

При анализе опытов по рассеянию заряженных частиц или по поглощению нейтронов под радиусом ядра понимается такое расстояние от его центра, на котором помимо сил кулоновского отталкивания, начинают действовать специфические ядерные силы, вызывающие притяжение частицы к ядру. Проведенные измерения показали, что ядра атомов всех элементов имеют размеры порядка 10^-15?10^-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома. Все упомянутые методы позволяют определить то расстояние R от центра ядра, в пределах которого действуют ядерные силы.

Если ядро в первом приближении считать шарообразным, то согласно экспериментальным данным, его радиус

R=r₀ МA^1/3, (2.3)

где А - число нуклонов в ядре, r₀ - постоянная величина равная (1,2-1,5) М10^-15м. Если считать, что объем ядра приблизительно равен

V= R³, (2.4)

тогда объем V пропорционален массовому числу -A, стало быть, плотность ядра является константой =A/V, т. е. плотности всех ядер примерно одинаковы. Это указывает на практическую несжимаемость ядерного вещества и плотную упаковку нуклонов в ядре.

2.3.3 ИЗОТОПЫ, ИЗОБАРЫ, ИЗОТОНЫ

Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.

Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” ( число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,

Х,H, Ba, U, Na

В зависимости от содержания нуклонов нуклиды могут быть объединены в различные группы: изотопы, изобары, изотоны.

Изотопными нуклидами (изотопами) называются нуклиды, имеющие одинаковое число протонов. Они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Так, например, изотопы

U ,U,U, U, U

являются изотопами одного и того же элемента урана (Z= const).

Поскольку изотопы имеют одинаковое число протонов и одинаковое строение электронных оболочек, то они являются атомами близнецами- их химические свойства практически совпадают. Исключение составляют изотопы водорода - протий Н, дейтерий D, тритий Т, которые из-за слишком большого относительного различия атомных масс существенно отличаются по физико-химическим свойствам (таблица 2.1 ).

Таблица 2.1 Сравнение свойств обычной и тяжелой воды

№ п.п.	Свойства	Н2О	D2O
1	Температура кипения, 0С	100	101,4
2	Критическая температура, 0С	374,2	371,5
3	Плотность жидкости при 298,15 К, кг/ дм3	997	1105
4	Диэлектрическая проницаемость при 298,15 К	78,5	78,3
5	Температура максимальной плотности, 0С	3,96	11,6
6	Температура плавления, 0С	0	3,82
7	Плотность льда в точке плавления, кг/ дм3	918	1015

Химические превращения с тяжелым водородом происходят медленнее, чем с его легким изотопом.

Изотонными нуклидами (изотонами) называют нуклиды с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов. Примеры изотонов: Са и Тi, которые относятся к разным нуклидам. Термин этот употребляется крайне редко.

Изобарами называют разновидность нуклидов, ядра которых имеют разное число и протонов и нейтронов, но имеют одинаковое число нуклонов. Пример изобаров: Тi и Са.

Поэтому можно сказать, что нуклиды с одинаковым числом протонов- это разные изотопы одного элемента; нуклиды с одинаковым числом нуклонов- это изобары; нуклиды с одинаковым числом нейтронов - изотоны.

2.4 Энергия ядра

Энергия является одной из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохране6ния энергии позволяет делать точные расчеты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными. Применительно к ядру рассмотрим несколько различных форм энергии.

2.4.1 ЭНЕРГИЯ ПОКОЯ

В соответствии с теорией относительности массе атома m можно сопоставить полную энергию покоя

Е₀=mc²

Если в этой формуле с выражать в метрах на секунду, а m в килограммах, то Е₀ получится в джоулях. Обозначим через m₀ единицу атомной массы, выраженную в килограммах: m₀= 1,66•10^-27 кг. Тогда m= m₀А_r и Е₀= А_{r ·}m₀ c² . Величину m₀ c² легко вычислить в джоулях, а затем в электрон-вольтах: m₀ c²= 931,5 Мэв. Отсюда

Е₀= 931,5А_r. (2.6)

Здесь А_rотносительная атомная масса, Е₀полная энергия покоя атома, МэВ.

2.4.2 ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА

Известно, что любая система стремится перейти в состояние с наименьшим запасом энергии. Это заключение термодинамики применимо и к таким микроскопическим образованиям, как атомные ядра. Исходя из этого, суммарная энергия нуклонов, взятых порознь, должна быть больше энергии ядра, состоящего из того же числа нуклонов.