20.1: Ядерна стабільність та радіоактивний розпад

Цілі навчання

• Записати і збалансувати ядерні рівняння
• Знати різні види радіоактивного розпаду.
• Збалансувати ядерну реакцію.

Ядерна хімія - це вивчення реакцій, які передбачають зміни ядерної структури. Глава про атоми, молекули та іони ввела основну ідею ядерної структури, що ядро атома складається з протонів і, за винятком\(\ce{^1_1H}\), нейтронів. Нагадаємо, що кількість протонів в ядрі називається атомним номером (\(Z\)) елемента, а сума числа протонів і числа нейтронів - числом маси (\(A\)). Атоми з однаковим атомним номером, але різними масовими числами, є ізотопами одного і того ж елемента. Звертаючись до одного типу ядра, ми часто використовуємо термін нуклід і ідентифікуємо його за позначеннями:

\[ \large \ce{^{A}_{Z}X} \label{Eq1a} \]

де

• \(X\)є символом елемента,
• \(A\)це масове число, і
• \(Z\)це атомний номер.

Часто на нуклід посилається назва елемента, за яким слідує дефіс і число маси. Наприклад,\(\ce{^{14}_6C}\) називається «вуглець-14».

Протони і нейтрони, в сукупності називаються нуклонами, щільно упаковані в ядро. При радіусі близько 10 ⁻¹⁵ метрів ядро досить мале в порівнянні з радіусом всього атома, який становить близько 10 ⁻¹⁰ метрів. Ядра надзвичайно щільні в порівнянні з сипучою речовиною, усереднення\(1.8 \times 10^{14}\) грамів на кубічний сантиметр. Наприклад, вода має щільність 1 грам на кубічний сантиметр, а іридій, один з найщільніших відомих елементів, має щільність 22,6 г/см ³. Якби щільність землі дорівнювала середній ядерній щільності, радіус землі становив би всього близько 200 метрів (фактичний радіус землі - приблизно\(6.4 \times 10^6\) метри, в 30 000 разів більше).

Зміни ядер, що призводять до зміни їх атомних номерів, масових чисел або енергетичних станів, є ядерними реакціями. Для опису ядерної реакції ми використовуємо рівняння, яке ідентифікує нукліди, що беруть участь у реакції, їх масові номери та атомні номери та інші частинки, які беруть участь у реакції.

Ядерні рівняння

Збалансоване рівняння хімічної реакції відображає той факт, що під час хімічної реакції розриваються і утворюються зв'язки, а атоми переставляються, але загальні числа атомів кожного елемента зберігаються і не змінюються. Збалансоване рівняння ядерної реакції вказує на те, що під час ядерної реакції відбувається перестановка, але субатомних частинок, а не атомів. Ядерні реакції також відповідають законам збереження, і вони збалансовані двома способами:

1. Сума масових чисел реагентів дорівнює сумі масових чисел продуктів.
2. Сума зарядів реагентів дорівнює сумі зарядів продуктів.

Якщо атомний номер і масове число всіх, крім однієї, частинок в ядерній реакції відомі, ми можемо ідентифікувати частинку, врівноважуючи реакцію. Наприклад, ми могли б визначити, що\(\ce{^{17}_8O}\) це продукт ядерної реакції,\(\ce{^{14}_7N}\) і\(\ce{^4_2He}\) якби ми знали, що протон\(\ce{^1_1H}\), є одним з двох продуктів. Приклад\(\PageIndex{1}\) показує, як ми можемо ідентифікувати нуклід, врівноважуючи ядерну реакцію.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Balancing Equations for Nuclear Reactions

Реакція α частинки з магнієм-25\( (\ce{^{25}_{12}Mg})\) виробляє протон і нуклід іншого елемента. Визначте новий вироблений нуклід.

Рішення

Ядерну реакцію можна записати так:

\[\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X} \nonumber \]

де

• \(\ce A\)це масове число і
• \(\ce Z\)атомний номер нового нукліду,\(\ce X\).

Тому що сума масових чисел реагентів повинна дорівнювати сумі масових чисел продуктів:

\[\mathrm{25+4=A+1} \nonumber \]

тому

\[ \mathrm{A=28} \nonumber \]

Аналогічним чином заряди повинні балансувати, так:

\[\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber \]

тому

\[\mathrm{Z=13} \nonumber \]

Перевірте таблицю Менделєєва: Елемент з ядерним зарядом = +13 - алюміній. Таким чином, продукт є\(\ce{^{28}_{13}Al}\).

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Нуклід\(\ce{^{125}_{53}I}\) поєднується з електроном і виробляє нове ядро і ніяких інших масивних частинок. Яке рівняння для цієї реакції?

Відповідь

\[\ce{^{125}_{53}I + ^0_{−1}e \rightarrow ^{125}_{52}Te} \nonumber \]

Два загальні види ядерних реакцій - це реакції ядерного розпаду та реакції ядерної трансмутації. У реакції ядерного розпаду, яку також називають радіоактивним розпадом, нестійке ядро випромінює випромінювання і перетворюється в ядро одного або декількох інших елементів. Отримані дочірні ядра мають меншу масу і нижчі за енергією (більш стабільні), ніж розпалося материнське ядро. На відміну від цього, в реакції ядерної трансмутації ядро реагує з субатомною частинкою або іншим ядром, утворюючи ядро продукту, яке є більш масивним, ніж вихідний матеріал. Як ми побачимо, реакції ядерного розпаду відбуваються спонтанно за будь-яких умов, але реакції ядерної трансмутації відбуваються лише в дуже особливих умовах, таких як зіткнення пучка високоенергетичних частинок з цільовим ядром або всередині зірок. Ми починаємо цей розділ з розгляду різних класів радіоактивних ядер, а також їх характерних реакцій ядерного розпаду та випромінювання, яке вони випромінюють.

Реакції ядерного розпаду відбуваються спонтанно за будь-яких умов, тоді як реакції ядерної трансмутації індукуються.

Реакції ядерного розпаду

Подібно до того, як ми використовуємо кількість і тип атомів, присутніх для збалансування хімічного рівняння, ми можемо використовувати кількість і тип нуклонів, присутніх, щоб записати збалансоване ядерне рівняння для реакції ядерного розпаду. Ця процедура також дозволяє передбачити особистість або батьківського, або дочірнього ядра, якщо відома особистість лише одного. Незалежно від способу розпаду загальна кількість нуклонів зберігається у всіх ядерних реакціях.

Щоб описати реакції ядерного розпаду, хіміки розширили\(^A _Z \textrm{X}\) позначення нуклідів, включивши радіоактивні викиди. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено назву та умовне позначення для кожного типу випромінюваного випромінювання. Найбільш помітним доповненням є позитрон, частка, яка має таку ж масу, як електрон, але позитивний заряд, а не негативний заряд.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Викиди ядерного розпаду та їх символи

Ідентичність	Символ	Заряджати	Маса (аму)
гелієве ядро	\(^4_2\alpha\)	+2	4.001506
електрон	\(^0_{-1}\beta\)або\(\beta ^-\)	−1	0.000549
фотон	\(_0^0\gamma\)	—	—
нейтрон	\(^1_0\textrm n\)	0	1,008665
протона	\(^1_1\textrm p \)	+1	1 007276
позитрон	\(^0_{+1}\beta\)або\(\beta ^+\)	+1	0.000549

Як і позначення, що використовуються для позначення ізотопів, верхній лівий верхній верхній індекс у символі частинки дає масове число, яке є загальною кількістю протонів і нейтронів. Для протона або нейтрона A = 1. Оскільки ні електрон, ні позитрон не містять протонів або нейтронів, його масове число дорівнює 0. Однак цифри не слід приймати буквально, оскільки це означає, що ці частинки мають нульову масу; викид бета-частинки (електрона) просто має незначний вплив на масу ядра.

Аналогічно нижній лівий індекс дає заряд частинки. Оскільки протони несуть позитивний заряд, Z = +1 для протона. На відміну від цього, нейтрон не містить протонів і є електрично нейтральним, тому Z = 0. У випадку електрона Z = −1, а для позитрона Z = +1. Оскільки γ промені є високоенергетичними фотонами, і A і Z дорівнюють 0. У деяких випадках для частинок, які ідентичні, але виробляються по-різному, використовуються два різних символу. Наприклад, символ\(^0_{-1}\textrm e\), який зазвичай спрощується до e ^-, являє собою вільний електрон або електрон, пов'язаний з атомом, тоді як символ\(^0_{-1}\beta\), який часто спрощується до β ^-, позначає електрон, що походить зсередини ядра, який є β частинки. Аналогічно\(^4_{2}\textrm{He}^{2+}\) відноситься до ядра атома гелію і\(^4_{2}\alpha\) позначає ідентичну частку, яка була викинута з більш важкого ядра.

Існує шість принципово різних видів реакцій ядерного розпаду, і кожен виділяє різний вид частинок або енергії. Істотні особливості кожної реакції показані на малюнку\(\PageIndex{1}\). Найбільш поширеними є альфа- і бета-розпад і гамма-випромінювання, але інші мають важливе значення для розуміння реакцій ядерного розпаду.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Загальні режими ядерного розпаду

Різні типи розпаду - альфа, бета, позитронна емісія, захоплення електронів, гамма-випромінювання та спонтанне поділ.

\(\alpha\)Альфа-розпад

Багато ядер з масовими числами більше 200 піддаються альфа (α) розпаду, що призводить до викиду ядра гелію-4 у вигляді альфа (α) частинки,\(^4_{2}\alpha\). Загальна реакція виглядає наступним чином:

\[\underset{\textrm{parent}}{^A_Z \textrm X}\rightarrow \underset{\textrm{daughter}}{^{A-4}_{Z-2} \textrm X'}+\underset{\textrm{alpha}\\ \textrm{particle}}{^4_2 \alpha}\label{Eq1} \]

Дочірній нуклід містить на два менше протонів і на два менше нейтронів, ніж батько. Таким чином, емісія α-частинок утворює дочірнє ядро з масовим числом A − 4 та ядерним зарядом Z − 2 порівняно з батьківським ядром. Радій-226, наприклад, піддається альфа-розпаду з утворенням радону-222:

\[^{226}_{88}\textrm{Ra}\rightarrow ^{222}_{86}\textrm{Rn}+^{4}_{2}\alpha\label{Eq2} \]

Оскільки нуклони зберігаються в цій і всіх інших ядерних реакціях, сума масових чисел продуктів, 222 + 4 = 226, дорівнює масовому числу батьківського. Аналогічно сума атомних номерів продуктів, 86 + 2 = 88, дорівнює атомному номеру батька. Таким чином, ядерне рівняння збалансовано.

Подібно до того, як загальна кількість атомів зберігається в хімічній реакції, загальна кількість нуклонів зберігається в ядерній реакції.

\(\beta^-\)Бета-розпад

Ядра, що містять занадто багато нейтронів, часто піддаються бета-( β) розпаду, при якому нейтрон перетворюється в протон і високоенергетичний електрон, який викидається з ядра як β частинка:

\[\underset{\textrm{unstable} \\ \textrm{neutron in} \\ \textrm{nucleus}}{^1_0 \textrm n}\rightarrow \underset{\textrm{proton} \\ \textrm{retained} \\ \textrm{by nucleus}}{^{1}_{1} \textrm p}+\underset{\textrm{beta particle} \\ \textrm{emitted by} \\ \textrm{nucleus}}{^0_{-1} \beta}\label{Eq3} \]

Отже, загальна реакція на бета-розпад

\[\underset{\textrm{parent}}{^A_Z \textrm X}\rightarrow \underset{\textrm{daughter}}{^{A}_{Z+1} \textrm X'}+\underset{\textrm{beta particle}}{^0_{-1} \beta}\label{Eq4} \]

Хоча бета-розпад не змінює масового числа ядра, це призводить до збільшення атомного номера на +1 через додавання протона в дочірньому ядрі. Таким чином бета-розпад зменшує відношення нейтрон-протон, переміщаючи ядро до смуги стабільних ядер. Наприклад, вуглець-14 піддається бета-розпаду з утворенням азоту-14:

\[^{14}_{6}\textrm{C}\rightarrow ^{14}_{7}\textrm{N}+\,^{0}_{-1}\beta \nonumber \]

Знову ж таки, кількість нуклонів зберігається, а заряди збалансовані. Батьківське і дочірнє ядра мають однакове масове число, 14, а сума атомних номерів продуктів дорівнює 6, що збігається з атомним номером батька вуглецю-14.

Позитронна\(\beta^+\) емісія

Оскільки позитрон має таку ж масу, як електрон, але протилежний заряд, позитронна емісія протилежна бета-розпаду. Таким чином, позитронна емісія характерна для бідних нейтронами ядер, які розпадаються шляхом перетворення протона в нейтрон і випромінювання високоенергетичного позитрона:

\[^{1}_{1}\textrm{p}^+\rightarrow ^{1}_{0}\textrm{n}+\,^{0}_{+1}\beta^+\label{Eq6} \]

Отже, загальна реакція на випромінювання позитронів

\[\underset{\textrm{parent}}{^A_Z \textrm X}\rightarrow \underset{\textrm{daughter}}{^{A}_{Z-1} \textrm X'}+\underset{\textrm{positron}}{^0_{+1} \beta^+} \nonumber \]

Як і бета-розпад, позитронна емісія не змінює масового числа ядра. У цьому випадку, однак, атомний номер дочірнього ядра нижче на 1, ніж у батьківського. Таким чином, співвідношення нейтрон-протон збільшилося, знову перемістивши ядро ближче до смуги стабільних ядер. Наприклад, вуглець-11 піддається позитронному випромінюванню з утворенням бор-11:

\[^{11}_{6}\textrm{C}\rightarrow ^{11}_{5}\textrm{B}+\,^{0}_{+1}\beta^+ \nonumber \]

Нуклони консервуються, а заряди балансують. Масове число, 11, не змінюється, а сума атомних номерів продуктів дорівнює 6, така ж, як і атомний номер батьківського нукліду вуглецю-11.

Захоплення електронами

Бідне нейтронами ядро може розпастися або позитронним випромінюванням, або захопленням електронів (ЕС), при якому електрон у внутрішній оболонці реагує з протоном для отримання нейтрона:

\[^{1}_{1}\textrm{p} +\; ^{0}_{-1}\textrm{e}\rightarrow \, ^{1}_{0}\textrm n\label{Eq9} \]

Коли другий електрон рухається від зовнішньої оболонки, щоб зайняти місце електрона нижчої енергії, який був поглинений ядром, випромінюється рентген. Загальна реакція на захоплення електронів, таким чином

\[\underset{\textrm{parent}}{^A_Z \textrm X}+\underset{\textrm{electron}}{^0_{-1} \textrm e}\rightarrow \underset{\textrm{daughter}}{^{A}_{Z-1} \textrm X'}+\textrm{x-ray} \nonumber \]

Захоплення електронів не змінює масового числа ядра, оскільки і протон, який втрачається, і нейтрон, який утворюється, мають масове число 1. Однак, як і у випадку з позитронною емісією, атомний номер дочірнього ядра нижче на 1, ніж у батьківського. Знову ж таки, співвідношення нейтрон-протон збільшилося, перемістивши ядро до смуги стабільних ядер. Наприклад, залізо-55 розпадається шляхом захоплення електронів з утворенням марганців-55, який часто пишуть так:

\[^{55}_{26}\textrm{Fe}\overset{\textrm{EC}}{\rightarrow}\, ^{55}_{25}\textrm{Mn}+\textrm{x-ray} \nonumber \]

Атомні номери батьківського і дочірнього нуклідів відрізняються в рівнянні 20.2.11, хоча масові числа однакові. Щоб написати збалансоване ядерне рівняння для цієї реакції, ми повинні явно включити захоплений електрон в рівняння:

\[^{55}_{26}\textrm{Fe}+\,^{0}_{-1}\textrm{e}\rightarrow \, ^{55}_{25}\textrm{Mn}+\textrm{x-ray} \nonumber \]

Як позитронна емісія, так і захоплення електронів зазвичай спостерігаються для нуклідів з низьким співвідношенням нейтрон-протон, але швидкість розпаду для двох процесів може бути дуже різною.

\(\gamma\)Гамма-випромінювання

Багато ядерних реакцій розпаду виробляють дочірні ядра, які знаходяться в ядерному збудженому стані, який схожий на атом, в якому електрон збуджений до орбіталі вищої енергії, щоб дати електронний збуджений стан. Подібно до того, як електрон в електронному збудженому стані випромінює енергію у вигляді фотона, коли повертається в основний стан, ядро в збудженому стані виділяє енергію у вигляді фотона, коли повертається в основний стан. Ці високоенергетичні фотони є γ променями. Гамма (\(\gamma\)) емісія може відбуватися практично миттєво, як це відбувається при альфа-розпаді урану-238 до торію-234, де зірочка позначає збуджений стан:

\[^{238}_{92}\textrm{U}\rightarrow \, \underset{\textrm{excited} \\ \textrm{nuclear} \\ \textrm{state}}{^{234}_{90}\textrm{Th*}} + ^{4}_{2}\alpha\xrightarrow {\textrm{relaxation}\,}\,^{234}_{90}\textrm{Th} + \ce{^0_0\gamma} \nonumber \]

Якщо знехтувати подією розпаду, яке створило збуджене ядро, то

\[^{234}_{88}\textrm{Th*} \rightarrow\, ^{234}_{88}\textrm{Th} + ^{0}_{0}\gamma \nonumber \]

або загалом,

\[^{A}_{Z}\textrm{X*} \rightarrow\, ^{A}_{Z}\textrm{X} + ^{0}_{0}\gamma \nonumber \]

Гамма-випромінювання також може виникати після значної затримки. Наприклад, технецій-99 м має період напіврозпаду близько 6 годин до випромінювання\(γ\) променя з утворенням технецію-99 (m - для метастабільних). Оскільки γ промені є енергією, їх випромінювання не впливає ні на масовий номер, ні на атомний номер дочірнього нукліду. Тому гамма-випромінювання є єдиним видом випромінювання, який не обов'язково передбачає перетворення одного елемента в інший, хоча це майже завжди спостерігається в поєднанні з деякою іншою реакцією ядерного розпаду.

Спонтанне поділ

Тільки дуже масивні ядра з високими співвідношеннями нейтрон-протон можуть піддаватися мимовільному поділу, при якому ядро розпадається на дві частини, що мають різні атомні номери і атомні маси. Цей процес є найбільш важливим для трансактинідних елементів, з Z ≥ 104. Спонтанне поділ незмінно супроводжується виділенням великої кількості енергії, і воно зазвичай супроводжується викидом декількох нейтронів, а також. Прикладом може служити мимовільне поділ\(^{254}_{98}\textrm{Cf}\), яке дає розподіл продуктів поділу; один можливий набір продуктів показаний в наступному рівнянні:

\[^{254}_{98}\textrm{Cf}\rightarrow \,^{118}_{46}\textrm{Pd}+\,^{132}_{52}\textrm{Te}+4^{1}_{0}\textrm{n} \nonumber \]

Знову ж таки, кількість нуклонів зберігається. При цьому сума масових чисел продуктів (118 + 132 + 4 = 254) дорівнює масовому числу реагенту. Аналогічно сума атомних номерів добутків [46 + 52 + (4 × 0) = 98] така ж, як і атомний номер батьківського нукліду.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Напишіть збалансоване ядерне рівняння, щоб описати кожну реакцію.

1. бета-розпад\(^{35}_{16}\textrm{S}\)
2. розпад\(^{201}_{80}\textrm{Hg}\) шляхом захоплення електронів
3. розпад\(^{30}_{15}\textrm{P}\) за допомогою позитронного випромінювання

Дано: радіоактивний нуклід і режим розпаду

Запитано: збалансоване ядерне рівняння

Стратегія:

A Визначте реагенти та продукти з наданої інформації.

B Використовуйте значення A і Z, щоб визначити будь-які відсутні компоненти, необхідні для збалансування рівняння.

Рішення

а.

A Ми знаємо ідентичності реагенту та одного з продуктів (β частинки). Тому ми можемо почати з написання рівняння, яке показує реагент та один із продуктів та вказує невідомий продукт як\(^{A}_{Z}\textrm{X}\):\[^{35}_{16}\textrm{S}\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X}+\,^{0}_{-1}\beta \nonumber \]

B Оскільки в ядерній реакції повинні бути збережені як протони, так і нейтрони, невідомий продукт повинен мати масове число A = 35 − 0 = 35 і атомний номер Z = 16 − (−1) = 17. Елемент з Z = 17 - хлор, тому збалансоване ядерне рівняння виглядає наступним чином:\[^{35}_{16}\textrm{S}\rightarrow\,^{35}_{17}\textrm{Cl}+\,^{0}_{-1}\beta \nonumber \]

б.

A Ми знаємо ідентичності обох реагентів:\(^{201}_{80}\textrm{Hg}\) і внутрішнього електрона,\(^{0}_{-1}\textrm{e}\). Реакція наступна:\[^{201}_{80}\textrm{Hg}+\,^{0}_{-1}\textrm e\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X} \nonumber \]

B І протони, і нейтрони законсервовані, тому масовий номер твору повинен бути A = 201 + 0 = 201, а атомний номер твору повинен бути Z = 80 + (−1) = 79, що відповідає елементу золото. Таким чином, збалансоване ядерне рівняння\[^{201}_{80}\textrm{Hg}+\,^{0}_{-1}\textrm e\rightarrow\,^{201}_{79}\textrm{Au} \nonumber \]

c.

A Як і в частині (а), нам даються ідентичності реагенту і одного з продуктів - в даному випадку позитрона. Таким чином, незбалансоване ядерне рівняння\[^{30}_{15}\textrm{P}\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X}+\,^{0}_{+1}\beta \nonumber \]

B Масове число другого твору - A = 30 − 0 = 30, а його атомний номер Z = 15 − 1 = 14, що відповідає кремнію. Збалансоване ядерне рівняння для реакції виглядає наступним чином:\[^{30}_{15}\textrm{P}\rightarrow\,^{30}_{14}\textrm{Si}+\,^{0}_{+1}\beta \nonumber \]

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Напишіть збалансоване ядерне рівняння, щоб описати кожну реакцію.

1. \(^{11}_{6}\textrm{C}\)за допомогою позитронного випромінювання
2. бета-розпад молібдену-99
3. емісія частинки α з подальшим гамма-випромінюванням\(^{185}_{74}\textrm{W}\)

Відповідь

\(^{11}_{6}\textrm{C}\rightarrow\,^{11}_{5}\textrm{B}+\,^{0}_{+1}\beta\)

Відповідь d

\(^{99}_{42}\textrm{Mo}\rightarrow\,^{99m}_{43}\textrm{Tc}+\,^{0}_{-1}\beta\)

Відповідь c

\(^{185}_{74}\textrm{W}\rightarrow\,^{181}_{72}\textrm{Hf}+\,^{4}_{2}\alpha +\,^{0}_{0}\gamma\)

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Прогнозуйте, які ядерні зміни зазнає кожен нестабільний нуклід, коли він розпадається.

1. \(^{45}_{22}\textrm{Ti}\)
2. \(^{242}_{94}\textrm{Pu}\)
3. \(^{12}_{5}\textrm{B}\)
4. \(^{256}_{100}\textrm{Fm}\)

Дано: нуклід

Запитано: тип ядерного розпаду

Стратегія:

Виходячи з співвідношення нейтрон до протона і значення Z, прогнозують тип реакції ядерного розпаду, яка буде виробляти більш стабільний нуклід.

Рішення

1. Цей нуклід має відношення нейтрон-протон всього 1,05, що набагато менше, ніж вимога стабільності для елемента з атомним номером в цьому діапазоні. Ядра, які мають низьке співвідношення нейтрон-протон, розпадаються шляхом перетворення протона в нейтрон. Дві можливості - позитронна емісія, яка перетворює протон в нейтрон і позитрон, і захоплення електронів, який перетворює протон і серцевий електрон в нейтрон. При цьому спостерігаються обидва, при цьому випромінювання позитронів відбувається близько 86% часу і захоплення електронів близько 14% часу.
2. Ядра з Z > 83 занадто важкі, щоб бути стабільними і зазвичай піддаються альфа-розпаду, що зменшує як масове число, так і атомний номер. Таким\(^{242}_{94}\textrm{Pu}\) чином, очікується розпад альфа-емісії.
3. Цей нуклід має відношення нейтрон до протона 1,4, що дуже високо для світлового елемента. Ядра з високими співвідношеннями нейтрон до протона розпадаються шляхом перетворення нейтрона в протон і електрон. Електрон випромінюється у вигляді β частинки, а протон залишається в ядрі, викликаючи збільшення атомного номера без зміни числа маси. Тому ми прогнозуємо, що\(^{12}_{5}\textrm{B}\) зазнає бета-розпаду.
4. Це масивний нуклід, з атомним номером 100 і масовим числом набагато більше 200. Нукліди з A ≥ 200 мають тенденцію до розпаду шляхом альфа-емісії, і навіть більш важкі ядра схильні до спонтанного поділу. Тому ми прогнозуємо, що\(^{256}_{100}\textrm{Fm}\) буде занепадати будь-яким або обома цими двома процесами. Насправді він розпадається як спонтанним поділом, так і альфа-емісією, у співвідношенні 97:3.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Прогнозуйте, які ядерні зміни зазнає кожен нестабільний нуклід, коли він розпадається.

1. \(^{32}_{14}\textrm{Si}\)
2. \(^{43}_{21}\textrm{Sc}\)
3. \(^{231}_{91}\textrm{Pa}\)

Відповідь

бета-розпад

Відповідь d

позитронна емісія або захоплення електронів

Відповідь c

альфа-розпад

Серія радіоактивного розпаду

Ядра всіх елементів з атомними номерами більше 83 нестабільні. Таким чином, всі ізотопи всіх елементів за межами вісмуту в таблиці Менделєєва є радіоактивними. Оскільки альфа-розпад зменшує Z лише на 2, а позитронна емісія або захоплення електронів зменшує Z лише на 1, неможливо, щоб будь-який нуклід з Z > 85 розпався до стабільного дочірнього нукліду за один крок, за винятком ядерних поділів. Отже, радіоактивні ізотопи з Z > 85 зазвичай розпадаються на дочірнє ядро, яке є радіоактивним, яке, в свою чергу, розпадається до другого радіоактивного дочірнього ядра тощо, поки остаточно не вийде стабільне ядро. Цей ряд послідовних реакцій альфа- і бета-розпаду називається серією радіоактивного розпаду. Найбільш поширеним є ряд розпаду урану-238, який виробляє свинець-206 в серії 14 послідовних альфа- і бета-реакцій розпаду (рис.\(\PageIndex{2}\)). Хоча ряд радіоактивного розпаду може бути записаний практично для будь-якого ізотопу з Z > 85, тільки два інших відбуваються природним шляхом: розпад урану-235 до свинцю-207 (в 11 кроків) і торію-232 до свинцю-208 (в 10 кроків). Четверта серія, розпад нептунію-237 до вісмуту-209 за 11 ступенів, як відомо, відбулася на первісній Землі. З періодом напіврозпаду «всього» 2,14 мільйона років, весь нептуній-237, присутній при утворенні Землі, давно занепав, і сьогодні весь нептуній на Землі синтетичний.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) A Серія радіоактивного розпаду. Відомо, що в даний час відбуваються три серії радіоактивного розпаду: серія розпаду урану-238, розпад урану-235 до свинцю-207 та розпад торію-232 до свинцю-208.

Графік масового числа проти кількості протонів. Фіолетові лінії - це альфа-розпад, які є лінійними, тоді як зелені лінії бета-розпаду і горизонтальні і паралельні осі x.

Через ці серії радіоактивного розпаду в рудах, що містять уран або торій, виявлені невеликі кількості дуже нестабільних ізотопів. Ці рідкісні, нестабільні ізотопи давно повинні були розпастися до стабільних ядер з меншим атомним номером, і вони більше не будуть знайдені на Землі. Оскільки вони утворюються безперервно при розпаді урану або торію, однак їх кількості досягли стійкого стану, при якому швидкість їх утворення дорівнює швидкості їх розпаду. У деяких випадках велика кількість дочірніх ізотопів може бути використано для того чи іншого матеріалу або виявлення його походження.

Індуковані ядерні реакції

Відкриття радіоактивності в кінці 19 століття показало, що деякі ядра мимовільно перетворюються в ядра з різною кількістю протонів, тим самим виробляючи інший елемент. Коли вчені зрозуміли, що ці природні радіоактивні ізотопи розпадаються, випромінюючи субатомні частинки, вони зрозуміли, що - в принципі - слід здійснити зворотну реакцію, перетворюючи стабільне ядро в інше більш масивне ядро, бомбардуючи його субатомними частинками в реакція ядерної трансмутації.

Перша успішна реакція ядерної трансмутації була проведена в 1919 році Ернестом Резерфордом, який показав, що частинки α, що виділяються радієм, можуть вступати в реакцію з ядрами азоту з утворенням ядер кисню. Як показано в наступному рівнянні, в процесі виділяється протон:

\(^{4}_{2}\alpha + \, ^{14}_{7}\textrm{N} \rightarrow \,^{17}_{8}\textrm{O}+\,^{1}_{1}\textrm{p}\label{Eq17}\)

Експерименти Резерфорда з ядерної трансмутації привели до відкриття нейтрона. Він виявив, що бомбардування ядра легкого елемента-мішені частинкою α зазвичай перетворює цільове ядро в продукт, який мав атомний номер вище на 1 і масове число вище на 3, ніж цільове ядро. Така поведінка узгоджується з викидом протона після реакції з α частинкою. Однак дуже легкі цілі, такі як Li, Be та B, реагували по-різному, випромінюючи новий вид високопроникаючого випромінювання, а не протон. Оскільки ні магнітне поле, ні електричне поле не могли відхилити ці високоенергетичні частинки, Резерфорд дійшов висновку, що вони електрично нейтральні. Інші спостереження припускали, що маса нейтральної частинки була схожа на масу протона. У 1932 році Джеймс Чедвік (Нобелівська премія з фізики, 1935), який в той час був студентом Резерфорда, назвав ці нейтральні частинки нейтронами і запропонував, що вони є основними будівельними блоками атома. Реакція, яку Чедвік спочатку використовував для пояснення виробництва нейтронів, була наступною:

\[^{4}_{2}\alpha + \, ^{9}_{4}\textrm{Be} \rightarrow \,^{12}_{6}\textrm{C}+\,^{1}_{0}\textrm{n}\label{Eq18} \]

Оскільки α частинки і атомні ядра обидва позитивно заряджені, електростатичні сили змушують їх відштовхувати один одного. Тільки α частинки з дуже високою кінетичною енергією можуть подолати це відштовхування і зіткнутися з ядром (рис.\(\PageIndex{3}\)). Нейтрони не мають електричного заряду, однак, тому вони не відштовхуються ядром. Отже, бомбардування нейтронами є набагато простішим способом підготовки нових ізотопів більш легких елементів. Насправді вуглець-14 утворюється природним чином в атмосфері шляхом бомбардування азоту-14 нейтронами, що генеруються космічними променями:

\[^{1}_{0}\textrm{n} + \, ^{14}_{7}\textrm{N} \rightarrow \,^{14}_{6}\textrm{C}+\,^{1}_{1}\textrm{p}\label{Eq19} \]

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Реакція ядерної трансмутації. Бомбардування мішені одного елемента ядрами високої енергії або субатомними частинками може створити нові елементи. Електростатичні відбиття зазвичай перешкоджають зіткненню позитивно зарядженої частинки і реакції з позитивно зарядженим ядром. Однак, якщо позитивно заряджена частинка рухається з дуже високою швидкістю, її кінетична енергія може бути достатньо великою для подолання електростатичних відштовхувань, і вона може зіткнутися з цільовим ядром. Такі зіткнення можуть призвести до реакції ядерної трансмутації.

Приклад\(\PageIndex{4}\)

У 1933 році Фредерік Жоліо та Іран Жоліо-Кюрі (дочка Марі та П'єра Кюрі) підготували перший штучний радіоактивний ізотоп, бомбардуючи алюміній-27 частинками α. Для кожного ²⁷ Al, які відреагували, був випущений один нейтрон. Визначте продукт нукліду і напишіть збалансоване ядерне рівняння для цієї реакції трансмутації.

Задано: реагенти в реакції ядерної трансмутації

Запитано: нуклід продукту та збалансоване ядерне рівняння

Стратегія:

A На основі реагентів і одного продукту ідентифікувати інший продукт реакції. Використовуйте збереження маси і заряду для визначення значень Z і A продукту нукліду і, таким чином, його ідентичності.

B Запишіть збалансоване ядерне рівняння для реакції.

Рішення

A Бомбардування елемента частинками α зазвичай виробляє елемент з атомним номером, який на 2 більше, ніж атомний номер цільового ядра. Таким чином ми очікуємо, що алюміній (Z = 13) буде перетворений в фосфор (Z = 15). При одному виділеному нейтроні збереження маси вимагає, щоб масове число іншого продукту було на 3 більше, ніж масове число мішені. При цьому масове число мішені дорівнює 27, тому масове число вироби буде 30. Таким чином, другий продукт - фосфор-30,\(^{30}_{15}\textrm{P}\).

B Збалансоване ядерне рівняння для реакції виглядає наступним чином:

\[^{27}_{13}\textrm{Al} + \, ^{4}_{2}\alpha \rightarrow \,^{30}_{15}\textrm{P}+\,^{1}_{0}\textrm{n} \nonumber \]

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Оскільки всі ізотопи технецію радіоактивні і мають короткий період напіврозпаду, його в природі не існує. Однак технецій може бути підготовлений реакціями ядерної трансмутації. Наприклад, бомбардування мішені молібдену-96 ядрами дейтерію\((^{2}_{1}\textrm{H})\) виробляє технецій-97. Визначте інший твір реакції і напишіть збалансоване ядерне рівняння для цієї реакції трансмутації.

Відповідь

нейтронні,\(^{1}_{0}\textrm{n}\);\(^{96}_{42}\textrm{Mo} + \, ^{2}_{1}\textrm{H} \rightarrow \,^{97}_{43}\textrm{Tc}+\,^{1}_{0}\textrm{n}\):

Раніше ми відзначали в цьому розділі, що дуже важкі нукліди, відповідні Z ≥ 104, мають тенденцію до розпаду шляхом спонтанного поділу. Нукліди з трохи нижчими значеннями Z, такі як ізотопи урану (Z = 92) і плутонію (Z = 94), не піддаються спонтанному поділу з будь-якою значною швидкістю. Однак деякі ізотопи цих елементів, такі як\(^{235}_{92}\textrm{U}\) і\(^{239}_{94}\textrm{Pu}\) піддаються індукованому ядерному поділу, коли вони бомбардуються відносно низькоенергетичними нейтронами, як показано в наступному рівнянні для урану-235 та на малюнку\(\PageIndex{4}\):

\[^{235}_{92}\textrm{U} + \, ^{1}_{0}\textrm{n} \rightarrow \,^{236}_{92}\textrm{U}\rightarrow \,^{141}_{56}\textrm{Ba}+\,^{92}_{36}\textrm{Kr}+3^{1}_{0}\textrm{n}\label{Eq20} \]

Малюнок\(\PageIndex{4}\) Нейтрон-індукований ядерний поділ. Зіткнення відносно тихохідного нейтрона з розщеплюється ядром може розщепити його на два менших ядра з однаковою або різною масою. Нейтрони також виділяються в процесі, разом з великою кількістю енергії.

Будь-який ізотоп, який може зазнати реакцію ядерного поділу при бомбардуванні нейтронами, називається ділиться ізотопом.

Під час ядерного ділення ядро зазвичай ділиться асиметрично, а не на дві рівні частини, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Більше того, кожна подільна поділ даного нукліду не дає однакових продуктів; наприклад, для урану-235 було визначено понад 50 різних режимів поділу. Отже, ядерне ділення діленого нукліду ніколи не може бути описано одним рівнянням. Замість цього, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\), отримано розподіл багатьох пар продуктів поділу з різною врожайністю, але співвідношення маси кожної пари продуктів поділу, вироблених однією подією поділу, завжди становить приблизно 3:2.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Масовий розподіл продуктів ядерного поділу ²³⁵ U. Ядерний поділ зазвичай виробляє ряд продуктів з різною масою та врожайністю, хоча масове співвідношення кожної пари продуктів поділу від події поділу становить приблизно 3:2. Як показано на цій ділянці, понад 50 різних продуктів поділу відомі для ²³⁵ U. Джерело даних: Т. Р. Англія та Б.Ф. Райдер, Національна лабораторія Лос-Аламоса, LA-UR-94-3106, ENDF-349 (1993).

Синтез трансуранових елементів

Уран (Z = 92) є найважчим природним елементом. Отже, всі елементи з Z > 92, трансурановими елементами, є штучними і були отримані шляхом бомбардування відповідних ядер мішеней меншими частинками. Першим з трансуранових елементів, які потрібно приготувати, був нептуній (Z = 93), який був синтезований в 1940 році шляхом бомбардування мішені ²³⁸ U нейтронами. Як показано в Рівнянні 20.21, ця реакція відбувається в два етапи. Спочатку нейтрон поєднується з ядром ²³⁸ U, утворюючи ²³⁹ U, яке є нестабільним і піддається бета-розпаду, утворюючи ²³⁹ Np:

\(^{238}_{92}\textrm{U} + \, ^{1}_{0}\textrm{n} \rightarrow \,^{239}_{92}\textrm{U}\rightarrow \,^{239}_{93}\textrm{Np}+\,^{0}_{-1}\beta\label{Eq21}\)

Наступний бета-розпад ²³⁹ Np виробляє другий трансурановий елемент, плутоній (Z = 94):

\(^{239}_{93}\textrm{Np} \rightarrow \,^{239}_{94}\textrm{Pu}+\,^{0}_{-1}\beta\label{Eq22}\)

Бомбардування мішені більш масивними ядрами створює елементи, які мають атомні номери значно більше, ніж у цільового ядра (табл.\(\PageIndex{2}\)). Такі прийоми призвели до створення надважких елементів 114 і 116, обидва з яких лежать на «острові стабільності» або поблизу нього.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Деякі реакції, що використовуються для синтезу трансуранових елементів

\(^{239}_{94}\textrm{Pu}+\,^{4}_{2}\alpha \rightarrow \,^{242}_{96}\textrm{Cm}+\,^{1}_{0}\textrm{n}\)
\ (^ {239} _ {94}\ textrm {Pu} +\, ^ {4} _ {2}\ альфа\ стрілка вправо\, ^ {242} _ {96}\ textrm {Cm} +\, ^ {1} _ {0}\ textrm {n}\)» стиль="вирівнювання тексту: виправдання; ">\(^{239}_{94}\textrm{Pu}+\,^{4}_{2}\alpha \rightarrow \,^{241}_{95}\textrm{Am}+\,^{1}_{1}\textrm{p}+\,^{1}_{0}\textrm{n}\)
\ (^ {239} _ {94}\ textrm {Pu} +\, ^ {4} _ {2}\ альфа\ стрілка вправо\, ^ {242} _ {96}\ textrm {Cm} +\, ^ {1} _ {0}\ textrm {n}\)» стиль="вирівнювання тексту: виправдання; ">\(^{242}_{96}\textrm{Cm}+\,^{4}_{2}\alpha \rightarrow \,^{243}_{97}\textrm{Bk}+\,^{1}_{1}\textrm{p}+2^{1}_{0}\textrm{n}\)
\ (^ {239} _ {94}\ textrm {Pu} +\, ^ {4} _ {2}\ альфа\ стрілка вправо\, ^ {242} _ {96}\ textrm {Cm} +\, ^ {1} _ {0}\ textrm {n}\)» стиль="вирівнювання тексту: виправдання; ">\(^{253}_{99}\textrm{Es}+\,^{4}_{2}\alpha \rightarrow \,^{256}_{101}\textrm{Md}+\,^{1}_{0}\textrm{n}\)
\ (^ {239} _ {94}\ textrm {Pu} +\, ^ {4} _ {2}\ альфа\ стрілка вправо\, ^ {242} _ {96}\ textrm {Cm} +\, ^ {1} _ {0}\ textrm {n}\)» стиль="вирівнювання тексту: виправдання; ">\(^{238}_{92}\textrm{U}+\,^{12}_{6}\textrm{C} \rightarrow \,^{246}_{98}\textrm{Cf}+4^{1}_{0}\textrm{n}\)
\ (^ {239} _ {94}\ textrm {Pu} +\, ^ {4} _ {2}\ альфа\ стрілка вправо\, ^ {242} _ {96}\ textrm {Cm} +\, ^ {1} _ {0}\ textrm {n}\)» стиль="вирівнювання тексту: виправдання; ">\(^{252}_{98}\textrm{Cf}+\,^{10}_{5}\textrm{B} \rightarrow \,^{256}_{103}\textrm{Lr}+6^{1}_{0}\textrm{n}\)

Пристрій, званий прискорювачем частинок, використовується для прискорення позитивно заряджених частинок до швидкостей, необхідних для подолання електростатичних відштовхувань між ними та ядрами-мішенями за допомогою електричних та магнітних полів. Операційно найпростішим прискорювачем частинок є лінійний прискорювач (рис.\(\PageIndex{6}\)), В якому пучок частинок нагнітається на одному кінці довгої евакуйованої трубки. Швидке чергування полярності електродів уздовж трубки призводить до того, що частинки по черзі прискорюються до області протилежного заряду і відштовхуються областю з тим же зарядом, що призводить до величезного прискорення, коли частинка рухається вниз по трубці. Сучасний лінійний прискорювач, такий як Stanford Linear Accelerator (SLAC) в Стенфордському університеті має довжину близько 2 миль.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Лінійний прискорювач частинок. (а) Пташиного польоту SLAC, найдовший лінійний прискорювач частинок у світі; загальна довжина тунелю становить 2 милі. (b) Швидке зміна полярності електродів у трубці призводить до того, що заряджені частинки поперемінно притягуються, коли вони потрапляють в одну секцію трубки і відштовхуються, коли вони залишають цю секцію. В результаті частинки безперервно прискорюються по довжині трубки.

Щоб досягти того ж результату в меншому просторі, прискорювач частинок, який називається циклотроном, змушує заряджені частинки рухатися круговим шляхом, а не лінійним. Частинки вводяться в центр кільця і прискорюються, швидко чергуючи полярність двох великих D-образних електродів вище і нижче кільця, що прискорює частинки назовні по спіральному шляху до мети.

Довжина лінійного прискорювача і розмір D-образних електродів в циклотроні сильно обмежують кінетичну енергію, яку частинки можуть досягти в цих пристроях. Ці обмеження можна подолати, використовуючи синхронітрон, гібрид двох конструкцій. Синхротрон містить евакуйовану трубку, подібну до лінійного прискорювача, але трубка кругла і може бути більше милі в діаметрі. Заряджені частинки прискорюються по колу серією магнітів, полярності яких швидко чергуються.

Підсумок та ключовий винос

• Реакції ядерного розпаду відбуваються спонтанно за будь-яких умов і виробляють більш стабільні дочірні ядра, тоді як реакції ядерної трансмутації індукуються і утворюють ядро продукту, яке є більш масивним, ніж вихідний матеріал.

У реакціях ядерного розпаду (або радіоактивного розпаду) материнське ядро перетворюється в більш стійке дочірнє ядро. Ядра із занадто великою кількістю нейтронів розпадаються шляхом перетворення нейтрона в протон, тоді як ядра із занадто малою кількістю нейтронів розпадаються шляхом перетворення протона в нейтрон. Дуже важкі ядра (з A ≥ 200 і Z > 83) нестійкі і мають тенденцію до розпаду, виділяючи частинку α. Коли нестійкий нуклід піддається радіоактивному розпаду, загальна кількість нуклонів зберігається, як і загальний позитивний заряд. Відомо шість різних видів реакцій ядерного розпаду. Альфа-розпад призводить до викиду частинки α і виробляє дочірнє ядро з числом маси\(^4 _2 \alpha\), яке нижче на 4, і атомним номером, який нижчий на 2, ніж материнське ядро. Бета-розпад перетворює нейтрон в протон і випромінює високоенергетичний електрон, виробляючи дочірнє ядро з тим же числом маси, що і батьківський, і атомним номером, який вище на 1. Позитронна емісія є протилежністю бета-розпаду і перетворює протон в нейтрон плюс позитрон. Позитронна емісія не змінює масового числа ядра, але атомний номер дочірнього ядра нижче на 1, ніж батьківського. При електронному захопленні (ЕС) електрон у внутрішній оболонці реагує з протоном для отримання нейтрона, з випромінюванням рентгенівського випромінювання. Масове число не змінюється, але атомний номер дочки нижче на 1, ніж у батьківського. У гамма-емісії дочірнє ядро в ядерному збудженому стані зазнає переходу в стан з нижчою енергією за рахунок випромінювання γ променя. Дуже важкі ядра з високими співвідношеннями нейтрон-протон можуть піддаватися мимовільному поділу, при якому ядро розпадається на дві частини, які можуть мати різні атомні номери і атомні маси з виділенням нейтронів. Багато дуже важких ядер розпаду через ряд радіоактивного розпаду - послідовність деякої комбінації реакцій альфа- та бета-розпаду. У реакціях ядерної трансмутації ядро мішені бомбардують енергійними субатомними частинками, щоб отримати ядро продукту, яке є більш масивним, ніж оригінал. Всі трансуранові елементи - елементи з Z > 92 - є штучними і повинні бути підготовлені реакціями ядерної трансмутації. Ці реакції проводяться в прискорювачах частинок, таких як лінійні прискорювачі, циклотрони та синхронітрони.

Ключові рівняння

альфа-розпад

\[^A_Z \textrm X\rightarrow \, ^{A-4}_{Z-2} \textrm X'+\,^4_2 \alpha \nonumber \]

бета-розпад

\[^A_Z \textrm X\rightarrow \, ^{A}_{Z+1} \textrm X'+\,^0_{-1} \beta \nonumber \]

позитронна емісія

\[^A_Z \textrm X\rightarrow \, ^{A}_{Z-1} \textrm X'+\,^0_{+1} \beta \nonumber \]

захоплення електронів

\[^A_Z \textrm X+\,^{0}_{-1} \textrm e\rightarrow \, ^{A}_{Z-1} \textrm X'+\textrm{x-ray} \nonumber \]

гамма-випромінювання

\[^A_Z \textrm{X*}\rightarrow \, ^{A}_{Z} \textrm X+\,^0_{0} \gamma \nonumber \]