Лайнус Полинг, Питер Полинг - Химия
Изучено множество ядерных реакций разных типов. Самопроизвольный распад радиоактивных изотопов представляет собой ядерную реакцию, в которой исходным является одно ядро. Известны и другие ядерные реакции, при которых протон, дейтрон, альфа-частица, нейтрон или фотон (обычно гамма-лучи) реагируют с ядром атома. Продуктами ядерной реакции могут быть тяжелое ядро и протон, электрон, дейтрон, альфа-частица, нейтрон, два или несколько нейтронов или гамма-лучи. Кроме того, существует и такой важный класс ядерных реакций, при которых очень тяжелое ядро в результате присоединения нейтрона становится неустойчивым и делится на две части сопоставимых размеров, испуская при этом несколько нейтронов. Этот процесс деления уже упоминался в гл. 19 и более подробно описан в следующем разделе данной главы.
Приводимые ниже примеры радиоактивного распада подтверждают, сколь различными могут быть пути распада неустойчивых ядер:
| Период полураспада | |
|---|---|
| $${}^{3}_{1}\mathrm{H}_2 \longrightarrow e^{-} + {}^{3}_{2}\mathrm{He}_1 + \bar{\nu}$$ | 12,26 лет |
| $${}^{148}_{64}\mathrm{Gd}_{84} \longrightarrow \alpha^{2+} + {}^{144}_{62}\mathrm{Sm}_{82}$$ | 130 лет |
| $${}^{15}_{8}\mathrm{O}_7 \longrightarrow \bar{e}^{+} + {}^{15}_{7}\mathrm{N}_8 + \nu$$ | 124 с |
| $${}^{37}_{18}\mathrm{Ar}_{19} + e^{-} \longrightarrow {}^{37}_{17}\mathrm{Cl}_{20} + \nu$$ | 35,0 дней |
| $${}^{5}_{3}\mathrm{Li}_2 \longrightarrow p^{+} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}_2$$ | 10−21 с |
| $${}^{5}_{2}\mathrm{He}_3 \longrightarrow n + {}^{4}_{2}\mathrm{He}_2$$ | 2·10−21 с |
Реакции первых двух типов обнаружены для многих тяжелых радиоактивных нуклидов. Испускание альфа-частиц наблюдалось также для многих богатых нейтронами нуклидов редкоземельных элементов. Третья реакция — испускание позитрона — происходит в случае наиболее богатых нейтронами нуклидов, многие из которых распадаются также путем захвата электрона (четвертая реакция). (Захват электрона считается спонтанным распадом, поскольку электроны всегда доступны в атоме для захвата; захватываются s-электроны, главным образом 1s-электроны; они являются единственными электронами с конечной вероятностью у ядра.) Последние две реакции, испускание протона и нейтрона, происходят чрезвычайно редко.
Большинство процессов бета-распада (как e+, так и e−) сопровождается сразу наступающим вслед за ними испусканием гамма-лучей. Бета-распад может приводить к образованию ядер в каком-либо одном или в различных возбужденных состояниях с переходом в нормальное состояние путем испускания гамма-лучей. Простой пример показан на рис. 20.10. Обширная информация об энергетических уровнях ядер получена в результате измерения длин волн фотонов (гамма-лучей) и определения максимальной кинетической энергии бета-лучей (максимум соответствует нулевой энергии для нейтрино).
Ядерные реакции возникают при бомбардировке ядер фотоном, нейтронами, протонами, дейтронами, тритонами (3H+), трелионами (3He2+), гелионами (альфа-частицами) или более тяжелыми ядрами. Примером может служить образование изотопа 32P при бомбардировке обычного фосфора 31P дейтронами с энергией 10 МэВ
$${}^{31}_{15}\mathrm{P}_{16} + {}^{2}_{1}\mathrm{H}_1 \longrightarrow {}^{32}_{15}\mathrm{P}_{17} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}_0$$
Ядерные реакции обычно записывают сокращенно, например:
$${}^{31}\mathrm{P}\,(d,\,p)\,{}^{32}\mathrm{P}$$
Символ (d, p) означает, что бомбардирующей (воздействующей) частицей является дейтрон, а испускаемой частицей — протон. Ниже приведены примеры других ядерных реакций этого общего типа:
Рис. 20.10. Бета-распад ядер 38Cl, сопровождающийся испусканием трех видов гамма-лучей.
| $${}^{6}\mathrm{Li}\,(n,\,\alpha)\,{}^{3}\mathrm{H}$$ | $${}^{11}\mathrm{Be}\,(d,\,p)\,{}^{12}\mathrm{Be}$$ |
| $${}^{7}\mathrm{Li}\,(n,\,\gamma)\,{}^{8}\mathrm{Li}$$ | $${}^{11}\mathrm{Be}\,(t,\,p)\,{}^{13}\mathrm{Be}$$ |
| $${}^{9}\mathrm{Be}\,(n,\,p)\,{}^{9}\mathrm{Li}$$ | $${}^{10}\mathrm{B}\,(p,\,2n)\,{}^{9}\mathrm{C}$$ |
| $${}^{9}\mathrm{Be}\,(d,\,2p)\,{}^{9}\mathrm{Li}$$ | $${}^{10}\mathrm{B}\,(p,\,\gamma)\,{}^{11}\mathrm{C}$$ |
| $${}^{6}\mathrm{Li}\,(d,\,n)\,{}^{7}\mathrm{Be}$$ | $${}^{10}\mathrm{B}\,(\alpha,\,n)\,{}^{13}\mathrm{N}$$ |
| $${}^{10}\mathrm{B}\,(p,\,\alpha)\,{}^{7}\mathrm{Be}$$ | $${}^{23}\mathrm{Na}\,(p,\,3n)\,{}^{21}\mathrm{Mg}$$ |
| $${}^{6}\mathrm{Li}\,({}^{3}\mathrm{He},\,n)\,{}^{8}\mathrm{B}$$ | $${}^{141}\mathrm{Pm}\,({}^{12}\mathrm{C},\,4n)\,{}^{149}\mathrm{Tb}$$ |