Предисловие

Данное учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 240501 «Химическая технология материалов современной энергетики» и основано на курсах ядерной физики, которые в течение многих лет изучались в РХТУ им. Д.И. Менделеева и Озерском технологическом институте - филиале МИФИ. К сожалению, учебные пособия по данной дисциплине для студентов-химиков отсутствуют, а пособия, выпущенные для физиков (например, Мухин К.М. Экспериментальная ядерная физика. Т. 1. Физика атомного ядра. – М., различных годов издания), используют математический аппарат, выходящий далеко за пределы математической подготовки студентов данной специальности. Поэтому необходимость издания учебного пособия по ядерной физике для студентов-химиков была осознана уже в течение длительного времени.

Особенностью пособия является большой вводный раздел, посвященный истории развития учения о радиоактивности. На наш взгляд, современный инженер с вузовским образованием по данной специальности должен хотя бы в небольшом объеме знать историю развития учения о радиоактивности. Это поможет ему избежать некоторых ошибок, связанных с разделением ядерной физики и ядерной химии, которое произошло лишь в середине 20 века. Первые ученые в этой области умели сочетать обширные знания по физике с умением поставить химический эксперимент. Недаром Мария Кюри является единственным ученым, которому были присуждены нобелевские премии и по физике, и по химии.

Далее, в учебное пособие включены стандартные разделы по строению ядра, радиоактивному распаду, ядерным реакциям и взаимодействию радиоактивных излучений с веществом. Несомненно, что без знания этих разделов невозможно подготовить специалиста в области радиохимии и химической технологии материалов современной энергетики. Завершается пособие 3 разделами, посвященными измерениям ионизирующих излучений и статистической обработке экспериментальных данных.

Следует отметить, что в учебном пособии отсутствуют разделы, связанные с делением ядра в ядерном реакторе. В силу специфики подготовки специалистов в двух вузах, эти разделы изучаются студентами в отдельных курсах в разном объеме и с различным акцентированием. К тому же эти разделы не связаны так тесно с последующим курсом радиохимии.

Не рассматриваются в пособии и вопросы радиационной безопасности и защиты от ионизирующих излучений. На наш взгляд, они тесно связаны с курсом радиохимии, где и должны изучаться.

Глава 1. История развития учения о радиоактивности

Открытие явления радиоактивности относится к числу трех важнейших открытий конца 19 столетия, вызвавших революцию в естествознании: открытие рентгеновских лучей, явления радиоактивности и открытие электрона. Первым из них является открытие Вильгельмом К. Рентгеном в 1895 году Х-лучей. Изучая явления разряда в газоразрядных трубках с применением люминесцентных индикаторов, В.К. Рентген заметил свечение флюоресцентных тел, находящихся на значительном удалении от работавшей газоразрядной трубки, причем даже в тех случаях, когда трубка была закрыта бумагой или картоном. Так были открыты Х-лучи. В скором времени Рентгеном было обнаружено фотографическое действие Х-лучей – возможность получения четких фотографий предметов, невидимых в обычных лучах.

Рис. 1. Вильгельм Рентген Рис. 2. Антуан Беккерель

(27.03.1845-10.11.1923) (15.12.1852 -25.08.1908)

Это открытие побудило других ученых искать в природе источники других лучей. Одним из них был французский физик Анри Беккерель, изучавший фосфоресценцию различных веществ, в том числе и урановых солей. Изучая люминесцентные свойства двойного сульфата уранила и калия (K₂UO₂(SO₄)₂∙2H₂O), он обнаружил, что данное вещество, обладающее флуоресцентными свойствами, испускает излучение независимо от предварительного воздействия солнечного света. Констатация этого факта, случившаяся 1 марта 1896 года, обычно рассматривается как открытие явления радиоактивности. Опытами с различными солями урана, а также с чистым ураном А. Беккерель показал, что источником новых лучей является уран. В 1898 году не зависимо друг от друга Г. Шмидт (Германия), а также Мария и Пьер Кюри установили, что свойством испускать подобные лучи обладают торий и его соединения.

Рис. 3. Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) и Пьер Кюри (1859-1906) – выдающиеся ученые в области физики и химии, внесли ценнейший вклад в создание учения о радиоактивности; открыли новые радиоактивные элементы: полоний и радий и исследовали их свойства. Пьер Кюри – лауреат Нобелевской премии по физике, Мария Склодовская-Кюри дважды получила Нобелевскую премию: по физике и химии/

В 1898 году Пьер и Мария Кюри обнаружили, что некоторые урановые минералы являются более активными, чем металлический уран. Это послужило основанием для предположения о наличии в урановых минералах неизвестных радиоактивных элементов. И в этом же году супруги Кюри сообщили об открытии нового радиоактивного элемента – полония (названного так в честь родины Марии Склодовской-Кюри Польши) и радия (по латыни – «лучистый»).

В 1899 году Эрнст Резерфорд, изучая прохождение излучения через вещество, выделил в лучах Беккереля две компоненты – легко поглощаемую часть излучения он назвал α-лучами, а менее поглощаемую – ‑лучами.

В декабре того же года Мария Кюри предложила называть явление испускания излучения радиоактивностью. Наконец, в 1899 году было установлено, что лучи Беккереля отклоняются в магнитном поле.

Вскоре было обнаружено, что радиоактивные вещества являются источниками не двух, а трех видов излучений: α-, - и γ-. Было также показано, что гамма-лучи по своей природе близки к рентгеновским лучам.

Рис. 4. Эрнст Резерфорд Рис. 5. Френсис Ульям Астон

(30.08.1871-19.10.1937) (01.09.1877-20.11.1945)

Далее, на основании измерений радиоактивности ториевых препаратов в зависимости от потоков газа над измеряемым препаратом, Э. Резерфордом было выдвинуто предположение об образовании на поверхности препаратов газообразного радиоактивного вещества, легко устраняемого потоком газа. Так Э. Резерфордом был открыт газ Торон – изотоп радона (²²⁰Rn).

Вскоре были открыты эманации радия и актиния. Как позже выяснилось, эманации тория, радия и актиния представляют собой разновидности одного и того же химического элемента – радона.

B 1903 году Э. Резерфорд и Н.Н. Бекетов выдвинули предположение: радиоактивность – это самопроизвольный распад радиоактивных веществ. В том же 1903 году супругам Кюри за открытие первых радиоактивных элементов и А. Беккерелю за открытие радиоактивности была присуждена Нобелевская премия по физике.

Между тем, перед учеными остро стояли вопросы о происхождении радиоактивной энергии, а также о механизме и характере радиоактивных процессов. Прежде всего, была не понятна причина неиссякаемости излучения при отсутствии каких-либо заметных изменений препарата, поскольку это противоречило законам сохранения энергии и массы.

В 1903 году М. Кюри писала: «Состояние радиоактивной материи не есть обычное химическое состояние, ее атомы неустойчивы, они испускают частицы меньше атомов. Атом, неделимый с точки зрения химии, здесь является делимым, и эти субатомы находятся в движении».

В середине 1903 года В. Рамзай и Ф. Содди получили спектроскопическое доказательство генерирования гелия эманацией радия.

Это убедило многих ученых в справедливости идеи химической превращаемости веществ в результате радиоактивного распада. Но представление о радиоактивности как о физическом процессе, связанном с превращением ядер, возникло лишь после предложения Резерфордом планетарной модели атома в 1911 году.

В 1913 году Ф. Содди и К. Фаянс установили правила сдвига для радиоактивного распада, согласно которым радиоактивные элементы при испускании ‑частицы перемещаются в периодической таблице на 2 клетки влево, а при испускании -частицы – на клетку вправо.

В скором времени стало ясно, что многие из открытых радиоактивных элементов претендуют на одно и то же место в периодической таблице. Так, открытые «новые» элементы на самом деле представляли: RaA – ²¹⁸Po, RaB – ²¹⁴Рb, RaC – ²¹⁴Bi, ThX – ²²⁴Ra, AcX – ²²³Ra.

В 1913 году Ф. Содди ввел понятие «изотоп», отметив, что элемент с данным Z может иметь разновидности атомов, обладающих различными физическими характеристиками.

В 1919 году Астоном был создан масс-спектрометр, с помощью которого были измерены массы атомов и открыты изотопы. В этом же году Резерфорд обнаружил, что облучение азота альфа-частицами сопровождается появлением частиц, имеющих заряд «+1» и массу, равную массе атома водорода (протия). Ядерную реакцию, впервые осуществленную Резерфордом, Г. Петерссон и Г. Кирш (Австрия, 1926 год), предложили записать:

¹⁴N + ⁴He → ¹⁷O + ¹H.

Исследования, проведенные с другими веществами, также подтвердили наличие в ядре легких ядер, названных протонами. Открытие протонов позволило создать сравнительно простую модель ядра, согласно которой ядра состоят из А протонов и A – Z электронов, а Z электронов вращаются вокруг ядра. Совершенно очевидно, что предложенная модель была не точной, поскольку предполагала наличие электронов в ядре.

Период с 1919 по 1929 годы характеризовался относительным «затишьем» в области исследований свойств ядра. Но следует указать, что в 1926 году Э. Ферми и П. Дирак ввели квантовую статистику для тождественных частиц с полуцелым спином (статистика Ферми-Дирака). Также следует напомнить, что этот период ознаменовался весьма важными открытиями в исследованиях структуры атома (эффект Комптона, Уравнение де Бройля, принцип Паули, принцип неопределенностей Гейзенберга, уравнение Шредингера, явление дифракции электронов и др.).

Следующий период (1929-1939 годы) характеризуется достаточно важными открытиями. Так, в 1929 году было установлено, что альфа-спектр состоит из нескольких групп линий, а в следующем году Г. Гамовым была предложена теория альфа-спектров, которая признается и в настоящее время.

В 1930 году В. Боте и Г. Беккер установили, что облучение некоторых легких элементов альфа-частицами приводит к появлению чрезвычайно проникающего излучения.

В 1932 году Дж. Чедвик выдвинул гипотезу о том, что это проникающее излучение состоит из нейтронов – частиц с нулевым зарядом и массой, примерно равной массе протона. В случае бериллия нейтроны образуются по реакции:

+ He → + +hν.

После открытия нейтрона В. Гейзенберг и Д. Иваненко предложили нейтронно-протонную модель ядра, которая будет рассмотрена ниже.

Следует отметить, что годом раньше – в 1931 году Паули выдвинул гипотезу о существовании еще одной частицы, обладающей высокой проникающей способностью – нейтрино.

В 1933 году О. Штерн впервые измерил магнитный момент протона.

В 1933-1934 годах супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая взаимодействие альфа-лучей с различными материалами, установили, что в ряде случаев образуются новые неустойчивые ядра. Первыми радионуклидами, полученными таким способом, были: ¹³N, ³⁰P, ²⁷Si. Так было открыто явление искусственной радиоактивности. Причем, этими учеными было выдвинуто предположение, которое вскоре нашло экспериментальное подтверждение: искусственная радиоактивность может быть вызвана и другими бомбардирующими частицами: нейтронами, фотонами, протонами и другими ускоренными ионами. За это открытие И. и Ф. Жолио-Кюри была присуждена Нобелевская премия.

В 1934 году Э. Ферми сформулировал теорию бета-распада и ввел понятие о новом виде взаимодействия – слабом взаимодействии.

В 1935 году К. Вайцзеккер, рассматривая ядро как каплю заряженной жидкости, предложил формулу для расчета энергии связи ядра.

В 1936 году Н. Бор и Я. Френкель создают капельную модель ядра. В этом же году Б. Кассен и Э. Кондон ввели понятие «изотопический спин».

В 1938 году был открыт еще один вид самопроизвольного превращения ядер – К-захват. В этом же году для объяснения стабильности протона вводится понятие барионного числа (Э. Штюкельберг).

В 1939 году О. Хан и Штрассман открыли деление ядер урана при захвате ими нейтронов. В этот период были детально изучены спектры многих излучателей, их энергетическое распределение, границы, интенсивность. Изучалась также связь между спектрами различных типов. При этом совершенствовалась техника эксперимента, создавались новые приборы, разрабатывались методики количественного определения радиоэлементов по их излучению.

В 1940 году К. Петржак и Г. Флеров экспериментально обнаружили процесс спонтанного деления урана. В этом же году Я. Зельдович и Ю. Харитон сообщили о возможности осуществления цепной реакции деления урана.

В 1941 году Г. Сиборг с коллегами выделили и идентифицировали изотоп плутония – ²³⁹Pu, и установили, что он делится под действием медленных нейтронов с высоким сечением деления. Год спустя, в США был получен плутоний в весовых количествах.

В 1942 году под руководством Э. Ферми в США построен первый атомный реактор, в котором была осуществлена цепная ядерная реакция.

В 1948 году создана оболочечная модель ядра, а в 1950 году – коллективная модель ядра.

В 1950 году было установлено, что свободный нейтрон распадается на протон и электрон.

В 1951 году Б. Джулеповым предсказана протонная радиоактивность, которая была обнаружена в 1970 году.

В 1953 году Г. Маркс, Я. Зельдович и Е. Конопинский ввели лептонный заряд.

В 1955 году открыт антипротон, а в 1956 году зарегистрировано антинейтрино.

Далее идут новые открытия в ядерной физике, а также открытие и синтез новых элементов, в том числе и трансурановых.