Головна ⇒ 📌Довідник з хімії ⇒ Ядерні перетворення

Ядерні перетворення

Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
Комплексне видання

ЧАСТИНА І

ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

БУДОВА АТОМА

Ядерні перетворення

Стабільність нуклідів

Усі нукліди поділяють на стабільні та нестабільні. Стабільні нукліди існують нескінченно довгий час. Переважне число атомів, які нас оточують, відносяться до стабільних нуклідів. Нестабільні нукліди піддаються радіоактивному розпаду й утворюють атоми інших елементів. Наприклад, нуклід Урану-238 здатний випромінювати ядро атома Гелію й при цьому він перетворюється в атом Торію-234:

src="/images/image077_5.jpg" class=""/>

У цьому процесі, як і під час хімічних реакцій, зберігається число частинок. Ядро атома Урану складається з 92 протонів та 146 нейтронів. Воно випромінює ядро атома Гелію, що складається з двох протонів та двох нейтронів, і при цьому залишається ядро атома Торію, що складається з 90 протонів та 144 нейтронів. Такий тип розпаду називають α-розпадом, тому що під час нього утворюється ядро атома Гелію, яке називають α-частинкою. Крім α-розпаду, ще зустрічається β-розпад – під час нього з ядра випромінюється електрон, який називають β-частинкою.

Більшість хімічних елементів існують

у вигляді стабільних та нестабільних нуклідів. Хімічні елементи, які не мають стабільних нуклідів, називають радіоактивними. До їхнього числа належать усі елементи, які розташовані в Періодичній системі за Вісмутом, а також Технецій і Прометій. Більшість радіоактивних елементів добуті штучно й у природі не існують. У Періодичній системі замість відносної атомної маси таких радіоактивних елементів зазначені масові числа найбільш стабільних нуклідів.

Час життя різних нестабільних нуклідів коливається від мільярдів років (Уран, Плутоній) до мільйонних часток секунди (більшість елементів відкриті в останні роки – Дубній, Сиборгій, Рентгеній тощо). Чим швидше відбувається розпад ядра, тим вищою є його радіоактивність.

Радіоактивне випромінювання

Процеси перетворення ядер атомів (ядерні реакції) супроводжуються випромінюванням. Розрізняють три види радіоактивного випромінювання: α-, β- і γ-випромінювання. α-Випромінювання являє собою ядра атомів Гелію 24Не, β-випромінювання – це потік швидких електронів, а у-випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, таке саме, як і звичайне світло, але невидиме для неозброєного ока й надзвичайно руйнівне. Кожному з них відповідає свій тип радіоактивного перетворення.

Радіоактивне випромінювання дуже шкідливо впливає на людський організм. Під дією радіації ушкоджуються клітини й порушується обмін речовин. Великі дози випромінювання спричинюють серйозні захворювання (лейкемію, рак, променеву хворобу) і можуть призвести до смерті організму.

Водночас радіоактивні речовини успішно застосовують у найрізноманітніших галузях людської діяльності: медицині, сільському господарстві, хімії, археології тощо. За допомогою радіонуклідів досліджують хімічні реакції, вивчають шляхи розподілу ліків в організмі, знищують клітини пухлин, вимірюють щільність грунту, контролюють витікання газу й нафти, визначають вік археологічних об’єктів та гірських порід. Наприклад, вік Землі (близько 5 млрд. років) був визначений за вмістом нуклідів Урану та Плюмбуму в деяких гірських породах.

Ядерні реакції

Подібно до хімічних перетворень ядерні реакції також можна описати за допомогою рівнянь. У рівняннях ядерних реакцій замість хімічних формул записують позначення атомів і частинок – протонів 11p, нейтронів 01n та електронів -10е.

У всіх ядерних реакціях сума масових чисел та сумарний заряд частинок залишаються постійними. Це означає, що суми як верхніх, так і нижніх індексів в обох частинах рівняння ядерної реакції однакові.

Наприклад, ядро Гідрогену-3 (Тритій) розпадається, випромінюючи β-частинку, тобто електрон. Визначимо, на яке ядро перетворюється при цьому Гідроген-3. Запишімо рівняння розпаду, зазначивши масові числа та заряди частинок:

Нижні індекси показують заряд частинок. Сумарний заряд у лівій частині +1, у правій Z -1. Оскільки сумарний заряд не змінюється, то Z – 1 = 1, звідки Z = 2. Отже, ядро невідомого атома X має заряд +2 – це ядро атома Гелію. Знайдімо його масове число А. Суми масових чисел у лівій і правій частинах мають бути однаковими: 3 = А + 0, звідки А = 3. Таким чином, при β-розпаді Тритію утворюється ядро Гелію-3:

Ядерні процеси зазвичай поділяють на два типи: реакції розпаду та реакції синтезу. У реакціях розпаду важкі ядра розпадаються на більш легкі, а в реакціях синтезу – навпаки. Мимовільні реакції розпаду поділяють за типом утворюваного випромінювання.

1. α-Розпад. Ядро випромінює α-частинку – ядро атома Гелію 24Не. При α-розпаді масове число атома зменшується на 4, а заряд ядра – на 2:

2. β-Розпад. У нестійкому ядрі нейтрон перетворюється на протон, при цьому ядро випромінює електрон – β-частинку:

Під час β-розпаду масове число нукліда не змінюється, тому що загальне число протонів і нейтронів зберігається, а заряд ядра збільшується на 1:

3. γ-Розпад. Іноді ядро атома випромінює γ-промені, при цьому масове число й заряд ядра залишаються незмінними.

Якщо під час розпаду одного радіоактивного ядра утворюється інше радіоактивне ядро, то воно, у свою чергу, також розпадається. Процес триває доти, доки продуктом розпаду не стане стійке ядро. Наприклад, Уран-238, що виник при формуванні Землі, поступово перетворюється на Торій, який переходить у Протактиній тощо, доки, зрештою, не утвориться стійкий нуклід 206Рb. Деякі нестабільні нукліди, наприклад Тритій (Гідроген-3) або Карбон-14, постійно утворюються в атмосфері внаслідок дії космічних променів.

Реакції ядерного синтезу, на відміну від радіоактивного розпаду, що протікає мимовільно, потребують зовнішнього впливу, тому їх називають штучними ядерними реакціями. Вони відбуваються при зіткненні ядра атома з іншим ядром або елементарною частинкою, які рухаються з високою швидкістю. Для здійснення штучних перетворень часто використовують протони, нейтрони або ядра легких елементів. За допомогою ядерного синтезу отримані невідомі раніше хімічні елементи Технецій, Францій, Астат, а також усі елементи з порядковими номерами від 93 до 118. Наприклад, атом Дармштадтія був отриманий бомбардуванням ядер Плюмбуму-208 швидкими ядрами Нікелю-62 за реакцією: Синтез нових елементів триває и дотепер.

Ядерні реакції супроводжуються виділенням величезної кількості енергії. Вони є основним джерелом енергії Сонця та інших зірок. На Сонці відбувається ядерна реакція, у результаті якої ядра Гідрогену перетворюються на ядра Гелію. При перетворенні 1 г атомів Гідрогену на Гелій виділяється енергія 560 млрд. Дж, у 4 млн. разів більша, ніж при згоранні такої самої кількості газоподібного водню в кисні. Щосекунди на енергію перетворюється 4,3 млн. тонн сонячної речовини, і при цьому виділяється така величезна кількість енергії, що її вистачає на всю Сонячну систему, зокрема й на нашу планету.