Впервые ядерная реакция была осуществлена при бомбардировке a -частицами атомов азота и привела к открытию протона (Э. Резерфорд, 1919): 147N + 42He = 178O + 11H. Уравнение этой реакции можно записать в сокращенной форме: 147N (a,р) 178O. В такой записи последовательно указывается: ядро-мишень, бомбардирующая частица («снаряд»), вылетающая частица и образующееся ядро.
Радиоактивностью называется самопроизвольный процесс распада нестойких ядер некоторых элементов с образованием изотопов других элементов. Этот процесс сопровождается излучением a - и b - частиц и g -лучей.
Радиоактивными называют элементы, все изотопы которых радиоактивны, например, Тс, Рm и все элементы ПС, начиная с Ві.
Согласно правилу сдвига (Ф. Содди и К. Фаянс, 1913) с элементом, образующимся при радиоактивном распаде, происходит сдвиг относительно исходного размещения или к началу ПС, если частица, выбрасываемая ядром, имеет положительный заряд, или к концу ПС, если частица имеет отрицательный заряд. Количество клеток ПС, на которое происходит сдвиг (изменение порядкового номера), равно числу зарядов выбрасываемой частицы.
Типы радиоактивного распада:
1. a -Распад. a -Частицы – это ядра 42Не. Чаще всего по такому типу происходит распад тяжелых элементов: 23892U = 23490Th + 42Не. При a -распаде образуется ядро, имеющее заряд на 2 атомные единицы меньше, а масса уменьшается на 4 а.е.м.
2. b+ -Распад. b+ -Частицы являются позитронами, то есть их масса равна массе электрона, а заряд составляет +1: 116С = 115В + 01е+. Количество протонов при b+ -распаде уменьшается на единицу, а массовое число не меняется.
3. b- -Распад. b- -Частицы – это электроны: 23993Np = 23994Pu + 01ē. Количество протонов при b⎺ -распаде увеличивается на единицу, а массовое число не меняется.
4. K -захват (электронный захват) – захват ядром одного электрона с K-слоя. При K –захвате заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется: 4019K –(K -захват)® 4018Аr.
5. Спонтанное деление – самопроизвольное распад тяжелых ядер (Z ≥ 90) на 2 (редко 3 или 4) осколка, которыми являются ядра элементов середины ПС. Процесс сопровождается испусканием нейтронов.
Ядерные распады могут сопровождаться g-излучением. Энергия этого излучения имеет достаточно большое, а длина волны – достаточно малое значение.
Радиоактивность элементов возникает при таком количественном соотношении протонов и нейтронов (оно часто выражается величиной Z/А), при котором ядро переходит в возбужденное состояние. Значение величины, при котором устойчивость ядер оказывается наибольшей, равна 0,5 для легких изотопов и 0,38 для тяжелых (Z~100). Позитронный распад и электронный захват увеличивают число нейтронов, поэтому характерны для изотопов легких элементов с дефицитом нейтронов (Z/А больше оптимального). Тяжелым элементам с избытком нейтронов и значением Z/А меньше оптимальное присущ b ⎺-распад, который уменьшает количество нейтронов в ядре. Для тяжелых ядер, даже при приближении Z/А к оптимальному значению, ЕСВ a -частиц уменьшается настолько, что энергетически выгодным становится a -распад или спонтанное деление.
Важным свойством радиоактивных веществ является период их полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется время, которое необходимо для распада половины исходного количества радиоактивного изотопа, т.е. m = m02−t/T1/2, где m0 – масса радиоактивного образца в начальный момент времени, m – масса образца до определенного момента времени, t – время.
Эту формулу можно привести в другом виде: m = m02 
, где l – константа распада, показывающая относительную долю атомов, распадающихся в единицу времени. Итак,
Т1/2 = ℓn2/l = 0,6931/l.
Величина, обратная радиоактивной постоянной, называется средней продолжительностью жизни радиоактивного элемента Тλ: Тλ = 1/l.
Среднюю продолжительность жизни радиоактивного элемента легко сравнить с периодом полураспада:
Тλ = 1/l = Т1/2/0,6931 = 1,443Т1/2.
Ядерные реакции – это превращение атомных ядер, обусловленные их взаимодействием с другими ядрами или элементарными частицами. Уравнения ядерных реакций должны удовлетворять следующим требованиям: сумма массовых чисел и зарядов ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел и зарядов всех ядер и частиц, образующихся в результате реакции (массу электронов и позитронов из-за их очень маленького значения не учитывают).
Ядерные реакции сопровождаются большим выделением энергии. Впервые эту энергию использовали в реакциях деления некоторых ядер, например, 23592U. Деление ядер урана – это цепная реакция. Масса, при которой реакция деления начинает протекать самовольно, называется критической массой. В реакциях деления в основном происходит образование двух крупных осколков (ядер других элементов) и нескольких нейтронов: 23592U + 10n = 13956Ba + 9436Kr + 310n.
За единицу радиоактивного распада принят беккерель (Бк) – радиоактивность, при которой за 1 с происходит 1 акт распада (с−1). Внесистемная единица кюри (Ku) равна 3,7·1010 Бк (количество a -частиц, испускаемых радием массой 1 г за 1 сек).
Ядерный синтез – это процесс, во время которого два атомных ядра объединяются, формируя новое ядро. Для сближения атомных ядер на расстояние, достаточное для того, чтобы начало действовать сильное ядерное взаимодействие и произошла ядерная реакция, требуется некоторое количество энергии.
Если ядро элемента, образовавшегося в результате объединения ядер, будет легче ядра железа, то обычно выделяется значительно больше энергии, чем расходуется на преодоление электростатического отталкивания. Благодаря этому ядерный синтез – перспективный источник энергии и является важным направлением исследований в современной науке и технике. Ядерный синтез является источником энергии в звездах и применяется в водородных бомбах.
Реакция дейтерий + тритий 21H + 31H ® 42He + 01n + 17,6 МэВ.
Реакция дейтерий + гелий-3 21H + 32He ® 42He + p + 18,4 МэВ.