Резюме

20.1 Строение ядра и стабильность

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые в совокупности называют нуклонами. Хотя протоны отталкиваются друг от друга, ядро прочно удерживается как целое короткодействующей, но очень мощной силой — сильным ядерным взаимодействием. Масса ядра меньше суммарной массы составляющих его нуклонов. Эта «недостающая» масса — дефект массы — превращается в энергию связи, удерживающую ядро, согласно уравнению эквивалентности массы и энергии Эйнштейна \(E = mc^{2}\). Из многих существующих нуклидов лишь небольшая часть стабильна. Особенно склонны к стабильности нуклиды с чётными числами протонов или нейтронов, а также нуклиды с магическими числами нуклонов. Эти стабильные нуклиды занимают узкую полосу стабильности на графике зависимости числа протонов от числа нейтронов. Энергия связи на нуклон максимальна у элементов с массовыми числами около 56; именно эти ядра являются наиболее стабильными.

20.2 Ядерные уравнения

Ядра могут участвовать в реакциях, изменяющих число протонов, число нейтронов или энергетическое состояние. В ядерных реакциях могут участвовать самые разные частицы. Чаще всего это протоны, нейтроны, позитроны (положительно заряженные электроны), альфа-частицы (\(\alpha\)) (высокоэнергетические ядра гелия), бета-частицы (\(\beta\)) (высокоэнергетические электроны) и гамма-кванты (\(\gamma\)) (высокоэнергетическое электромагнитное излучение). Как и химические, ядерные реакции всегда уравнены. При ядерной реакции сохраняются суммарная масса (массовое число) и суммарный заряд.

20.3 Радиоактивный распад

Ядра с неустойчивыми отношениями \(n{:}p\) претерпевают самопроизвольный радиоактивный распад. Наиболее распространённые виды радиоактивности — \(\alpha\)-распад, \(\beta\)-распад, \(\gamma\)-излучение, эмиссия позитрона и электронный захват. Ядерные реакции часто сопровождаются \(\gamma\)-излучением, а некоторые ядра распадаются путём электронного захвата. Каждый из этих видов распада приводит к образованию нового ядра с более устойчивым отношением \(n{:}p\). Некоторые вещества претерпевают радиоактивный ряд распада, проходя через несколько последовательных распадов, прежде чем оборваться на устойчивом изотопе. Все процессы ядерного распада подчиняются кинетике первого порядка, и у каждого радиоизотопа есть свой характерный период полураспада — время, за которое распадается половина его атомов. Из-за больших различий в стабильности нуклидов диапазон периодов полураспада радиоактивных веществ очень широк. Многие из этих веществ находят полезное применение в медицинской диагностике и лечении, в определении возраста археологических и геологических объектов и во многих других областях.

20.4 Трансмутация и ядерная энергия

Новые атомы можно получать, бомбардируя другие атомы ядрами или высокоэнергетическими частицами. Продукты таких реакций трансмутации могут быть как стабильными, так и радиоактивными. Этим способом был получен ряд искусственных элементов, в том числе технеций, астат и трансурановые элементы.

Как ядерную энергию, так и взрывы ядерного оружия можно получить за счёт деления (реакций, в которых тяжёлое ядро расщепляется на два или несколько более лёгких ядер и несколько нейтронов). Поскольку эти нейтроны могут вызывать новые реакции деления при соединении с другими тяжёлыми ядрами, возможна цепная реакция. Если процесс деления проводят в ядерном реакторе, получают полезную энергию. Энергию также выделяет превращение лёгких ядер в более тяжёлые — синтез. В настоящее время удержать эту энергию в достаточной мере не удаётся, и из-за высокой стоимости синтез пока не подходит для промышленного производства энергии.

20.5 Применение радиоизотопов

Соединения, известные как радиоактивные индикаторы, можно использовать для слежения за ходом реакций, отслеживания распределения вещества, диагностики и лечения заболеваний и многого другого. Другие радиоактивные вещества помогают бороться с вредителями, визуализировать структуры, подавать сигналы о возгорании и решать многие иные задачи. Ежегодно в США проводят сотни миллионов исследований и процедур ядерной медицины с использованием самых разных радиоизотопов со сравнительно коротким периодом полураспада; у некоторых из них период полураспада настолько мал, что радиоизотоп приходится получать прямо на месте — в медицинском учреждении. Лучевая терапия использует высокоэнергетическое излучение для уничтожения раковых клеток за счёт повреждения их ДНК. Излучение для такого лечения может подводиться извне или изнутри.

20.6 Биологические эффекты радиации

Мы постоянно подвергаемся воздействию излучения из самых разных природных и техногенных источников. Это излучение может влиять на живые организмы. Наиболее опасно ионизирующее излучение, поскольку оно способно ионизировать молекулы или разрывать химические связи, повреждая молекулу и нарушая клеточные процессы. Оно также может порождать активные гидроксильные радикалы, которые повреждают биологические молекулы и нарушают физиологические процессы. Излучение может вызывать соматические или генетические повреждения и наиболее опасно для быстро делящихся клеток. Различные виды излучения отличаются по проникающей способности и по способности повреждать ткани: альфа-частицы обладают наименьшей проникающей способностью, но потенциально наиболее опасны, а гамма-кванты — самой высокой проникающей способностью.

Для обнаружения и измерения излучения, а также для контроля доз облучения используют различные приборы, в том числе счётчики Гейгера, сцинтилляционные счётчики и дозиметры. Для измерения излучения применяют несколько единиц: беккерели и кюри — для скорости радиоактивного распада; грей и рад — для поглощённой энергии; бэр и зиверт — для биологического действия излучения. Облучение может вызывать самые разные последствия для здоровья — от незначительных до тяжёлых, включая смертельный исход. Снизить воздействие излучения можно, экранируясь плотными материалами (например, свинцом), удаляясь от источника и ограничивая время облучения.