В природе большинство процессов происходит в результате того, что атомы элементов взаимодействуют друг с другом и передают друг другу электроны. Основной интерес ядерной химии сосредоточен на атомных ядрах. Она изучает их свойства и изменения, происходящие в результате их распада. По сравнению с другими реакциями, ядерные приводят к образованию новых химических субъектов. Кроме того, ядерные реакции сопровождаются выделением очень большого количества энергии — даже в несколько сотен тысяч раз больше, чем при обычной химической реакции.

Стабильность атомных ядер

Атомы являются основной, но не самой маленькой единицей материи. Каждый из них состоит из атомного ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Атомное ядро, с другой стороны, состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов. Атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов являются изотопами. В природе подавляющее большинство из них стабильны — они не претерпевают ядерных превращений даже по прошествии длительного времени. Но ряд изотопов нестабилен и легко распадается, например, бета-плюс, бета-минус или альфа. Для того чтобы данный изотоп был стабильным, в атомном ядре должно быть одинаковое количество протонов и нейтронов. Чем тяжелее ядра (чем выше значение их атомного номера), тем больше несоответствие между их количествами. В результате этой диспропорции атомное ядро гораздо больше подвержено радиоактивному распаду. Самый тяжелый изотоп в природе, который является стабильным — это ¹⁰⁹Bi.

Либо избыточное количество нейтронов в ядре, либо значительный недостаток нейтронов по отношению к количеству протонов приводит к ядерному превращению (или их серии), которое в конечном итоге влечет за собой образование стабильного атомного ядра. Кроме того, на стабильность ядер также влияют ядерные силы, которые должны быть больше сил электростатических воздействий (это обеспечивается соответствующим числом нейтронов в ядре по отношению к числу протонов), и масса ядра (чем они тяжелее, тем менее стабильны).

Наибольший интерес для ядерной химии представляют именно те изотопы, атомные ядра которых не стабильны и легко распадаются. Химические элементы, состоящие из таких изотопов, называются радиоактивными.

Радиоактивность химических элементов

Радиоактивность химических элементов (иначе называемая радиоактивностью) является результатом распада их неустойчивых атомных ядер. Вот что нам нужно знать о ней:

• Различают естественную и искусственную радиоактивность химических элементов. Естественной ее называют тогда, когда вещество само испускает излучение. В случае искусственной радиоактивности конкретное вещество не проявляет радиоактивности, но испускает излучение при воздействии естественного излучения радиоактивного вещества.
• Естественные превращения делятся на альфа-, бета- и гамма-распады. А искусственные — это ядерные реакции, ядерные синтезы и ядерные деления.
• При распаде атомных ядер выделяется излучение, называемое ионизирующим или ядерным. Радиоактивные изотопы могут испускать три вида излучения: альфа, бета и гамма.
• Альфа-частицы — это ядра атомов гелия. Электроны — это бета-частицы (гораздо более легкие по сравнению с альфа-частицами). А вот гамма-излучение не является частицей и относится к семейству электромагнитных волн.
• Большинство ядер радиоактивных элементов после распада образуют новые ядра. Они тоже нестабильны и подвергаются дальнейшему распаду. Таким образом, образуются так называемые радиоактивные серии.
• Радиоактивность конкретного химического материала зависит в первую очередь от его количества. Она уменьшается со временем по мере уменьшения количества материала. Другими факторами, влияющими на скорость ядерных превращений, являются температура и давление.

Ядерные и термоядерные реакции

Многие ядерные реакции радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре, происходят естественным образом. Однако некоторые реакции можно провести в химической лаборатории. Первое такое превращение, осуществленное человеком, имело место в 1919 году. Его автором был Резерфорд. Сегодня количество осуществляемых ядерных реакций очень велико. Количество полученных искусственных изотопов намного превышает количество радиоактивных изотопов естественного происхождения.

Ядерные реакции, в том числе и те, которые анализирует ядерная химия, осуществляются путем бомбардировки атомных ядер определенными частицами. Это могут быть нейтроны, протоны, альфа-частицы или даже ядра углерода. Происходящая ядерная реакция зависит от типа бомбардирующей частицы и ее энергии. Ядерные реакции приводят к поглощению (с выделением одной или двух элементарных частиц) атомным ядром испущенной бомбардирующей частицы или к разрушению этого ядра. Первая ситуация возникает, когда энергия «снаряда» мала (максимум несколько десятков МэВ). Ядерное деление происходит при высоких энергиях, достигающих значения даже нескольких сотен МэВ. Многие простые ядерные реакции происходят под воздействием альфа-частиц, которые испускаются из естественных радиоактивных элементов. Расщепление атомного ядра можно легко активировать с помощью нейтронов. Благодаря инертному заряду они достигают ядер без особого труда, так как не подвержены электростатическому отталкиванию. Важной особенностью всех ядерных реакций является то, что они сопровождаются поглощением или выделением значительного количества энергии.

Термоядерные реакции происходят в несколько иных условиях. Они проходят при очень высоких температурах — от 10⁷ до 10⁸ К (часто это единственный случай, когда они возникают спонтанно). Температуры, которые делают возможным, например, естественный синтез гелия из водорода, преобладают внутри звезд и приводят к высвобождению большого количества энергии. В результате термоядерных реакций мельчайшие ядра (например, водорода или дейтерия) сливаются в более крупные. В настоящее время в земных условиях достигнут термоядерный синтез гелия. Эта реакция привела к выделению огромного количества энергии. Гораздо большего, чем взрыв урановой или плутониевой атомной бомбы. Однако весь процесс не был контролируемым. Предполагается, что после преодоления технических трудностей извлечение энергии из полностью контролируемой термоядерной реакции станет возможным.

Где можно применять ядерное излучение?

• Визуализация тканей и органов.
• Лечение онкологических заболеваний.
• Диагностика в медицине.
• Научные исследования в исследовательских центрах и промышленности.
• Производство электроэнергии в ядерных (атомных) электростанциях.
• Стерилизация медицинского оборудования.