5.7. Металлы f-элементов
Металлы f-элементов включают: лантаноиды и актиноиды – элементы 6 и 7 периодов, в атомах которых заполняются соответственно 4f- и 5f-орбитали.
Среди
металлов f-элементов
рассмотрим уран
U
и плутоний Pu,
точнее радионуклид
Pu,
получаемый в ядерных реакторах при
длительном облучении нейтронами
урана-238.
Уран изменил жизнь человечества в середине ХХ в. Группой физиков во главе с Э. Ферми был запущен первый атомный реактор в Чикаго в 1942 г. в период Второй мировой войны. А в 1945 г. американцами были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.
Перед человечеством возникла реальная угроза погибнуть в ядерной катастрофе в случае применения ядерного и термоядерного оружия в военном конфликте.
Важнейшими рудами урана являются настуран U3O8, и уранинит (U,Th)O2. В рассеянном виде в толще земной коры содержатся, главным образом радиоактивные соединения урана U, тория Th и калия К.
Отступление. Ядра атомов химических элементов, содержащие 84 и более протонов, неустойчивы и самопроизвольно распадаются. Все элементы периодической системы, начиная с полония Ро (заряд ядра 84) и завершающим 7 период элементом с зарядом ядра 118, состоят исключительно из радиоактивных нуклидов (nuclear ядро).
Радиоактивный распад (радиоактивность) – самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающийся излучением -, -частиц, рентгеновского или -излучения.
Распад радиоактивных химических элементов не зависит от состава химических соединений, в которых они находятся. Лишь состав ядер, скорость и вид радиоактивного распада отличают радионуклиды.
-Распад сопровождается выбросом из радиоактивного ядра -частицы (ядра атома гелия). Рассмотрим силы, которые обеспечивают устойчивость атомного ядра. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами в ядре, стремится его разрушить. Однако существует обменное или сильное взаимодействие, которое удерживает вместе нуклоны (нуклоны частицы атомного ядра – протоны и нейтроны), и противодействует кулоновскому отталкиванию. Обменное взаимодействие между нуклонами действует на расстоянии 1015 м, соответствующему размеру атомного ядра.
Чтобы понять, как обменное взаимодействие может удерживать вместе нуклоны, воспользуемся следующей моделью. Представим, что два человека должны удерживать большой круглый и тяжелый камень (В.И. Григорьев и Г.Я. Мякишев «Силы в природе»). По условию камень нельзя бросать на пол и невозможно нести вдвоем. Приходится его передавать друг другу поочередно. Для этого несущие камень должны всегда быть вместе, не отрываясь друг от друга. Нечто подобное происходит в атомном ядре. Протоны и нейтроны обмениваются энергией (-мезонами). Обмен нуклонов энергией обеспечивает важное качество – устойчивость ядра. Однако устойчивость ядра резко падает, когда количество нейтронов и протонов превышает 200 частиц. Часть протонов и нейтронов может выйти за пределы размеров ядра (1015 м). Тогда неизменно присутствовавшее кулоновское отталкивание становится определяющим фактором. Так происходит, например радиоактивный (-распад) урана-238 (рис. 56), сопровождающийся испусканием ядер атомов гелия:
Рис. 56. Радиоактивный распад с испусканием из материнского ядра -частицы (ядра атома гелия)
-Распад.
В отличие от протона
(илир+)
– стабильной частицы, среднее время
жизни свободного нейтрона
(верхний индекс соответствует массовому
числу, нижний – заряду частицы) составляет
всего 15.3 мин. Затем он распадается на
протонр+
и электрон е
(масса электрона почти в 2000 раз меньше
массы протона, поэтому верхний индекс
у электрона условно принимаем равным
нулю):
.
В составе стабильных атомных ядер нейтроны устойчивы благодаря обменному взаимодействию. В радионуклиде существует вероятность распада нейтрона на протон с испусканием из ядра электрона. Так происходит -распад. Например, образующиеся в атомном реакторе радионуклиды йода-131 распадаются:
.
Возможны и другие виды радиоактивного распада (позитронный и К-захват), которые здесь не обсуждаются.
Любой из видов радиоактивного распада ядер сопровождается выделением энергии, носителем которой являются не только движущиеся с высокой скоростью - и -частицы, но и поток электромагнитного -излучения. Радиоактивное излучение представляют опасность для живых систем, особенно если его энергия превышает естественную радиоактивность природной среды.