Почему некоторые газы переносят радиоактивность, а некоторые нет?

Химически гелий инертен, потому что он имеет «заполненную валентную оболочку» электронов, которая очень стабильна; чрезвычайно сложно изменить эту структуру, поскольку для этого требуется много энергии и создается система, которая, вероятно, быстро вернется в свое основное состояние при нормальных условиях.

Ядро гелия-4 находится в очень похожей ситуации: в некотором смысле оно имеет «заполненные оболочки» из протонов и нейтронов. По сравнению со своими соседями на ядерной карте это одна из самых стабильных ядерных конфигураций, которые мы измеряли. Изменить эту ядерную структуру каким-либо образом сложно, поэтому маловероятно, что гелий-4 вообще станет радиоактивным, а конфигурации, которые создаются, когда это происходит, настолько нестабильны, что распадаются почти мгновенно. Захват нейтронов (безусловно основная причина вторичной радиоактивности) создает гелий-5, который распадается с периодом полураспада$7\times 10^{-22}$секунды, так что он едва ли существует и уж точно не будет найден за пределами реактора. Также в принципе невозможно возбудить ядро ​​гелия-4 до более высокого энергетического уровня с помощью гамма-излучения ядерного реактора, так как следующий энергетический уровень находится на 20 МэВ выше основного состояния (для справки, большинство стадий цепочки распада урана имеют общая выделяемая энергия всего 4-7 МэВ) . Так что можно с уверенностью сказать, что гелий-4 радиологически инертен.

Термин «проводимость», вероятно, * относится к следующему процессу: радиоактивное ядро, предрасположенное к испусканию нейтронов, распадается, и испущенные нейтроны захватываются другим ядром, что может сделать его нестабильным и, следовательно, радиоактивным. В этом смысле то, насколько легко вещество «проводит» радиоактивность, определяется его готовностью захватывать нейтроны (также известной как сечение захвата нейтронов ), которая сильно зависит от конкретной ядерной структуры. (Существуют и другие способы вызвать радиоактивность, такие как бета-распад одного ядра с последующим захватом электрона другим или гамма-излучение и поглощение, но условия, необходимые для этих процессов, встречаются реже.)

Для других радиологически инертных веществ можно было бы искать другие ядра, которые имеют «заполненные оболочки» из протонов и нейтронов. В ядерной структуре они называются «двойными магическими» ядрами (имеющими «магическое» число протонов и «магическое» число нейтронов) и действительно имеют репутацию стабильных, хотя ни одно из них не настолько стабильно, как гелий-4. . Дважды магические ядра включают кислород-16, кальций-40 и железо-56.

* Подчеркну, что термин «проводимость» весьма нестандартен; термин для процесса, который я здесь описываю, — «индуцированная радиоактивность».

Стабильный атом в непосредственной близости от ядерного реактора может стать радиоактивным, если его ядро ​​поглотит энергичную частицу. Основной энергичной частицей, образующейся в результате реакции деления, является нейтрон.

Когда нейтрон сталкивается с ядром, он может просто отскочить от него, сообщая атому некоторую кинетическую энергию. Это может вызвать структурные дефекты в твердых телах и является важной проблемой при проектировании реактора, поскольку слишком большое количество таких дефектов может серьезно ослабить материалы, из которых изготовлен реактор. Но, конечно, это не проблема для газов или жидкостей, энергия просто повысит их температуру.

Если нейтрон не отскакивает, а вместо этого поглощается ядром, атом превращается в более тяжелый изотоп того же элемента. В одних случаях новый изотоп тоже стабилен, а в других случаях он будет нестабилен, то есть радиоактивн. Для атомов с малым атомным номером (Z, число протонов в ядре) наиболее устойчивые комбинации имеют равное (или почти равное) количество протонов и нейтронов. Если соотношение протонов и нейтронов отклоняется от этого, то происходят реакции, направленные на достижение более стабильного соотношения.

Если нормальный$^4He$ядру удается поглотить нейтрон, который превращается в$^5He$. Вероятность того, что это произойдет, очень мала, но даже если это произойдет, не о чем беспокоиться, потому что$^5He$очень неустойчив : он снова распадается на$^4He$, с периодом полураспада около$7\times 10^{-22}$секунды, испуская (конечно) нейтрон. Таким образом, конечный результат практически неотличим от нейтрона, просто рассеивающегося на ядре.

Сами свободные нейтроны имеют период полураспада около 10,3 минуты, распадаясь на протон, электрон и электронное антинейтрино, так что вполне возможно, что наше ядро ​​гелия столкнется с протоном. Но протону гораздо труднее поглотиться ядром, потому что положительные заряды отталкиваются друг от друга. Обычно для таких реакций ядерного синтеза требуется огромная энергия (высокая температура). И даже если каким-то чудом протон поглотится$^4He$, в результате получается крайне нестабильный$^5Li$, который имеет еще более короткий период полураспада, чем$^5He$, и который распадается, испуская (как вы уже догадались) протон и возвращаясь обратно в$^4He$.

На самом деле существует еще один стабильный изотоп гелия,$^3He$, но это очень редко, и, конечно, если он поглощает нейтрон, вы просто получаете обычный$^4He$.

Таким образом, когда гелий находится в ядерном реакторе, он не может стать радиоактивным, он просто нагревается, что делает его очень полезным в качестве хладагента.

элементы не «проводят» радиоактивность. некоторые способны трансмутироваться в радиоактивные изотопы того же элемента или новые элементы, которые являются радиоактивными, при воздействии интенсивного нейтронного излучения. Гелий оказался устойчивым к трансмутации и, следовательно, не становится радиоактивным при облучении.