Більшість існуючих у природі процесів відбувається в результаті взаємодії атомів елементів і перенесення електронів. Ядерна хімія зосереджена на атомних ядрах. Він досліджує їхні властивості та зміни, які відбуваються внаслідок їх розпаду. Порівняно з іншими реакціями ядерні реакції призводять до утворення нових хімічних індивідів. Крім того, ядерні реакції тягнуть за собою виділення надзвичайної кількості енергії, яка навіть у кілька сотень тисяч разів більша, ніж у випадку звичайної хімічної реакції.

Стійкість атомних ядер

Атоми є основними, але не найменшими одиницями матерії. Кожен з них складається з атомного ядра і електронів, що обертаються навколо нього. Атомне ядро ​​складається з позитивних протонів і нейтральних нейтронів. Атоми з однаковою кількістю протонів, але різною кількістю нейтронів називаються ізотопами . Переважна більшість із них природно стабільні, тобто вони не піддаються хімічним реакціям навіть через тривалий час. Однак деякі ізотопи нестабільні та легко розпадаються, зокрема бета-плюс, бета-мінус або альфа. Щоб ізотоп був стабільним, атомне ядро ​​має включати однакову кількість протонів і нейтронів. Чим важчі ядра (тобто чим вищий їхній атомний номер), тим частіша різниця між їх кількістю. В результаті цієї диспропорції атомне ядро ​​набагато менш сприйнятливе до радіоактивного розпаду. Найважчим природним ізотопом, який є стабільним, є ¹⁰⁹ Bi.

Як надмірна кількість нейтронів у ядрі, так і їх нестача по відношенню до кількості протонів викликають ядерну реакцію (або серію реакцій), у результаті якої утворюється стабільне атомне ядро. Крім того, на стабільність ядер впливають ядерні сили, які повинні бути вищими за сили електростатичних взаємодій (це забезпечується відповідною кількістю нейтронів у ядрі щодо числа протонів) і маса ядра ( більша маса, тим менш стабільне ядро).

Найбільша увага в ядерній хімії приділяється тим ізотопам, атомні ядра яких нестабільні та легко розпадаються. Хімічні елементи, що складаються з таких ізотопів, називають радіоактивними.

Радіоактивність хімічних елементів

Радіоактивність хімічних елементів є результатом розпаду їх нестабільних атомних ядер. Ось що ми повинні знати про це:

• Розрізняємо природну і штучну радіоактивність хімічних елементів. Природна радіоактивність – це те, що речовина випромінює сама по собі. Штучна радіоактивність – це коли певна речовина не є радіоактивною, але випромінює промені під впливом природного випромінювання, що надходить від радіоактивної речовини.
• Природні реакції поділяються на альфа, бета і гамма. До штучних реакцій належать ядерні реакції, ядерний синтез і ядерний поділ.
• При розпаді атомних ядер утворюється випромінювання, яке називається іонізуючим або ядерним випромінюванням. Радіоактивні ізотопи можуть випромінювати три види променів: альфа, бета і гамма.
• Альфа-частинки – це ядра атомів гелію. Електрони — це бета-частинки (які набагато легші за альфа-частинки). Гамма-випромінювання не є частинкою, воно належить до сімейства електромагнітних хвиль.
• Більшість ядер радіоактивних елементів після розпаду утворюють нові ядра. Вони також нестабільні і зазнають подальшого розпаду. Так утворюються так звані радіоактивні ряди.
• Радіоактивність конкретного хімічного матеріалу залежить головним чином від його кількості. З часом воно зменшується, оскільки кількість зменшується. Інші фактори, що впливають на швидкість ядерних реакцій, включають температуру і тиск.

Ядерні та термоядерні реакції

Багато ядерних реакцій радіоактивних елементів, що містяться в земній корі, відбуваються природним шляхом. Однак певні реакції можна проводити в хімічній лабораторії . Перша така реакція, проведена людиною, відбулася в 1919 році. Її здійснив Ернест Резерфорд. Сьогодні кількість ядерних реакцій, спричинених людиною, дуже велика. Кількість вироблених штучних ізотопів значно перевищує природні радіоактивні ізотопи.

Ядерні реакції , які є одними з питань, які аналізує ядерна хімія, відбуваються в результаті бомбардування атомних ядер конкретними частинками. Це можуть бути нейтрони, протони, альфа-частинки або навіть ядра вуглецю. Ядерна реакція, що відбувається, залежить від типу бомбардуючої молекули та її енергії. Ядерні реакції призводять до поглинання (з випусканням однієї або двох елементарних частинок) випущеної бомбардуючої молекули атомним ядром або до руйнування цього ядра. Перший випадок має місце, коли енергія «кулі» мала (менше ста МеВ). Розкол ядер відбувається при високих енергіях навіть у кілька сотень МеВ. Багато простих ядерних реакцій відбуваються під впливом альфа-частинок, які випромінюють природні радіоактивні елементи. Поділ атомного ядра можна легко активувати за допомогою нейтронів. Оскільки їхній заряд є нейтральним, вони легко досягають ядер, оскільки не сприйнятливі до електростатичного відштовхування. Важливою характеристикою всіх ядерних реакцій є те, що вони супроводжуються поглинанням або виділенням значної кількості енергії.

Термоядерні реакції протікають в дещо інших умовах. Вони виникають при дуже високих температурах від 10 ⁷ до 10 ⁸ К (часто тільки при таких температурах вони можуть виникати спонтанно). Температури, які дозволяють, наприклад, природний синтез гелію з водню, існують усередині зірок і змушують їх випромінювати велику кількість енергії. У результаті термоядерних реакцій найменші ядра (наприклад, ядра водню або дейтерію) об’єднуються, утворюючи більші ядра. Вчені здійснили термоядерний синтез гелію. Ця реакція виробляла надзвичайно велику кількість енергії. Вони були значно більшими, ніж під час вибуху уранової чи плутонієвої бомби. Проте весь процес не контролювався. Передбачається, що отримання енергії в повністю контрольованій термоядерній реакції стане можливим після подолання технічних труднощів.

Яке застосування випромінювання атомних ядер?

• Візуалізація тканин і органів;
• Лікування пухлинних захворювань;
• Медична діагностика;
• Наукові дослідження в науково-дослідних центрах і промисловості;
• Виробництво електроенергії на АЕС;
• Стерилізація медичного обладнання.