Ядерная химия

Я́дерная хи́мия, устанавливает взаимосвязь между ядерными и физико-химическими свойствами вещества. Основные направления ядерной химии: исследование ядерных реакций и химических последствий ядерных превращений; химия «новых атомов»; эффект Мёссбауэра; синтез новых химических элементов и радионуклидов. Для решения этих задач в ядерной химии используют радиохимические, радиоспектроскопические и масс-спектрометрические методы, для регистрации заряженных частиц применяют толстослойные фотографические эмульсии. Как научная дисциплина ядерная химия наиболее тесно связана с ядерной физикой, радиохимией и химической физикой.

Зарождение ядерной химии связано с открытием радиоактивности урана (А. А. Беккерель, 1896), новых радиоактивных элементов полония и радия (М. Склодовская-Кюри и П. Кюри, 1898), искусственных ядерных превращений (Э. Резерфорд, 1919), изомерии естественных (О. Ган, 1921) и искусственных (И. В. Курчатов и др., 1935) атомных ядер, деления ядер урана как под действием нейтронов (О. Ган, Ф. Штрассман, 1939), так и спонтанного (Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, 1940). Создание ядерных реакторов (Э. Ферми, 1942) и ускорителей частиц (Дж. Кокрофт и Э. Уолтон, 1932) открыло возможность изучения процессов, происходящих при взаимодействии частиц высокой энергии со сложными ядрами, позволило синтезировать искусственные радионуклиды и новые элементы.

Важнейшая задача ядерной химии – выделение и идентификация радиохимическими методами продуктов ядерных реакций, в которых образуется сложная смесь нуклидов различных элементов. Для их выделения применяют радиохимические варианты методов осаждения, экстракции, ионообменной и газовой хроматографии, электролиза и дистилляции. Идентифицируют нуклиды по характеру излучения, измерением энергии и периода полураспада или методом масс-спектрометрии. Изучение механизма ядерных превращений позволяет понимать процессы, протекающие в космосе, происхождение и распространение химических элементов, получать радиоактивные изотопы почти всех химических элементов и синтезировать новые элементы периодической системы.

К числу проблем ядерной химии относятся исследования химии горячих атомов, возникающих в результате радиоактивного распада и имеющих избыточную (по сравнению с обычными атомами среды) кинетическую энергию, превышающую энергию активации многих химических реакций. При столкновениях с атомами и молекулами среды горячие атомы способны стабилизироваться в соединениях, отличных от исходных (эффект Силарда – Чалмерса; 1934). Этот эффект используют в ядерной химии для исследования механизма реакций горячих атомов со средой, синтеза меченых соединений, разделения изотопов и др.

Методами ядерной химии с использованием «новых атомов», прежде всего позитрония и мюония, изучают превращения атомов в различных химических системах. Атомы позитрония и мюония подобны водороду, но крайне неустойчивы (10^–6 –10^–9 с). Время жизни и механизм гибели позитрония, а также распада ядер мюония сильно зависят от состава и химических свойств вещества и существенно различаются в металлах, сплавах, полупроводниках и диэлектриках. Позитроний и мюоний применяют для изучения распределения электронной плотности, структурных особенностей молекул, механизма и кинетики быстрых и сверхбыстрых физико-химических процессов, фазовых переходов, диффузиив газах и конденсированных средах.

Для исследования строения электронных оболочек атомов и молекул используют резонансное испускание и поглощение квантов атомными ядрами в твёрдых телах (мёссбауэровская спектроскопия). Создание мёссбауэровской спектроскопии – одно из важнейших достижений ядерной химии, поскольку открыло широкие методические возможности для структурной и радиационной химии, химической кинетики, химии поверхностных явлений, геохимии и аналитической химии.

Методы ядерной химии с успехом использовались для открытия новых видов распада ядер лёгких и тяжёлых элементов – двухпротонной радиоактивности и распада с испусканием нуклонных кластеров (ядер ¹⁴ С и ²⁴ Ne).