Будова атома і атомного ядра

Кожен атом складається з ядра і атомної оболонки. до складу яких входять різні елементарні частинки - нуклони і електрони (рис. 5.1). Ядро - центральна частина атома, яка містить практично всю масу атома і володіє позитивним зарядом. Ядро складається з протонів і нейтронів. які є двозарядний станами однієї елементарної частинки - нуклона. Заряд протона +1; нейтрона 0.

Заряд ядра атома дорівнює Z. # 275 ;. де Z - порядковий номер елементів (атомний номер) в періодичній системі Менделєєва, дорівнює числу протонів в ядрі; # 275; - заряд електрона.

Число нуклонів в ядрі називається масовим числом елемента (A):

де Z - число протонів; N - число нейтронів в атомному ядрі.

Для протонів і нейтронів масове число беруть рівну 1, для електронів рівне 0.

Мал. 5.1. будова атома

Загальноприйняті наступні позначення для якогось хімічного елементу X.. тут A - масове число, Z - атомний номер елемента.

Атомні ядра одного і того ж елемента можуть містити різну кількість нейтронів N. Такі різновиди атомних ядер називаються ізотопами даного елемента. Таким чином, ізотопи мають: однаковий атомний номер, але різні масові числа A. Більшість хімічних елементів є сумішшю різних ізотопів, наприклад ізотопи урану:

Атомні ядра різних хімічних елементів можуть мати однакове масове число А (з різним числом протонів Z). Такі різновиди атомних ядер називаються изобарами. наприклад:

Для характеристики маси атомів і молекул використовують поняття атомної маси M - це відносна величина, яка визначається по відношенню
до маси атома вуглецю і приймається рівною mа = 12,000 000. Для
абсолютного визначення атомної маси була введена атомна одиниця
маси (а.е.м.), яка визначається по відношенню до маси атома вуглецю в наступному вигляді:

Тоді атомну масу елемента можна визначити як:

де М - атомна маса ізотопів елемента, що розглядається. Цей вислів полегшує визначення маси ядер елементів, елементарних частинок, частинок - продуктів радіоактивних перетворень і т. Д.

Дефект маси ядра і енергія зв'язку ядра

Енергія зв'язку нуклона - фізична величина, що чисельно дорівнює роботі, яку потрібно зробити для видалення нуклона з ядра без повідомлення йому кінетичної енергії.

Нуклони пов'язані в ядрі завдяки ядерним силам, які значно перевершують сили електростатичного відштовхування, що діють між протонами. Для розщеплення ядра необхідно подолати ці сили, т. Е. Затратити енергію. З'єднання нуклонів з утворенням ядра, навпаки, супроводжується вивільненням енергії, яку називають енергією зв'язку ядра # 916; Wсв:

де - так званий дефект маси ядра; з ≈ 3. 10 8 м / с - швидкість світла у вакуумі.

Енергія зв'язку ядра - фізична величина, що дорівнює роботі, яку потрібно зробити для розщеплення ядра на окремі нуклони без повідомлення ним кінетичної енергії.

При утворенні ядра відбувається зменшення його маси, т. Е. Маса ядра менше, ніж сума мас складових його нуклонів, ця різниця називається дефектом мас # 916; m:

де mp - маса протона; mn - маса нейтрона; mядр - маса ядра.

При переході від маси ядра mядр до атомних мас елемента mа. це вираз можна записати в наступному вигляді:

де mH - маса водню; mn-маса нейтрона і mа - атомна маса елемента, певні через атомну одиницю маси (а.е.м.).

Критерієм стійкості ядра є суворе відповідність в ньому числа протонів і нейтронів. Для стійкості ядер справедливо наступне співвідношення:

де Z - число протонів; A - масове число елемента.

З відомих на сьогодні приблизно 1700 видів ядер, тільки близько 270 є стабільними. Причому в природі переважають парне - парні ядра (т. Е. З парним числом протонів і нейтронів), які є особливо стабільними.

Радіоактивність - перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента з виділенням деяких елементарних частинок. Розрізняють: природну і штучну радіоактивність.

До основних видів відносять:

- спонтанне ділення ядра.

Ядро розпадається елемента називається материнським. а ядро ​​утворюється елемента - дочірнім. Мимовільний розпад атомних ядер підпорядковується наступному закону радіоактивного розпаду:

де N0 - число ядер в хімічному елементі в початковий момент часу; N - число ядер в момент часу t; - так звана «постійна» розпаду, яка представляє собою частку ядер, що розпалися в одиницю часу.

Величина зворотна «постійної» розпаду. характеризує середню тривалість життя ізотопу. Характеристикою стійкості ядер відносно розпаду є період напіврозпаду. т. е. час, протягом якого початкове кількість ядер зменшується вдвічі:

Зв'язок між і:

При радіоактивному розпаді виконується закон збереження заряду:

де - заряд розпалися або одержані (що утворилися) «осколків»; і правило збереження масових чисел:

де - масове число утворилися (розпалися) «осколків».

# 945; розпад є випромінювання ядер гелію. Характерний для «важких» ядер з великими масовими числами A> 200 і зарядом z> 82.

Правило зміщення при # 945; розпаді має такий вигляд (відбувається утворення нового елемента):

Відмітимо, що # 945; розпад (випромінювання) володіє найбільшою іонізуючої здатністю, але найменшою проникністю.

Розрізняють такі види # 946; розпаду:

- електронний # 946; розпад (# 946; - розпад);

- позитронний # 946; розпад (# 946; + -розпад);

- електронний захоплення (k-захоплення).

# 946; - розпад відбувається при надлишку нейтронів з виділенням електронів і антинейтрино:

# 946; + -розпад відбувається при надлишку протонів з виділенням позитронів і нейтрино:

Для електронного захоплення (k -захватил) характерно наступне перетворюється-щення:

Правило зміщення при # 946; розпаді має такий вигляд (відбувається утворення нового елемента):

# 946; розпад (випромінювання) має найменшу іонізуючої здатністю, але найбільшою проникністю.

# 945; і # 946;-випромінювання супроводжуються # 947; -випромінюванням. яке являє собою випромінювання фотонів і не є самостійним видом радіоактивного випромінювання.

# 947; -фотони виділяються при зменшенні енергії збуджених атомів і не викликають зміну масового числа A і зміна заряду Z. # 947;-випромінювання володіє найбільшою проникаючою здатністю.

Активність радіонуклідів - міра радіоактивності, що характеризує число розпадів ядер в одиницю часу. Для певної кількості радіонуклідів в певному енергетичному стані в заданий момент часу активність А задається у вигляді:

де - очікуване число спонтанних ядерних перетворень (число розпадів ядер), що відбуваються в джерелі іонізуючого випромінювання за інтервал часу.

Мимовільне ядерне перетворення називають радіоактивним розпадом.

Одиницею вимірювання активності радіонуклідів є зворотна секунда (), що має спеціальну назву бекерель (Бк).

Беккерель дорівнює активності радіонукліда в джерелі, в якому за час 1 сек. відбувається одне спонтанне ядерне перетворення.

Позасистемна одиниця активності - кюрі (Ku).

Кюрі - активність радіонукліда в джерелі, в якому за час 1 сек. відбувається 3,7. 10 10 спонтанних ядерних перетворень, т. Е. 1 Ku = 3,7. 10 10 Бк.

Наприклад, приблизно 1 г чистого радію дає активність 3,7. 10 10 ядерних розпадів в секунду.

Не всі ядра радіонукліда розпадаються одночасно. У кожну одиницю часу мимовільне ядерне перетворення відбувається з певною часткою ядер. Частка ядерних перетворень для різних радіонуклідів різна. Наприклад, із загального числа ядер радію щомиті розпадається 1,38. частина, а із загальної кількості ядер радону - 2,1. частина. Частка ядер, що розпадаються в одиницю часу, називається постійної розпаду # 955 ;.

З наведених визначень випливає, що активність А пов'язана з числом радіоактивних атомів N в джерелі в даний момент часу співвідношенням:

З плином часу кількість радіоактивних атомів зменшується за законом:

де - число залишилися радіоактивних атомів з часом t; - число радіоактивних атомів радіонукліда в початковий момент часу: t = 0.

Звідси випливає, що і активність радіонукліда також зменшується за час t за експоненціальним законом:

де - активність радіонукліда в початковий момент часу t = 0.

Після певного часу число радіоактивних атомів радіонукліда зменшується вдвічі - час називається періодом напіврозпаду. Між періодом напіврозпаду і постійної розпаду існує наступна залежність:

У різних радіонуклідів період напіврозпаду варіюється в дуже широких межах: від мільярдів років до мільйонних часток секунди. Наприклад, період напіврозпаду урану дорівнює 4,5 млрд років, радію - 1622 року, цезію - 30 років, радону - 3,8 дня і т. Д.

Після підстановки виразу (5) в формули (3) і (4) отримаємо:

Розрізняють також такі різновиди радіонукліда.

Ставлення активності радіонукліда в джерелі до його маси чи обсягу (для об'ємних джерел) називається питомою або об'ємною активністю, відповідно:

де. - питома і об'ємна активність речовини; А - активність радіонукліда в джерелі; m. V - маса і об'єм речовини, носія радіонукліда.

Якщо відношення активності береться до площі поверхні або до довжини джерела, то ці відносини називають відповідно поверхневої або лінійної активністю.

Вибір одиниць питомої активності визначається конкретним завданням. Наприклад, активність в повітрі висловлюють в беккерелях на кубічний метр (Бк / м 3) - об'ємна активність. Активність в воді, молоці та інших рідинах також виражається як об'ємна активність, так як кількість води і молока вимірюється в літрах (Бк / л). Активність в хлібі, картоплі, м'ясі та інших продуктах виражається як питома активність (Бк / кг).

Очевидно, що біологічний ефект впливу радіонуклідів на організм людини буде залежати від їх активності, т. Е. Від кількості радіонукліда. Тому об'ємна і питома активність радіонуклідів в повітрі, воді, продуктах харчування, будівельних та інших матеріалах нормуються.

Оскільки протягом певного часу людина може опромінювати різними шляхами (від надходження радіонуклідів в організм до зовнішнього опромінення), то всі фактори опромінення пов'язують певною величиною, яка називається дозою опромінення.