Строение вещества и явление радиоактивности

 

Атом (по греч. означает неделимый) - это наименьшая частица данного химического элемента, который имеет сложное строение и состоит из положительно заряженного ядра, где сосредоточено 99,95% массы атома и вращающихся вокруг него по определенным орбитам отрицательно заряженных электронов. Ядро атома имеет сложное строение и состоит из положительно заряженных протонов (ядер водорода) и не имеющих заряд нейтронов.

Физические свойства ядер атомов определяются следующими характеристиками:

- порядковым или атомным номером в таблице Менделеева, который показывает число протонов в ядре, следовательно, величину электрического заряда ядра и число электронов в атоме;

- массовым числом, которое определяет суммарное количество частиц, составляющих ядро, т.е. число протонов и нейтронов в ядре;

- числом нейтронов в ядре, которое определяется как разность между массовым числом и порядковым номером.

Протон несёт единицу положительного заряда и имеет атомный вес, примерно равный единице. Нейтрон имеет массу, почти равную массе протона и является электрически нейтральным.

При химических реакциях происходит перестройка только электронных оболочек без участия ядра. Атомы, ядра которых содержат одинаковое количество протонов, но различное число нейтронов называются изотопами.

В устойчивом состоянии атом удерживается в результате взаимосвязи все элементарных частиц:

- ядерные силы, самые интенсивные силы известные человеку в настоящее время в природе, но действуют они на очень малых расстояниях, удерживая в компактном состоянии нуклоны в ядре;

- электромагнитные силы, которые удерживают электроны на их оболочках на больших расстояниях от ядра;

- гравитационное взаимодействие;

- между одноимённо заряженными частицами ядра, т.е. протонами, действуют кулоновские силы отталкивания.

Вследствие огромного превышения сил притяжения над силами отталкивания ядра большая часть химических элементов прочна. Прочность ядра характеризуется энергией связи, которая измеряется в электрон вольтах (ЭВ, КЭВ, МЭВ). Наибольшей прочностью обладают ядра химических элементов расположенных в средине периодической системы с массовым числом от 40 до 120.

Электроны в атомах двигаются без потерь энергии только по определённым орбитам. Переход электрона с ближайшей к ядру орбиты на более удалённую орбиту, происходит с поглощением порции (кванта) энергии. При возвращении электрона на ближайшую орбиту происходит выделение такого же количества энергии.

В нормальных условиях атом электрически нейтрален (не выделяет и не поглощает энергию). Если на атом воздействовать силой извне, например рентгеновским лучом, один из электронов перейдёт на внешнюю орбиту.

Энергия атома увеличиться и он перейдёт в «возбуждённое» состояние. Возбуждённый атом неустойчив, поэтому через миллиардные доли секунды он вновь возвратиться в первоначальное положение. При этом переходе освобождается энергия в виде фотона (это элементарная частица электромагнитного излучения, двигающаяся со скоростью света). Если увеличить энергию, передаваемую электрону, он может оторваться от атома, в результате чего атом превращается в положительно заряженный ион. Этот процесс называется ионизацией. Обратный процесс, т.е. захват положительно заряженным ионом свободного электрона называется рекомбинацией. На ионизацию атома затрачивается энергия, равная энергии связи электрона в атоме. При рекомбинации, выделяется энергия равная связи электрона в ядре.

Это явление, открытое Анри Беккерелем и изученное Марией Склодовской и Пьером Кюри, получило название радиоактивности (естественной радиоактивности).

В настоящее время известно свыше 40 естественно радиоактивных элементов, которые являются изотопами тяжёлых элементов. Эти радиоактивные вещества образуют несколько семейств: урана (начинается с урана 238), тория, (начинается с тория 232), актиния (начинается с урана 235), все эти семейства оканчиваются стабильным изотопом свинца 236.

Естественная радиоактивность также обнаружена у некоторых лёгких элементов (лантан, рубидий, рений, калий, самарий и др.).

В ядерных реакторах и на ускорителях сейчас получено свыше 1000 различных искусственно радиоактивных изотопов, которые широко применяются в науке, технике, сельском хозяйстве и медицине.

Радиоактивность, это способность некоторых химических элементов самопроизвольно распадаться и испускать невидимые лучи.

Радиоактивность, это самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений. Такие элементы называют радиоактивными.

Радиоактивные вещества распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов.

Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен, каким либо способом.

Если поместить, скажем, радий в свинцовую коробку с узкой щелью, то с помощью приборов можно определить, что через неё проходит пучок лучей, который в магнитном поле разделяется. Лучи, отклоняющиеся в сторону отрицательного полюса, называются альфа лучами (с положительным зарядом), а лучи, которые отклоняются в сторону положительного полюса, называются бета лучами (с отрицательным зарядом). На третью часть пучка, гамма лучи, магнитное поле не действует (они не имеют электрического заряда).

Различают следующие виды радиоактивных превращений:

- положительный альфа распад;

- отрицательный электронный бета распад;

- «К» распад (захват орбитального электрона ядром);

- самопроизвольное деление ядер;

- термоядерные реакции.

При изучении процесса радиоактивного распада установлено, что не все ядра радиоактивного изотопа распадаются одновременно. В каждую единицу времени распадается лишь некоторая доля от общего числа радиоактивного элемента.

Эта неизменная для каждого радиоактивного вещества величина, которая характеризует вероятность распада, называется постоянной распада, отсюда закон радиоактивного распада формулируется так:

«Количество атомов данного изотопа, претерпевающего ядерное превращение в одну секунду пропорционально общему их количеству или в равные промежутки времени имеет место ядерное превращение равных долей активных атомов».

Атомы радиоактивных веществ распадаются в единицу времени. В зависимости от периода полураспада (т.е. времени, в течение которого распадается половина всех атомов данного радиоактивного изотопа), различают:

- короткоживущие изотопы, период полураспада которых исчисляется долями секунды, минутами, часами, сутками;

- долгоживущие изотопы, период полураспада которых от нескольких месяцев до миллиардов лет. Так для урана 238 он равен 4,5 млрд. лет, плутония 239 он равен 24 тыс. лет.

Количество атомов радона уменьшается на половину за 3,8 дня, следовательно, период полураспада радона равен 3,8 дня. Можно подсчитать, что через 10 периодов полураспада, т.е. через 38 дней остаётся лишь 1/1024 часть исходного числа атомов (лишь 0,1%).

В 1907 году Мария Склодовская Кюри подарила Парижскому институту 1 г. радия. Через 46 лет этого радия стало на 20 мг меньше. Через 1590 лет (это период полураспада радия) от 1 г. вещества останется 0,5 г.

Чем меньше период полураспада, тем большая доля атомов радиоактивного вещества распадается в единицу времени.

Число распадов в единицу времени в данном количестве радиоактивного вещества выражает активность вещества. Поэтому количество радиоактивных веществ удобней выражать не в весовых единицах, а в единицах активности. В системе СИ за единицу активности принимают беккерель (Бк), это количество радиоактивных веществ, в котором происходит один распад в секунду.

В несистемных единицах (в практической дозиметрии) используют кюри (Ки), это такое количество вещества, в котором происходит 37 млрд. распадов атомов в секунду.

Такой активностью обладает один грамм радия 226 (единица активности кюри соответствует активности одного грамма радия 226).