Строение атома и атомного ядра

Каждый атом состоит из ядра и атомной оболочки, в состав которых входят различные элементарные частицы – нуклоны и электроны (рис. 5.1). Ядро – центральная часть атома, содержащая практически всю массу атома и обладающая положительным зарядом. Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые являются двухзарядными состояниями одной элементарной частицы – нуклона. Заряд протона +1; нейтрона 0.

Заряд ядра атома равен Z ^. ē, где Z – порядковый номер элементов (атомный номер) в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре; ē – заряд электрона.

Число нуклонов в ядре называется массовым числом элемента (A):

A = Z + N,

где Z – число протонов; N – число нейтронов в атомном ядре.

Для протонов и нейтронов массовое число принимают равное 1, для электронов равное 0.

 

 

 

Рис. 5.1. Строение атома

 

Общеприняты следующие обозначения для какого-нибудь химического элемента X: , здесь A – массовое число, Z – атомный номер элемента.

Атомные ядра одного и того же элемента могут содержать разное число нейтронов N. Такие разновидности атомных ядер называются изотопами данного элемента. Таким образом, изотопы имеют: одинаковый атомный номер, но различные массовые числа A. Большинство химических элементов представляют собой смесь различных изотопов, например изотопы урана:

.

Атомные ядра различных химических элементов могут иметь одинаковое массовое число А (с разным числом протонов Z). Такие разновидности атомных ядер называются изобарами. Например:

– – – ; –

Атомная масса

Для характеристики массы атомов и молекул используют понятие атомной массы M – это относительная величина, которая определяется по отношению
к массе атома углерода и принимается равной m _а = 12,000 000. Для
абсолютного определения атомной массы была введена атомная единица
массы (а.е.м.), которая определяется по отношению к массе атома углерода в следующем виде:

.

Тогда атомную массу элемента можно определить как:

,

где М – атомная масса изотопов рассматриваемого элемента. Это выражение облегчает определение массы ядер элементов, элементарных частиц, частиц – продуктов радиоактивных превращений и т. д.

Дефект массы ядра и энергия связи ядра

Энергия связи нуклона – физическая величина, численно равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Нуклоны связаны в ядре благодаря ядерным силам, которые значительно превосходят силы электростатического отталкивания, действующие между протонами. Для расщепления ядра необходимо преодолеть эти силы, т. е. затратить энергию. Соединение нуклонов с образованием ядра, напротив, сопровождается высвобождением энергии, которую называют энергией связи ядра Δ W _св:

,

где – так называемый дефект массы ядра; с ≈ 3^. 10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Энергия связи ядра – физическая величина, равная работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на отдельные нуклоны без сообщения им кинетической энергии.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы, т. е. масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов, эта разница называется дефектом масс Δ m:

,

где m_p – масса протона; m_n – масса нейтрона; m _ядр – масса ядра.

При переходе от массы ядра m _ядр к атомным массам элемента m _а, это выражение можно записать в следующем виде:

,

где m _H – масса водорода; m_n –масса нейтрона и m _а – атомная масса элемента, определенные через атомную единицу массы (а.е.м.).

Критерием устойчивости ядра является строгое соответствие в нем числа протонов и нейтронов. Для устойчивости ядер справедливо следующее соотношение:

,

где Z – число протонов; A – массовое число элемента.

Из известных к настоящему времени примерно 1700 видов ядер, только около 270 являются стабильными. Причем в природе преобладают четно­-четные ядра (т. е. с четным числом протонов и нейтронов), которые являются особенно стабильными.

 

Радиоактивность

Радиоактивность – превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого химического элемента с выделением некоторых элементарных частиц. Различают: естественную и искусственную радиоактивность.

К основным видам относят:

– α-излучение (распад);

– β-излучение (распад);

– спонтанное деление ядра.

Ядро распадающегося элемента называется материнским, а ядро образующегося элемента – дочерним. Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется следующему закону радиоактивного распада:

,

где N ₀ – число ядер в химическом элементе в начальный момент времени; N – число ядер в момент времени t; – так называемая «постоянная» распада, которая представляет собой долю ядер, распавшихся в единицу времени.

Величина обратная «постоянной» распада , характеризует среднюю продолжительность жизни изотопа. Характеристикой устойчивости ядер относительно к распаду является период полураспада , т. е. время, в течение которого первоначальное количество ядер уменьшается вдвое:

.

Связь между и :

, .

При радиоактивном распаде выполняется закон сохранения заряда:

,

где – заряд распавшихся или получившихся (образовавшихся) «осколков»; и правило сохранения массовых чисел:

,

где – массовое число образовавшихся (распавшихся) «осколков».

5.4.1. α и β-распад

α-распад представляет собой излучение ядер гелия . Характерен для «тяжелых» ядер с большими массовыми числами A > 200 и зарядом z > 82.

Правило смещения при α-распаде имеет следующий вид (происходит образование нового элемента):

.

Пример:

; .

Отметим, что α-распад (излучение) обладает наибольшей ионизирующей способностью, но наименьшей проницаемостью.

Различают следующие виды β-распада:

– электронный β-распад (β^–-распад);

– позитронный β-распад (β⁺-распад);

– электронный захват (k-захват).

β^–-распад происходит при избытке нейтронов с выделением электронов и антинейтрино :

.

β⁺-распад происходит при избытке протонов с выделением позитронов и нейтрино :

.

Для электронного захвата (k -захвата) характерно следующее превра­щение:

.

Правило смещения при β-распаде имеет следующий вид (происходит образование нового элемента):

для β^–-распада: ;

для β⁺-распада: .

β-распад (излучение) обладает наименьшей ионизирующей способностью, но наибольшей проницаемостью.

α и β-излучения сопровождаются γ-излучением, которое представляет собой излучение фотонов и не является самостоятельным видом радиоактивного излучения.

γ-фотоны выделяются при уменьшении энергии возбужденных атомов и не вызывают изменение массового числа A и изменение заряда Z. γ-излучение обладает наибольшей проникающей способностью.

Активность радионуклидов

Активность радионуклидов – мера радиоактивности, характеризующая число распадов ядер в единицу времени. Для определенного количества радионуклидов в определенном энергетическом состоянии в заданный момент времени активность А задается в виде:

, (1)

где – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений (число распадов ядер), происходящих в источнике ионизирующего излучения за интервал времени .

Самопроизвольное ядерное превращение называют радиоактивным распадом.

Единицей измерения активности радионуклидов является обратная секунда (), имеющая специальное название беккерель (Бк).

Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время 1 сек. происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемная единица активности – кюри (Ku).

Кюри – активность радионуклида в источнике, в котором за время 1 сек. происходит 3,7^. 10¹⁰ спонтанных ядерных превращений, т. е. 1 Ku = 3,7^. 10¹⁰ Бк.

Например, примерно 1 г чистого радия дает активность 3,7^. 10¹⁰ ядерных распадов в секунду.

Не все ядра радионуклида распадаются одновременно. В каждую единицу времени самопроизвольное ядерное превращение происходит с определенной долей ядер. Доля ядерных превращений для разных радионуклидов различна. Например, из общего числа ядер радия ежесекундно распадается 1,38^. часть, а из общего количества ядер радона – 2,1^. часть. Доля ядер, распадающихся в единицу времени, называется постоянной распада λ.

Из приведенных определений следует, что активность А связана с числом радиоактивных атомов N в источнике в данный момент времени соотношением:

. (2)

С течением времени число радиоактивных атомов уменьшается по закону:

, (3)

где – число оставшихся радиоактивных атомов по прошествии времени t; – число радиоактивных атомов радионуклида в начальный момент времени: t = 0.

Отсюда следует, что и активность радионуклида также уменьшается за время t по экспоненциальному закону:

, (4)

где – активность радионуклида в начальный момент времени t = 0.

По прошествии определенного времени число радиоактивных атомов радионуклида уменьшается вдвое – время называется периодом полураспада. Между периодом полураспада и постоянной распада существует следующая зависимость:

. (5)

У различных радионуклидов период полураспада варьируется в очень широких пределах: от миллиардов лет до миллионных долей секунды. Например, период полураспада урана равен 4,5 млрд лет, радия – 1622 года, цезия – 30 лет, радона – 3,8 дня и т. д.

После подстановки выражения (5) в формулы (3) и (4) получим:

; (6)

. (7)

Различают также следующие разновидности радионуклида.

Отношение активности радионуклида в источнике к его массе или объему (для объемных источников) называется удельной или объемной активностью, соответственно:

(8)

где , – удельная и объемная активность вещества; А – активность радионуклида в источнике; m, V – масса и объем вещества, носителя радионуклида.

Если отношение активности берется к площади поверхности или к длине источника, то эти отношения называют соответственно поверхностной или линейной активностью.

Выбор единиц удельной активности определяется конкретной задачей. Например, активность в воздухе выражают в беккерелях на кубический метр (Бк/м³) – объемная активность. Активность в воде, молоке и других жидкостях также выражается как объемная активность, так как количество воды и молока измеряется в литрах (Бк/л). Активность в хлебе, картофеле, мясе и других продуктах выражается как удельная активность (Бк/кг).

Очевидно, что биологический эффект воздействия радионуклидов на организм человека будет зависеть от их активности, т. е. от количества радионуклида. Поэтому объемная и удельная активность радионуклидов в воздухе, воде, продуктах питания, строительных и других материалах нормируются.

Поскольку в течение определенного времени человек может облучаться различными путями (от поступления радионуклидов в организм до внешнего облучения), то все факторы облучения связывают определенной величиной, которая называется дозой облучения.