Элементы ядерной физики. Строение атома. Изотопы, изобары, изомеры. Явление радиоактивности и единицы ее измерения. Закон радиоактивного распада. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Элементы ядерной физики. Строение атома. Изотопы, изобары, изомеры. Явление радиоактивности и единицы ее измерения. Закон радиоактивного распада.



Строение атома

 

Окружающий нас мир построен из бесчисленного множества атомов различных элементов. Размеры атомов чрезвычайно малы. Достаточно сказать, что диаметр самого легкого атома водорода составляет всего лишь одну стомиллионную часть сантиметра (10−9см).

Атом (гр. Слово atomos - неделимый) представляет собой элементарную частицу, которая сохраняет все физические и химические свойства данного элемента. До конца 19 века считалось, что атом неделим. Однако как показали исследования в области атомной физики, атом — это сложная система, состоящая из более мелких элементарных частиц. Итак,

Мельчайшую частицу химического элемента, которая является носителем его химических свойств, называется атомом. В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов, т. к. их внешние оболочки замкнутые, все остальные вещества существуют в виде молекул.

Атом любого элемента можно разделить на субатомные (элементарные) частицы, и в этом случае он утратит свойства, характерные для данного элемента.

К элементарным частицам относят электроны, протоны, нейтроны, мезоны, нейтрино и ряд других. Определение «элементарные»- не означает, что эти частицы простейшие бесструктурные элементы материи. Например, электрон, так же многообразен, как и атом.

Атомы всех элементов, входящих в периодическую систему, состоят из электронов, протонов, и нейтронов. Один элемент отличается от другого только числом и расположением этих частиц.

В начале XX в. было выдвинуто несколько теорий строения атома, которые называли моделями атома.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая более глубже была развита Н. Бором (1913).

Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемешаются по электрическим орбитам электроны, образующие элиптическую оболочку атома.

Электронная оболочка — оболочка атома образованная электронами. Электрон представляет, собой элементарную частицу с поперечным сечением порядка 10−18 см. Его масса равна 9.1*10−28 гг, или 0,000548 ат.ед. массы, е энергетический эквивалент электрона составляет 0,000543*931 = 0,511 МэВ. (энергию частиц выражают в электровольтах - эВ). эВ - энергия, которую приобретает электрон проходящий в электрическое поле с разностью потенциалов в 1В.

Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества 1.602* 10−19 кулона и поэтому его обозначают символом е. Число электронов в нейтральном атоме каждого элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Мендилеева.

Каждый электрон вращается в определенной зоне вокруг ядра. Если электронов 3 и больше, то вращаются на орбитах разных радиусов или, как говорят, на разных уровнях. Орбиты группируются в определенные электронные слои, окружающие ядро, они создают его оболочку. Таких слоев максимально может быть семь.

Их обозначают буквами латинского алфавита: К,L,M,N,O,P,Q, причем ближайший к ядру является слой - К.

Соответственно числу электронных слоев в периодической системе все элементы размещаются в семи периодах.

Сумма отрицательных зарядов электронов оболочки уравновешивается равновеликим, но положительным зарядом ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии атом в целом электрически нейтрален. Чем ближе к ядру вращается электрон, тем меньше уровень энергии вращения (кинетическая энергия), но тем больше его энергия связи с ядром (потенциальная энергия).

Например, энергия К - электрона Sr90 (стронций) равно 16,15 кэВ (килоэлектрон вольт), а альфа- электрон только 1.95 кэВ.Энергия связи электрона на внешней орбите часто не превышает 1-2 эВ. И отсюда его сорвать легче. Здесь он легче вступает во взаимодействие с окружающей средой, чем электроны других орбит обуславливают электрические, химические, оптические и др. свойства атома.

Поскольку в каждом слое электроны имеют свой уровень энергии, то перескок отдельного электроне с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или освобождением энергии. Но так как орбиты имеют строго определенные диаметры, то изменения энергии электрона совершаются ступенчато, определенными порциями.

Строение атома. Атом, обладающий избытком энергии называется ВОЗБУЖДЕННЫМ, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленным, от ядра - процессом ВОЗБУЖДЕНИЯ.

Поскольку в природе всякая система стремится перейти в положение, при котором ее энергия будет наименьшей то и атом из возбужденного состояния переходит первоначальное.

Возращение атома в обычное состояние сопровождается делением избыточной энергии. Переход электронов из внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновым излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома (характеристическое рентгеновское излучение).

Переходы электронов в пределах внешних орбит дают оптический спектр, который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей.

При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы.

Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов - в отрицательный.

Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов.

Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией.

Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени.

Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизация) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, количественно примерно равно затраченной на ионизацию. Таким образом, с положением электронов в электронной оболочке связано ряд свойств атома: возбуждение, ионизация и излучение энергии.

Процесс ионизации атомов имеет важное практическое значение для обнаружения и дозиметрии излучений, а также для понимания биологического действия ионизирующей радиации.

Строение ядра.

Ядро атома имеет главное, определяющее значение для атома и в частности, обуславливает строение его электронных оболочек. Вещество ядра чрезвычайно плотно упаковано.

Ядро обладает зарядом положительного электричества и состоит из протонов и нейтронов. Обе эти частицы рассматриваются как разные состояния одной и той же тяжелой частицы, называемой нуклоном (гр. нуклеус - ядро).

Протон и нейтрон имеют массу, близкую к единице (1 а.е.м.) причем протон имеет единичный элементарный положительный электрический заряд, а нейтрон электрического заряда не имеет.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе, иначе называемому атомным номером или зарядовым числом - Z (зета).

Число нуклонов, т.е. протонов и нейтронов вместе, соответствуют атомному весу элемента, округленному до целых единиц. Это число называется массовым числом и обозначают буквами М или А.

Очевидно, число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента

N= М (А) - Z

Диаметр ядра атома равен примерно 10-13...10-12 см и составляет 0,0001 диаметра всего атома. Однако практически вся масса атома (99,95 - 99,98%) сосредоточено в ядре, рассчитано, что если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, то оно весило бы 100 - 200 млн. т. Масса электронной оболочки незначительна, поэтому масса ядра почти совпадает с массой атома.

При обозначении атомов обычно пользуются символом элемента, которому принадлежит атом, и указывают сверху массовое число, а внизу — порядковый номер(Z) в форме индекса Х где Х - символ элемента, например, ядро углерода С содержит 12 нуклонов, из них 6 протонов, ядро натрия 23 Na имеет 23 нуклона, из них 11 протонов.

Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне определяет его место в периодической системе.

Энергия связи частиц в атоме.

Внутри ядра между одноименно заряженными протонами существуют силы взаимного отталкивания (кулоновское отталкивание). Но наряду с ними тут действуют гораздо более мощные ядерные силы взаимопритяжения, удерживающие протоны и нейтроны в ядре.

Считают, что наиболее вероятно ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами и особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называют ПИ - мезонами или пионами. Ядерные силы - короткодействующие. Они значительны только на очень малых расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц (10-13 см). С увеличением расстояния между ядерными частицами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически равными 0.

Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное количество протонов и нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны а нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил надо совершить работу, т.е. затратить энергию.

Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов выделяется энергия связи. Если, например, рассчитать массу ядра атома гелия по формуле: m = m N + m N (m масса ядра, m - масса прогона, N — количество протонов, m - масса нейтронов, N - количество нейтронов), то она будет равна:

m = 1,0076*2 + 1,0089*2 -=4,033 а.е.м.

Фактически, масса ядра гелия = 4,003 а.е.м.

Т.к. масса ядра гелия оказывается меньше массы своих составных частей, взятых в отдельности, на величину 0,03 а.е.м. В этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы(недостаток массы).

Разница между массой ядра расчетной и массой ядра фактической называется дефектом массы ( m) m = m расчетная - m - фактическая.

Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а так же сколько выделилось энергии при образовании ядра из отдельных нуклонов.

Этот расчет можно произвести на основании уравнения взаимосвязи между массой и энергией, разработанного А. Эйнштейном:

Е = mc , где

Е- энергия в эргах; m - масса в г; с - скорость света, равная 3*10 см/с.

В соответствии с этим законом масса и энергия представляет собой разные формы одного и того же явления.

Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного вида в другой, т.е. любому изменению массы m системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии Е:

Е = mc .

Использовав это уравнение, подсчитаем энергию, которая выделится при образовании ядра гелия из отдельных нуклонов:

Е = 0,03* 1,6* 10-24*(3*10 ) =4,5*10 эрг.

За единицу энергии принят электронвольт, поэтому энергию связи ядра можно выразить в электрон-вольтах исходя из того, что энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ

Е = 0,03* 931= 27,93 МэВ ̴28 МэВ.

Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на 2 протона и 2 нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не меньше 28 М эВ энергии.

Средняя энергия связи, приходящиеся на один нуклон, называется удельной энергиейсвязи (сила атома). Для гелия оно составляет 28:4 = 7 МэВ.

Следовательно, зная дефект массы, можно легко вычислить энергию связи ядра. Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако нестрого пропорционально их числу. Например, энергия ядре дейтерия составляет 2,2 МэВ, азота - 104,56, а урана - 1800 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), это энергия связи на 1 нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Для сравнения необходимо напомнить что химическая энергия связи атомов в молекулах в расчете на 1 атом равно нескольким электровольтам (2 - 5 эВ). Именно этим объясняется, что ядерные реакции характеризуются в миллион раз большими энергиями, чем обычные химические реакции. Таким образом закон взаимосвязи массы и энергии показывает, откуда возникает та колоссальная энергия, которая выделяется при синтезе и делении ядер.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-20; просмотров: 337; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.232.188.122 (0.029 с.)