Серії випромінювання. Умови квантування.

Характеристичне рентгенівське випромінювання виникає внаслідок того, що потужне катодне проміння, проеикаючи у глибину потужних електронних оболонок атомів, вириває електрони з нижніх шарів і спричиняє вихід їх за межі атома. Якщо, наприклад, електрон буде вирваний з шару К, то на його місце переміститься електрон з якого-небуть дальшого шару, L,M… На вивільнене місце у дальшому шарі перейде електрон з ще дальшого щару. При таких переходах електронів у важких атомах випромінюються фотони рентгенівського проміння. Оскільки енергія фотонів визначається різницею енергетичних рівнів атмів даної речовини, то випромінювання такого типу дає лінійчастий спектр, характерний для речовини анода. Спектр випромінювання розбивається на серії. Найбільш короткохвильова з цих серій позначається літерою K, а окремі лінії в цій серії грецькими літерами. Так, К-серія складається із трьох ліній K_α, K_β, K_γ. Наступні серії позначаються літерами L, M та N. Для легких хімічних елементів існує тільки K-серія, інші серії з'являються у важчих елементів, що пояснюється існуванням більшого числа внутрішніх електронних оболонок. K-серія зумовлена переходами на оболонки, найближчі до ядра атома. Окремі лінії в K-серії зумовлені переходами із різних зовнішніх електронних оболонок.. Лінійчасті рентгенівські спектри різних речовин дуже подібні між собою, бо електронні оболонки різних атомів забудовуються в тому самому порядку. Проте із зростанням атомного номера Z весь характеристичний рентгенівський спектр зміщується в короткохвильову частину. (в зош – лекція 12)

 

137. А́том (від грец. άτομοσ — неподільний) — найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно заряджених електронів. Коли число протонів відповідає числу електронів, атом електрично нейтральний; в іншому випадку це є іон, з певним зарядом. Атоми класифікують відповідно до числа протонів та нейтронів: число протонів визначає хімічний елемент, а число нейтронів визначає нуклід елементу. Будову атома можна викласти у рамках хвильової моделі, яка опирається на модель Бора, але враховує також додаткові відомості з квантової механіки. За цією моделлю: Атоми складаються із елементарних частинок (протонів, електронів, та нейтронів). Маса атома в основному зосереджена в ядрі, тому більша частина об'єму відносно порожня. Ядро оточене електронами. Кількість електронів дорівнює кількості протонів у ядрі, кількість протонів визначає порядковий номер елемента в періодичній системі. У нейтральному атомі сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному зарядові протонів. Атоми одного елемента з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами. У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів та нейтронів.

Ядро атому приблизно в 10 000 разів менше, ніж сам атом. Таким чином, якщо збільшити атом до розмірів аеропорту Бориспіль, розмір ядра буде меншим від розміру кульки для настільного тенісу.

Ядро оточене електронною хмарою, яка займає більшу частину його об'єму. В електронній хмарі можна виділити оболонки, для кожних з яких існує кілька можливих орбіталей. Заповнені орбіталі складають електронну конфігурацію, властиву для кожного хімічного елемента.

Кожна орбіталь може містити до двох електронів, що характеризуються трьома квантовими числами: основним, орбітальним і магнітним.

Кожен електрон на орбіталі має унікальне значення четвертого квантового числа: спіну.

Орбіталі визначаються специфічним розподілом ймовірності того, де саме можна знайти електрон. «Границею» орбіталі вважається відстань, на якій імовірність того що електрон може перебувати поза нею є меншою 90%.

Кожна оболонка може містити не більше від строго визначеного числа електронів. Наприклад, найближча до ядра оболонка може мати максимум два електрони, наступна — 8, третя від ядра — 18 і так далі. Коли електрони приєднуються до атому, вони опускаються на орбіталь із найнижчою енергією. Атоми можуть віддавати та приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами.

Велику роль у розвитку уявлень про будову атома відіграли досліди Е. Резерфорда із вивчення розсіяння a -частинок в речовині.

a -Частинки утворюються під час природного радіоактивного розпаду деяких важких елементів – це позитивно заряджені частинки з зарядом 2е і масою, яка приблизно в чотири рази більша за масу атома водню.

Спрощена схема досліду Резерфорда зображена на рис. 166. Джерело a -частинок поміщене всередині свинцевої порожнини з вузьким каналом. Усі a -частинки, крім тих, що рухаються всередині вузького каналу, поглинаються свинцем.

Потік a -частинок, пройшовши через вузьку діафрагму Д, потрапляє на тонку золоту фольгу завтовшки , що складається з декількох атомних шарів. При проходженні через фольгу a -частинки відхиляються на різні кути і потрапляють на екран Е, який можна поміщати в різних положеннях відносно фольги. Екран покритий флюоресцентною речовиною. За допомогою мікроскопа М можна спостерігати місця потрапляння a -частинок за свіченням екрана. Поведінку a -частинок після проходження через фольгу вивчали в камері Вільсона.

Резерфорд з’ясував, що потік a -частинок, пройшовши крізь фольгу, майже не відхиляється від прямолінійного напрямку і лише деякі частинки змінюють напрямок руху, відхиляючись на дуже великі кути, близько 135 – 150 (рис. 167).

 

На підставі досліду Резерфорд зробив такі висновки.

1. Оскільки переважна більшість a -частинок проходить через атоми, не змінюючи свого напрямку, то атом прозорий, і частинки, на яких відбувається розсіювання, займають об’єм, значно менший за об’єм атома.

2. Оскільки при розсіюванні спостерігаються кути відхилення a -частинок близько 150 , то взаємодіють одноіменно заряджені частинки, тобто розсіювання відбувається на позитивно заряджених частинках.

3. Після проходження a -частинкою фольги в камері Вільсона спостерігалися треки однакової довжини, які належать лише a -частинці. Отже, маса частинки, на якій відбувається розсіювання, значно більша від маси a -частинки і через це вона не отримує прискорення.

4. Резерфорд приблизно розрахував розмір частинки, на якій відбувається розсіювання. Радіус цієї частинки дорівнював .

В той же час, радіус атома .

Отже, частинка, на якій відбувається розсіювання a- частинок, займає в атомі об’єм, який значно менший від об’єму атома.

На підставі результатів дослідів з розсіянням a- частинок тонкими фольгами Резерфорд запропонував ядерну модель атома. Згідно з цією моделлю в ядрі атома – малій, порівняно з об’ємом усього атома, області з лінійними розмірами – зосереджено його позитивний заряд і практично вся маса атома.

Навколо ядра в області з лінійними розмірами ~ по замкнених орбітах рухаються електрони, маса яких становить дуже малу частку маси атома. Внаслідок того, що атом електрично нейтральний, заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тобто навколо ядра обертається електронів. Орбіти електронів в атомі стаціонарні, атому властива виняткова стійкість.

Стійкість атома не можна погодити з класичним поясненням ядерної моделі. Електрон по коловій орбіті рухається з доцентровим прискоренням , а згідно із законами електродинаміки він повинен випромінювати електромагнітні хвилі. За класичними уявленнями це випромінювання (і пов’язана з ним втрата електроном енергії) повинно відбуватися безперервно. Тому електрон не зможе триматись на коловій орбіті – він повинен по спіралі наближатись до ядра, і частота його обертання навколо ядра (і частота випромінювання ним електромагнітних хвиль) повинна безперервно змінюватись. Електромагнітне випромінювання атома повинно мати неперервний, а не лінійчастий спектр.

138. Радіоакти́вність — це здатність деяких ядер самочинно (спонтанно) перетворюватись на інші ядра з висиланням елементарних частинок. Таких перетворень застають тільки нестабільні ядра. Розрізняють природну і штучну радіоактивність. Природна радіоактивність – це самочинне перетворення ядер, що зустрічається у природі у земних умовах. Штучна радіоактивність – радіоактивність ізотопів, отриманих у результаті ядерних реакцій у лабораторних умовах. Відмінності між ними майже немає, оскільки спосіб утворення радіоактивного ізотопу не впливає на його властивості й закони радіоактивного розпаду.

При радіоактивному розпалі ядро випромінює ядра гелію ₂⁴Не (а- частинки), електрони (β - частинки) і короткохвильове електромагнітне випромінювання (гама - кванти). Через наявність заряду а-частинки і β –частинки відхиляються електричним і магнітним полями. Швидкість вильоту частинок становить близько 10 ⁷ м/с, β – частинок – близько 10 ⁸ м/с гама-випромінювання не відхиляється у електричному і магнітному полях.

Радіоактивний розпад - природне радіоактивне перетворення ядер. При цьому ядро, яке зазнає розпаду, називається материнським, а те, що утворюється, - дочірнім.

Нехай N - кількість радіоактивних ядер у момент часу t, a dN – кількість ядер, що розпалися за інтервал часу від t до t+ dt.

Тоді ймовірність розпаду

Р = -dN / N, де знак мінус вказує, що загальна кількість ядер, що не розпалися N, зменшується з плином часу.

Кількість радіоактивних розпадів у одиницю часу називають активністю (А) нукліда: А=dN / dt. Активність - це кількість нуклідів, що розпалися за одиницю часу. У СІ одиниця виміру активності – беккерель (Бк).

Також, в даний час, крім альфа-, бета- і гама-розпадів, помічено розпади з емісією нейтрона, протона (а також двох протонів), кластерна радіоактивність, спонтанний поділ. Електронний захват, позитронний розпад (або β ⁺ -распад), а також подвійний бета-розпад (і його види) зазвичай вважаються різними типами бета-розпаду. Законом радіоактивного розпаду називається математична залежність числа атомів N, які не розпались протягом деякого часу t після початку відліку (), від початкового числа атомів і від часу t: , де число (основа натурального логарифма), — стала радіоактивного розпаду, яка є характеристикою даної радіоактивної речовини, обернено пропорційною періоду піврозпаду: .
Цю залежність раніше подавали у спрощеному вигляді: , де T — період піврозпаду (час, за який розпадається ядер).

Функція називається експоненціальною функцією, отже кількість «уцілілих» ядер зменшується з часом за експоненціальним законом, графіком якого є спадна крива. 

 

139. Радіоактивність - здатність радіонуклідів спонтанно перетворюватися в атоми інших елементів, внаслідок переходу ядра з одного енергетичного стану в інший, що супроводжується іонізуючим випромінюванням. У нормальному стані співвідношення між кількістю нейтронів і протонів в ядрі суворо визначений. Відстань між ними, їх енергія зв'язку - мінімальні, ядро стійке. У результаті опромінення нейтронами (або іншими частками), ядро переходить у збуджений стан. Через проміжок часу воно переходить у стійкий стан, а надлишкова енергія перетворюється у радіоактивне випромінювання ядра. Процес переходу ядер з нестійкого в стійке стан з випромінюванням надлишкової енергії називається радіоактивним розпадом.
1. Природа, джерела, механізм взаємодії з речовиною, особливості впливу на організм людини нейтронного випромінювання
.1 1.1 Нейтронне випромінювання
Основними видами радіоактивних випромінювань при розпаді ядер є:
гамма - випромінювання;
бета - випромінювання;
альфа - випромінювання;
нейтронне випромінювання.
Нейтронне випромінювання. Нейтрони випромінюються ядрами при ядерних реакціях, коли отримана ззовні ядром енергія буває достатня для руйнування зв'язку нейтрона з ядром, у результаті поділу ядер урану. Не маючи заряду, нейтрони не взаємодіють з електричними полями електронів і ядер при проходженні через речовину і безперешкодно рухаються до зіткнення з ядром. А так як розміри ядер незмірно менше самих атомів, то зіткнення дуже рідкісні і довжина вільного пробігу навіть у твердих тілах досягає кілька сантиметрів (у повітрі сотні метрів).
Розглядають три види взаємодії нейтронів з речовиною:
пружне розсіювання на ядрах - коли частина енергії нейтрона передається ядру, інша частина залишається у розсіяного нейтрона. При пружному розсіянні внутрішня енергія ядра не змінюється, вона лише набуває кінетичну енергію;
непружне розсіювання на ядрах - коли внутрішня енергія віддачі змінюється. Ядро стає збудженим і повертаючись до нормального стану може випустити гамма-квант;
захоплення нейтронів ядрами - при захопленні нейтронів ядрами утворюється сильно порушена ядро, яке, повертаючись до нормального стану, може випустити різні частинки.
За енергії нейтрони діляться на теплові, проміжні і швидкі. Для захисту від нейтронного випромінювання застосовуються матеріали, що мають високу сповільнює і поглинаючою здатністю - вода, парафін, графіти, бор, кадмій і т.д.
Основним джерелом нейтронів є працюючий реактор. Під дією нейтронів у реакторі відбувається активація теплоносія, конструкційних матеріалів, а також продуктів корозії устаткування і трубопроводів. Утворені при цьому радіоактивні ізотопи є джерелами гамма-і бета - випромінювань. При розподілі урану в реакторі утворюються осколкові продукти поділу володіють, в основному, гамма-і бета-активністю, а також газоподібні продукти поділу.

Термоядерний синтез.

Термоядерна реакція — реакція синтезу (злиття) легких ядер, які відбуваються лише при високій температурі. У результаті вимушеного зближення між ядрами виникають сили притягання, достатні для втримання ядер. У такий спосіб утворюється новий елемент. У природі такі процеси відбуваються в зірках. На цих реакціях ґрунтується принцип дії водневої бомби.

Насправді реакції синтезу легких ядер відбуваються з помітною інтенсивністю при значно нижчих температурах, порядку 10⁷ К. Причина цього – наявність у тепловому русі частинок з швидкостями, значно вищими від середніх; крім того, істотну роль відіграє так званий тунельний ефект. Згідно з квантовою механікою існує певна ймовірність того, що частинка проникне крізь потенціальний бар’єр з енергією, меншою від нього, проходячи наче через тунель в бар’єрі. Найсприятливіші умови створюються для реакцій синтезу ядер ізотопів водню.

У реакціях синтезу виділяється енергії більше, ніж при діленні важких ядер. При синтезі 400 грамів гелію звільняється енергія, еквівалентна 10 400 тонам вугілля, або 2 грами дейтерію дають 1013 джоуль енергії.

Але досі на Землі не вдалося здійснити керовану термоядерну реакцію, тому що для зближення ядер атомів на близькі відстані необхідна велика енергія. Єдина можливість – це перевести речовину в стан плазми, а потім збільшити температуру плазми настільки, щоб ядра почали взаємодіяти. Але поки що на Землі не знайдено матеріалу, який би витримав температуру 10⁷ К. Некерована реакція синтезу вибухового типу була використана у водневій бомбі.

Для утворення високотемпературної призми практикуються потужні імпульсні електричні розряди в газах. У цих розрядах максимальна сила струму досягає величини 2*10⁶ А. Імпульси такого струму дістають від заряджених потужних батарей конденсаторів. Імпульсні електричні розряди проводяться в дейтерієво-тритієвій суміші та інших газах.

Створення керованої термоядерної реакції є генеральним напрямом енергетики майбутнього.

Атомна енергетика.

АТОМНА ЕНЕРГЕТИКА - область техніки, заснована на використанні реакції поділу атомних ядеp для вироблення теплоти та виробництва електpоенергіі. Існують pі зні типи паливних циклів, що залежать від типу pеактоpа і від того, як пpотікає кінцева стадія циклу.

Атомна енергія зумовлюється ядерними силами, які діють між нуклонами, тобто нейтронами, і протонами. Енергія зв'язку, яка припадає на 1 нуклон, неоднакова для різних ядер. Вона найбільша для ядер середньої ваги (8,6 МеВ); для найважчих ядер — бл. 7,5 МеВ; для легких ядер вона змінюється від 1,1 МеВ (дейтерій) до 7,0 МеВ (4He).

Першу в світі атомну електростанцію було збудовано в СРСР і пущено 27 червня 1954.

Для одержання атомної енергії можна користуватися ядерними реакціями поділу і ядерними реакціями синтезу. Реакції синтезу можуть відбуватися тільки тоді, коли ядра наближаються одне до одного на відстань, меншу за 10-13 см, на якій починають діяти ядерні сили. Зближенню ядер протидіють кулонівські сили відштовхування; тому, щоб ці сили подолати, ядра повинні мати достатню енергію. Одержання вільних нейтронів і прискорення руху заряджених частинок вимагає витрати енергії. Імовірність попадання таких частинок у ядра дуже мала. Тому витрачена енергія перевищує енергію, яка виділяється при ядерних реакціях. Енергетичний виграш можна дістати тільки в тому випадку, коли перетворення відбувається внаслідок ланцюгових реакцій.

Ядерна енергетика(атомна енергетика) — галузь енергетики, що використовує ядерну енергію для електрифікації і теплофікації; область науки і техніки, що розробляє методи і засоби перетворення ядерної енергії в електричну і теплову. Основа ядерної енергетики — атомні електростанції, які забезпечують близько 6 % світового виробництва енергії та 13-14 % електроенергії.

Атомна електростанція в основному складається із тих самих елементів, що й звичайна теплова. Основна відмінність у генераторі енергії. У звичайному котлі використовується хімічна енергія згоряння органічного палива, тобто енергія зв’язку атомів вуглецю і кисню; в ядерному реакторі виділяється енергія зв’язку нейтронів і протонів під час поділу ядер урану та плутонію.

 

140. Зв'язок між енергією і масою неминуче випливає з закону збереження енергії і того факту, що маса тіла залежить від швидкості його руху. Це видно з простого прикладу. При нагріванні газу в посудині йому повідомляється певна енергія. Швидкість хаотичного теплового руху молекул залежить від температури, і збільшується з нагріванням газу. Збільшення швидкості руху молекул згідно з формулою означає збільшення маси всіх молекул. Отже, маса газу в посудині збільшується при збільшенні його внутрішньої енергії.

За допомогою "теорії відносності» Ейнштейн встановив формулу зв'язку між енергією і масою:

E = mc2

Енергія тіла або системи тіл дорівнює масі, помноженої на квадрат швидкості світла.

Якщо змінюється енергія системи, то змінюється і її маса.

Радіоактивний розпад - спонтанна зміна складу нестабільних атомних ядер (заряду Z, масового числа A) шляхом випускання елементарних частинок або ядерних фрагментів. Процес радіоактивного розпаду також називають радіоактивністю, а відповідні елементи радіоактивними. Радіоактивними називають також речовини, що містять радіоактивні ядра.

Розпад, що супроводжується випусканням альфа-частинок, назвали альфа-розпадом; розпад, що супроводжується випусканням бета-частинок, був названий бета-розпадом (в даний час відомо, що існують типи бета-розпаду без випускання бета-частинок, проте бета-розпад завжди супроводжується випусканням нейтрино або антинейтрино). Термін "гамма-розпад" застосовується рідко; випускання ядром гамма-квантів називають зазвичай ізомерних переходом. Гамма-випромінювання часто супроводжує інші типи розпаду.

Альфа-розпад

α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на дочірнє ядро і α-частинку (ядро атома ⁴ He).

α-розпад, як правило, відбувається у важких ядрах з масовим числом А ≥ 140 (хоча є кілька винятків). Усередині важких ядер за рахунок властивості насичення ядерних сил утворюються відособлені α-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Новоутворена α-частинка схильна більшого дії кулонівських сил відштовхування від протонів ядра, ніж окремі протони. Одночасно α-частинка відчуває менше ядерне тяжіння до нуклонами ядра, ніж інші нуклони. Новоутворена альфа-частинки на кордоні ядра відбивається від потенційного бар'єру всередину, однак з деякою вірогідністю вона може подолати його (див. Тунельний ефект) і вилетіти назовні. Зі зменшенням енергії альфа-частинки проникність потенційного бар'єру експоненціально зменшується, тому час життя ядер з меншою енергією доступною альфа-розпаду за інших рівних умов більше.

Правило зміщення Содді для α-розпаду:

 

.

Приклад:

.

В результаті α-розпаду елемент зміщується на 2 клітки до початку таблиці Менделєєва, масове число дочірнього ядра зменшується на 4.

Бета-розпад

Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад - це прояв слабкої взаємодії.

β-розпад (точніше, бета-мінус-розпад, β ^- -Розпад) - це радіоактивний розпад, що супроводжується випусканням з ядра електрона і антинейтрино.

β-розпад є внутрінуклонним процесом. Він відбувається внаслідок перетворення одного з d-кварків в одному з нейтронів ядра в u-кварк, при цьому відбувається перетворення нейтрона в протон з випусканням електрона і антинейтрино:

Правило зміщення Содді для β ^- -Розпаду:

Приклад:

Після β ^- -Розпаду елемент зміщується на 1 клітку до кінця таблиці Менделєєва (заряд ядра збільшується на одиницю), тоді як масове число ядра при цьому не змінюється.

Існують також інші типи бета-розпаду. В позитронному розпаді (бета-плюс-розпаді) ядро випускає позитрон і нейтрино. При цьому заряд ядра зменшується на одиницю (ядро зміщується на одну клітку до початку таблиці Менделєєва). Позитронний розпад завжди супроводжується конкуруючим процесом - електронним захопленням (коли ядро захоплює електрон з атомної оболонки і випускає нейтрино, при цьому заряд ядра також зменшується на одиницю). Однак зворотне невірно: багато нукліди, для яких позитронний розпад заборонений, відчувають електронний захоплення. Найбільш рідкісним з відомих типів радіоактивного розпаду є подвійний бета-розпад, він виявлений на сьогодні лише для десяти нуклідів, і періоди напіврозпаду перевищують 10 ¹⁹ років. Всі типи бета-розпаду зберігають масове число ядра.

Гамма-розпад (ізомерний перехід)

Майже всі ядра мають, крім основного квантового стану, дискретний набір збуджених станів з більшою енергією (винятком є ​​ядра ¹ H, ² H, ³ H і ³ He). Збуджені стани можуть заселятися при ядерних реакціях або радіоактивному розпаді інших ядер. Більшість порушених станів мають дуже малі часи життя (менше наносекунди). Однак існують і досить довгоживучі стану (чиї часи життя вимірюються мікросекунд, цілодобово або роками), які називаються ізомерних, хоча межа між ними і короткоживучими станами вельми умовна. Ізомерні стану ядер, як правило, розпадаються в основний стан (іноді через кілька проміжних станів). При цьому випромінюються один або кілька гамма-квантів; збудження ядра може зніматися також за допомогою вильоту конверсійних електронів з атомної оболонки. Ізомерні стани можуть розпадатися також і за допомогою звичайних бета-і альфа-розпадів.

Ланцюгова реакція — реакція, продукти якої, своєю чергою, вступають у взаємодію з початковими продуктами. У ядерній фізиці ланцюгові реакції виникають під час поділу ядра, зумовленому нейтроном. Поділ відбувається з вивільненням кількох, здебільшого 2-3 нейтронів, які в свою чергу можуть ініціювати поділ інших ядер. Ймовірність захоплення ядром нейтронів залежить від їхньої швидкості, тому для підтримання ланцюгової реакції нейтрони необхідно сповільнювати.

Оскільки частина нейтронів, утворених під час поділу, втрачається, поглинаючись без поділу іншими ядрами або вилітаючи за межі реактора, ланцюгову реакцію характеризують ефективним коефіцієнтом розмноження k - кількістю новостворених нейтронів під час одиничного акту поділу, які в свою чергу викликають поділ інших ядер. Якщо ефективний коефіцієнт розмноження більший за одиницю, то число актів поділу збільшується, реакція розганяється, вивільнюючи дедалі більше енергії і може завершитися вибухом. Така реакція називається надкритичною. Якщо k менший від одиниці, реакція згасає з часом. Такий режим називається підкритичним. Для k = 1 перебіг реакції залишається незмінним. Саме такий критичний режим використовується в ядерних реакторах.