ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5794
Скачиваний: 1
6
1
Краткие сведения из атомной и ядерной физики
1.1 Строение атома
1.2 Атомное ядро, изотопы
1.3 Радиоактивность и радиоактивный распад
1.4 Единицы
измерения
активности
и
величин,
характеризующих поля ионизирующего излучения
1.1
Строение атома
Атом – это мельчайшая частица элемента, обладающая его
химическими свойствами. Радиус атома равен примерно 10
-8
см. Два
или несколько атомов могут соединяться в молекулу – наименьшую
частицу химического соединения, сохраняющую его химические
свойства.
Атом имеет сложное внутреннее строение. В центре атома
(рисунок 1.1) расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся
масса атома. Радиус ядра – около 10
-12
см. Он меньше радиуса атома
в 10
4
раз. Положительный заряд ядра равен Zе, где Z – порядковый
номер элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, а
е = 1,6
10
-19
к – элементарный электрический заряд. Вокруг ядра
движется Z электронов, суммарный отрицательный заряд которых
равен Zе. Заряд электронов нейтрализует заряд ядра, вследствие чего
атом–электрически нейтральная частица.
K L M N O
2
8
18
18
7
Рисунок 1.1 – Схема строения атома серебра (Z=47)
Цифры показывают число электронов в оболочках.
7
Электроны в атоме распределены по электронным оболочкам. В
каждой оболочке находится не более 2n
2
электронов (n = 1, 2, 3, ...–
нумерация оболочек начиная от ядра). Каждый электрон в n-
оболочке характеризуется одной и той же энергией W
n
. Она
складывается
из
кинетической
и
потенциальной
энергий
движущегося в оболочке электрона. Электроны в атоме принимают
только ряд дискретных (прерывных) значений энергий: W
1
, W
2
,….W
n
.
В отличие от свободных электронов атомные электроны не излучают
энергии при ускоренном движении по замкнутым орбитам вокруг
ядра.
Атом поглощает или испускает энергию при переходе электронов
с n
1
-й на n
2
-ю оболочку:
W = W
n2
– W
n1
(1.1)
где W
n1
и W
n2
– энергия электрона на соответствующих оболочках.
Атом имеет бесконечное число электронных оболочек (номера
оболочек изменяются от единицы до бесконечности). Наиболее
близкие к ядру электронные оболочки обозначают буквами К, L, M,
N,... Первую оболочку (n = 1) называют K-оболочкой, вторую
(n = 2) – L-оболочкой и т. д.
С ростом n расстояние оболочки от ядра увеличивается. Чтобы
удалить из атома электрон с n-й оболочки, нужно затратить энергию
W = W
n
. Эту энергию называют энергией связи электрона в атоме
на n-й оболочке. Она характеризует связанность электрона в атоме и
равна по абсолютной величине энергии электрона на n-й оболочке.
За единицу энергии в атомной и ядерной физике принят
электронвольт (эВ). Он равен изменению энергии электрона при
прохождении ускоряющего напряжения 1 В:
1 эВ = 1,6
10
–19
Дж.
Один миллион электронвольт составляет более крупную единицу
энергии – мегаэлектронвольт (МэВ):
1 МэВ = 10
3
эВ = 1,6
10
–13
Дж.
Любая энергия W связана с соответствующей ей массой М
соотношением Эйнштейна:
W = М
с
2
(1.2)
где с = 2,998
10
8
м/с – скорость света в вакууме.
Энергия частиц состоит из энергии покоя W
0
= M
0
c
2
(М
0
– масса
покоя тела) и кинетической энергии тела Е:
W = W
0
+ E.
(1.3)
8
Следовательно, масса движущейся частицы:
М = М
0
+ Е / с
2
.
(1.4)
У некоторых частиц (фотон, нейтрино) масса покоя М
0
равна
нулю. Такие частицы обладают только массой движения
М = Е/с
2
.
(1.5)
При синтезе атома из ядра и Z электронов освобождается энергия,
равная суммарной энергии связи электронов в атоме W
cв
.
Следовательно, масса атома М
ат
меньше массы ядра M
Я
и Z масс
электронов на величину называемую дефектом массы.
М = W
cв
/c
2
= М
Я
+ Z
me
— М
ат
,
(1.6)
Если атом не взаимодействует с другими частицами (атомами,
свободными электронами и т. д.), то электроны располагаются на
самых близких к ядру оболочках. В этом состоянии атома,
называемом основным, электроны наиболее прочно связаны с ядром.
Под действием внешних сил (столкновения со свободными
электронами, атомами и другими частицами) атомный электрон
переходит с оболочки n
1
на более удаленную оболочку п
2
, атом
возбуждается, получая энергию:
W = W
n2
– W
n1
.
Время жизни возбужденного атома составляет приблизительно
10
–8
с. Затем в возбужденном атоме происходят переходы
электронов, в результате которых электроны опять располагаются на
самых близких к ядру оболочках, а атом возвращается в основное
состояние.
В процессе перехода из возбужденного состояния в основное атом
излучает один или несколько фотонов. Суммарная энергия фотонов
равна энергии, полученной атомом во время возбуждения.
Фотон – частица электромагнитного излучения. Он движется со
скоростью света и не может находиться в состоянии покоя. Заряд
фотона равен нулю, энергия фотона
E
Ф
= h
v
(1.7)
где h = 6,625
10
-34
Дж
с – постоянная Планка;
v – частота излучения, гц.
В процессе возбуждения атом поглощает определенные
дискретные порции энергии, необходимые для перевода электрона с
одной оболочки на другую. Вследствие этого возбужденный атом
характеризуется только дискретными значениями энергии. Их
называют энергетическими уровнями атома и изображают в виде
диаграммы. Каждому энергетическому уровню атома на диаграмме
9
соответствует горизонтальная линия. За начало отсчета энергии
обычно принимают энергию покоя невозбужденного атома (основное
состояние атома). Сбоку горизонтальных линий указывают энергию
возбуждения атома. Переходы электронов в возбужденном атоме,
показывают на диаграмме вертикальными стрелками между
энергетическими уровнями. Энергия излучаемого фотона равна
разности уровней энергий.
В ряде случаев на диаграмме удобнее изображать не
энергетические уровни атома, а энергии электронов на оболочках
(рисунок 1.2). Вертикальные стрелки показывают возможные
переходы электронов в возбужденном атоме с одних оболочек на
свободные места в других оболочках. Сбоку горизонтальных линий
наносят энергии электронов в оболочках и обозначения (номера)
оболочек. Энергия фотона равна разности энергий начала и конца
стрелки.
W
3
L-серия
M-серия
W
4
W
2
W
1
K-серия
N(n=4)
M(n=3)
L(n=2)
K(n=1)
Рисунок 1.2 – Схема энергетических уровней атома и переходов
между ними
Дискретность энергетических состояний атома определяет и
дискретный (линейчатый) спектр излучаемых фотонов. Он
подразделяется на серии. Каждая серия состоит из набора отдельных
линий, расположенных в некотором интервале частот. Серии
обозначают буквами оболочек, на которые происходят переходы
электронов в возбужденном атоме.
Линейчатые спектры атомов различных элементов имеют свои
особенности. Это свойство линейчатых спектров используют в
методе спектрального анализа состава сложных веществ.
1.2
Атомное ядро, изотопы
Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Общее число
10
протонов и нейтронов в ядре A = Z + N называют массовым числом.
Протон – это ядро простейшего атома – атома водорода. Он несет
положительный элементарный заряд е.
Нейтрон – электрически нейтральная частица. Его масса близка к
массе протона.
Протоны и нейтроны обозначают буквами р и n соответственно.
Химические свойства атомов зависят только от заряда ядра, т. е.
от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с равными Z, но
различными А обладают одинаковыми химическими свойствами.
Такие атомы называют изотопами.
Природный элемент представляет собой смесь изотопов. Так,
природный водород (Z = 1) состоит из двух изотопов: водорода
(А = 1) и дейтерия (А = 2).
Определенность состава ядра используют при обозначении ядер и
изотопов в виде
X
A
Z
, где X – химический символ элемента, Z –
порядковый номер элемента, А – массовое число ядра. Например,
символическое обозначение одного из изотопов углерода
C
12
6
. Ядро
изотопа
C
12
6
состоит из шести протонов и шести нейтронов. Изотопы
водорода, как исключение, обозначают буквами без указания Z и А:
водород Н (
H
1
1
), дейтерий D (
H
2
1
), искусственный изотоп водорода
тритий Т (
H
3
1
). Так как каждый элемент имеет определенный
порядковый номер Z, то при обозначении ядер и изотопов этот номер
часто опускают.
Ядра легких изотопов удобны для бомбардировки других ядер.
Они получили специальные названия и обозначения: ядро водорода –
протон (р), ядро дейтерия – дейтон (d), ядро трития – тритон (t), ядро
He –
-частица (
).
Массу ядер, атомов и молекул измеряют в атомных единицах
массы а. е. м., равной 1/12 массы изотопа C
12
6
:
1 а. е. м.= 1,66
10
–24
г.
Отношение массы атома (молекулы) к атомной единице массы
называют относительной атомной (молекулярной) массой. По–
своему определению эти величины не имеют размерности. Кратко их
называют атомной (молекулярной) массой. Атомную массу
обозначают буквой A, молекулярную – буквой μ.
По соотношению Эйнштейна W = M
c
2
атомной единице массы
соответствует энергия 931 МэВ. Поэтому массу покоя частиц часто