Файл: ЧС и радбез. Курс лекций 2014.pdf

лучами, происходит возбуждение атома, т. е. один из электронов переходит на какую-либо из внешних орбит, в результате чего энергия атома увеличивается.

Возбужденный атом неустойчив, поэтому он через очень короткий промежуток времени (миллионные доли секунды) вновь возвращается в устойчивое состояние, при этом восстанавливается первоначальная структура электронной оболочки.

При переходе атома в энергетически более устойчивое состояние освобождается энергия в виде фотона – элементарной частицы, электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения).

Обычно атом электрически нейтрален, т. к. суммарный отрицательный заряд всех электронов по абсолютной величине равен заряду ядра. Если увеличить энергию, передаваемую электрону, то он может оторваться от атома, в результате чего атом превращается в положительно заряженный ион. Этот процесс называется ионизацией. На ионизацию атома затрачивается энергия, равная энергии связи электрона в атоме. Обратный процесс, т. е. захват положительно заряженным ионом свободного электрона, называется рекомбинацией: при этом выделяется энергия, равная энергии связи электрона с ядром.

Ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

Ядро состоит из протонов – положительно заряженных частиц (р) и нейтронов (n), частиц, не имеющих заряда. Обе частицы, протоны и нейтроны, носят общее название – нуклоны. Диаметр ядра составляет

примерно 10–15 м. Плотность вещества в ядре 2 1014 г/см3, т. е. 1 см3 ядерного вещества имеет массу 108 т.

Протон (от греч. protos – первый) – это элементарная частица, она имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду

электрона е = 1,602 10–19 Кл, и массу покоя mp = 1,6726 10–27 кг = = 1836 mе. Зарядом протонов объясняется положительный заряд ядра в целом.

Нейтрон – нейтральная элементарная частица, которая не имеет электрического заряда, он чуть тяжелее протона и имеет массу покоя

mn = 1,6748 10–27 кг = 1839 mе. Поэтому, хотя ядро в десятки тысяч раз меньше атома, в нем сосредоточена почти вся масса атома.

Масса ядра определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов), а заряд ядра равен сумме зарядов входящих в его состав протонов. Число, равное общему количеству нуклонов и характеризующее массу ядра, называется массовым числом (А), которое

40

численно равно общему числу протонов (Z) и нейтронов (N), входящих в состав ядра: А = Z + N. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева и называется зарядовым числом ядра. Поскольку Z выражает число протонов, а А – число нуклонов в ядре, то число нейтронов в атомном ядре N = А – Z.

Для химических элементов принято следующее обозначение ZA Х: слева вверху у символа химического элемента пишется массовое число, а внизу – зарядовое число. Например, изотоп плутония 23994 Pu

означает, что массовое число А = 239, зарядовое число Z = 94, число нейтронов N = А – Z.

В ядре атома каждого химического элемента находится строго определенное количество протонов. Например, в ядре атома водорода содержится 1 протон, в ядре атома He – 2 протона, Li – 3 протона и т. д. Число же нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может быть различным.

Атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов в ядре называются изотопами. Электронные оболочки изотопов одного и того же химического элемента одинаковые. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке периодической таблицы Менделеева.

Большинство химических элементов состоит из нескольких изотопов. Так, наряду с обычным водородом существует тяжелый водород (дейтерий), ядро которого содержит один протон и нейтрон, а также сверхтяжелый водород (тритий), ядро которого содержит протон и два нейтрона (рис. 3).

Рис. 3. Схема строения атомов изотопов водорода: а – водород; б – дейтерий; в – тритий

41

Изотопы водорода отличаются друг от друга по массе в два или три раза. Дейтерий нерадиоактивен, входит в качестве небольшой смеси в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода, ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 С и замерзает при –3,8 С. Тритий имеет атомную массу 3, он бета-активен, с периодом полураспада 12 лет.

Смесью трех изотопов является природный уран, который состоит из U-238 (99,28%), U-235 (0,714%), U-234 (0,006%), ядра этих изото-

пов содержат соответственно 146, 143 и 142 нейтрона.

Всего известно около 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Некоторые изотопы, встречающиеся в природе, и почти все изотопы, которые получены искусственным путем, не могут существовать сколь угодно долго. Такие неустойчивые изотопы принято называть радионуклидами.

Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же химического элемента. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды».

Например, смесь радионуклидов Sr-90, I-131, Cs-137, но изотопы углерода С-12, С-14. Природный калий представлен тремя изотопами: K-39, K-40, K-41; соответственно, 93,08%, 0,0119% и 6,91%.

Атомные ядра с одинаковым массовым числом А и разным Z называются изобарами, а атомные ядра с одинаковым числом нейтронов N (при N = A – Z) называют изотонами.

Например: ядра 4018 Ar, 4019 K, 4020 Ca – изобары (для них А = 40);

ядра 13654 Хе, 13856 Ва, 13957 La – изотоны (для них N = 82).

Существование изотопов доказывает, что заряд ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от электронной оболочки, например размеры. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Менделеева.

3.2. Энергия связи атомных ядер

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода, во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между кото-

42

рыми существует ядерное сильное взаимодействие – притяжение, обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов, т. е. между нуклонами, составляющими ядро атома, действуют особого рода силы, называемые ядерными. Особенностью этих сил является то, что они действуют лишь на очень малых расстояниях только между соседними нуклонами.

Прочность ядер характеризуется энергией связи. По своей величине энергия связи равна той работе, которую необходимо затратить для разрушения ядра на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Такое же количество энергии освобождается при образовании ядра из нуклонов. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

Энергия связи нуклонов в ядре в миллионы раз превышает энергию связи атомов в молекуле. Поэтому при химических превращениях веществ атомные ядра не изменяются.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Количество заключенной в веществе энергии непосредственно связано с его массой соотношением Эйнштейна

где Е – энергия, заключенная в теле, Дж; m – масса микрочастиц, кг;

с– скорость света в вакууме, м/с.

Всоответствии с этим соотношением масса и энергия представляют 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:

Точнейшие измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра всегдаменьшесуммымасспокояслагающихегопротоновинейтронов:

Разность между суммой масс свободных нуклонов и массой ядра называется дефектом массы атомного ядра. Если ядро с массой m образовано из Z протонов с массой mp и из (А – Z) нейтронов с массой

mn, то дефект массы m определяется соотношением

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на величиину энергии связи Есв:

При образовании ядра из частиц последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом гамма-кванты как раз обладают энергией Есв и массой m.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон (т. е. полная энергия связи поделенная на число нуклонов в ядре), называется удельной энергией связи:

Чем больше по абсолютной величине удельная энергия связи, тем сильнее взаимодействие между нуклонами и тем прочнее ядро. Наибольшая энергия связи, приходящаяся на один нуклон, порядка 8,75 МэВ, присуща элементам средней части таблицы Менделеева.

3.3. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Каждый такой отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом. Если радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа-частиц, то это альфа-распад; бета-частиц – бета-распад. Альфа- и бета-распады обычно сопровождаются гаммаизлучением.

Возникающие при самостоятельных превращениях ядер атомов потоки элементарных частиц или их групп являются ионизирующими излучениями. Различают три вида радиоактивных излучений: альфа-, бета- и гамма-излучение.

Из общего числа (около 2 тыс.) известных ныне радиоактивных нуклидов лишь около 300 являются природными, остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций.

44