Файл: Bil-elektr.doc

4. Атомное ядро

После открытия атомных ядер были измерены их размеры, электрические заряды и массы. В 1913 г. английский физик Г.Мозли установил, что ядра атомов различных химических элементов имеют различные заряды, которые связаны с атомными номерами Zхимических элементов. Зарядqядра атома какого-либо химического элемента с порядковым номеромZв таблице Менделеева равен:

q=eZ

где e = 1,6·10^–19 Кл– элементарный электрический заряд, равный модулю заряда электрона.

На основании обнаруженной закономерности – зависимости заряда qядра от порядкового номераZхимического элемента – можно было предположить, что атомное ядро с порядковым номеромZпостроено из одинаковых заряженных частиц, обладающих элементарным зарядомe. Такой частицей мог быть протон – ядро атома водорода. Положительный электрический заряд протона равен элементарному зарядуe, а масса протона равна:

m_p= 1,6726·10^–27кг.

Однако ядро атома гелия – второго элемента таблицы Менделеева – имеет заряд, равный двум элементарным зарядам, а его масса превосходит массу протона примерно в 4 раза, а не в два. Подобные расхождения наблюдаются и у ядер атомов всех остальных химических элементов. Следовательно, атомные ядра не могут состоять только из протонов.

В 1932 г. английский физик Дж.Чадвик открыл новую элементарную частицу – нейтрон. Нейтрон не имеет электрического заряда, а его масса немного больше массы протона:

m_n= 1,6749·10^–27кг.

Ядра атомов всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов. Число Zпротонов называется атомным номером химического элемента. Сумма числа протоновZи числа нейтроновNназывается массовым числом и обозначается буквойA:

A=Z+N

Массовое число Aс хорошей точностью выражает массу ядра в атомных единицах массы (а.е.м.). Атомные ядра всех атомов имеют форму, близкую к форме шара. Радиус атомного ядра возрастает с увеличением атомного номера элемента и составляет 10^–15÷ 10^–14 м.

Точные измерения масс атомов показали, что все химические элементы имеют изотопы– атомы с одинаковым числомZпротонов, но с разным числомNнейтронов в атомном ядре. При одинаковом числе протонов атомы изотопов обладают одинаковым строением электронных оболочек. Следовательно, они являются атомами одного химического элемента и обладают одинаковыми химическими свойствами. ИзотопX, содержащийZпротонов в ядре и обладающий массовым числомA, обозначается как:.

Между одноименно заряженными протонами в атомных ядрах действуют кулоновские силы отталкивания. На расстоянии порядка 10^–14м эти силы очень велики, однако протоны не разлетаются в противоположные стороны. Следовательно, между протонами кроме кулоновских сил отталкивания действуют силы другой физической природы, являющиеся силами притяжения. Эти силы назвалиядерными силами.

Ядерные силы на расстояниях ~1,5·10^–15м значительно превосходят кулоновские силы отталкивания, но с увеличением этого расстояния очень быстро убывают. На расстояниях порядка радиуса атома действие ядерных сил ничтожно мало по сравнению с действием электромагнитных сил между протонами.

Ядерные силы притяжения одинаково действуют между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном. Одинаковая способность протонов и нейтронов к ядерному взаимодействию служит основанием для рассмотрения их в качестве двух состояний одной частицы

49. Поглощение и испускание света атомом. Постулаты Бора. Квантование энергии

Для объяснения устойчивости атомов датский физик Нильс Бор предложил отказаться от привычных классических представлений и законов. Свойства атомов получают объяснение на основе квантовых постулатов Бора:

1. Атом может находиться лишь в определенных стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E. Говорят, что энергия атома квантуется. В стационарных состояниях атом не излучает энергию.

2. Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Энергия излученного или поглощенного кванта электромагнитного излучения при переходе атома из стационарного состояния с энергией E_m в состояние с энергией E_n равна модулю разности энергий атома в этих состояниях:

hv_mn = |E_m – E_n|,

где mиn– номера стационарных состояний.

Рис. 5

Стационарное состояние атома с минимальным запасом энергии называется основным состоянием, все остальные стационарные состояния называютсявозбужденными состояниями. В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго, в возбужденном состоянии он находится 10^–710^–9с.

Стационарные состояния наглядно представляются энергетической диаграммой атома (рис. 5), на которой они обозначаются горизонтальными линиями – энергетическими уровнями. Расстояния между линиями диаграммы пропорциональны разностям энергий стационарных состояний. Переход атома из стационарного состояния с меньшим запасом энергии в состояние с большим запасом энергии сопровождается поглощением энергии и обозначается стрелкой, направленной вверх; переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией сопровождается выделением энергии и обозначается стрелкой, направленной вниз (см. рис. 5).

50. Естественная радиоактивность и ее виды. Радиоактивные излучения и их

воздействие на живые организмы

5. Радиоактивность. Свойства альфа-, бета-, гамма-излучений

Радиоактивностьюназывается явление самопроизвольного превращения ядер одного химического элемента в ядра другого химического элемента. Радиоактивные превращения ядер обязательно сопровождаются испусканием радиоактивных излучений. Это явление было открыто А. Беккерелем в 1896 г. и привело к установлению факта, что атомы не только обладают сложной внутренней структурой, но и способны к самопроизвольным превращениям.

При альфа-распаде из радиоактивного ядра выбрасывается альфа-частица – ядро атома изотопа гелия . Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, ее заряд равен двум элементарным зарядам. При вылете из ядра альфа-частицы порядковый номер ядра-продуктаZменьше исходного на две единицы, массовое числоAменьше исходного на четыре единицы. Например, при альфа-распаде ядра изотопа урана получается ядро изотопа тория (рис. 5).

Рис. 5

При бета-распаде из атомного ядра вылетают электрон (или его античастица позитрон– элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным элементарным зарядом) и электронное антинейтрино (или нейтрино). Бета-распад с испусканием электрона называетсяэлектронным бета-распадом:

Рис. 6

При электронном бета-распаде в атомном ядре происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и незаряженной элементарной частицы – электронного антинейтрино:

В результате электронного бета-распадачисло протонов в ядре увеличивается на единицу, число нейтронов уменьшается на единицу, а массовое число остается неизменным. В результатепозитронного бета-распадачисло протонов в ядре уменьшается на единицу, число нейтронов увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным (рис. 7).

Рис. 7

Атомные ядра, возникающие в результате альфа- и бета-распада, могут находиться в возбужденных состояниях. Переходы атомных ядер из возбужденных состояний в основное состояние сопровождаются испусканием гамма-квантов.

Все частицы, испускаемые при радиоактивных превращениях атомных ядер и в процессе осуществления ядерных реакций, обладают большими значениями энергии (~10⁶эВ, 1эВ = 1,6·10^–19Дж). При таких энергиях заряженные частицы и кванты электромагнитного излучения обладают способностью ионизовать и возбуждать атомы вещества, встречающиеся на их пути. Поэтому все виды радиоактивных излучений и излучений, сопровождающих ядерные реакции, называютионизирующими излучениями. При одинаковой энергии разные виды ионизирующих излучений неодинаково взаимодействуют с веществом.

Альфа-частицыи другие атомные ядра при движении в веществе ионизуют или возбуждают почти каждый атом на своем пути. Поэтому они растрачивают всю энергию на коротком пути. Длина пробега альфа-частиц в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет несколько сантиметров, в жидкостях или твердых телах – сотые доли миллиметра.

Бета-частицыменее эффективно взаимодействуют с атомами вещества. Поэтому их пробег в воздухе может достигать нескольких метров, а в жидкостях и твердых телах – нескольких миллиметров.

Гамма-квантывзаимодействуют с электронными оболочками атомов тремя различными способами. Эти способы – фотоэлектрический эффект (выбивание электрона), рассеяние при взаимодействии с электроном и рождение пар электрон–позитрон. Последний способ возможен только в том случае, если энергия гамма-кванта больше удвоенной энергии покоя электрона. Гамма-кванты имеют самую большую проникающую способность. Для защиты от гамма-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже несколько метров.