Общие сведения об атоме и атомном ядре

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения об атоме и атомном ядре

Напомним некоторые выводы из основ ядерной физики:

1. Атом наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Каждому химическому элементу соответствует определенный состав атома. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном - в составе молекул. Все химические и физические свойства атома определяются особенностями его строения. Атомы имеют размеры порядка 10-10м и массу 10-27кг.

2. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Модель строения атома была предложена в 1913 году датским физиком Н. Бором, за основу которой была принята планетарная модель Э. Резерфорда. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся по строго определенным орбитам отрицательно заряженные электроны.

Примечание. В атоме, в ядре атома, во Вселенной взаимодействие противодействующих сил стремится к динамическому равновесию.

3. Плотность ядерного вещества очень велика и составляет 1,8·1017 кг/м3. Это свидетельствует об огромной внутриядерной энергии. Наибольшая плотность ядерного вещества у элементов расположенных в средней части периодической таблицы Д.И. Менделеева.

4. Нуклоны (от лат. nucleus - ядро) - общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

Нуклиды, общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов нейтронов. Нуклиды с одинаковым числом в ядре химического элемента протонов и разным количеством нейтронов называются изотопами.

5. Протон (от греч. protos - ядро) - относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом и массой ? 1836 mе (mе - масса электрона).

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, при этом число протонов в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Среднее значение жизни протона в свободном виде более 1030 лет.

6. Позитрон - элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд равный по величине заряду электрона, а по величине.

7. Нейтрон - электрически нейтральная элементарная частица с массой ? 1840 mе, незначительно превышающей массу протона. В свободном состоянии, вне ядра, нейтрон неустойчив, среднее время его жизни ? 15,3 мин. Через это время нейтрон выбрасывает из себя электрон и превращается в протон.

8. Прочность ядра зависит от соотношения полей в ядре: электрического, гравитационного, ядерного, электромагнитного, слабого. Радиус действия ядерных сил равен радиусу нуклона (порядка 1,5·10-13 м). Ядерное поле самое сильное.

9. Количество электронов (отрицательный заряд) на орбитах атома равно числу протонов (положительный заряд) в ядре. В этом состоянии атом относительно устойчив и электрически нейтрален.

10. Экспериментально показано, что масса ядра меньше суммы масс входящих нуклонов. Это явление называют дефектом массы.

2. Явление радиоактивности

Впервые способность ядер тяжелых элементов самопроизвольно распадаться была обнаружена Беккерелем в 1896 году. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.

Способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиационных излучений называют радиоактивностью, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться - радионуклидами.

Имеются радионуклиды средней части таблицы Д.И. Менделеева и три радиоактивных семейства тяжелых радионуклидов.

Количество ядерных превращений тяжелых радионуклидов может быть различным, но последним элементом, ядра которого не распадаются, является свинец. Радиоактивный распад описывается при помощи уравнений на основе равенства сумм зарядов и массовых чисел:

(1).

Здесь М - массовое число, равное сумме протонов и нейтронов в ядре:

M = Z+n, (2),

где: Z - число протонов в ядре; n - количество нейтронов в ядре.

Выполнение закона сохранения массового числа:

М1 = М2 + М3 (3).

Выполнение закона сохранения электрического заряда:

Z1 = Z2 + Z3 (4).

Известны 4 типа радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад), протонная радиоактивность (протонный синтез).

В более тяжелых элементах больше нейтронов. Начиная с номера 82 таблицы Д.И. Менделеева, ядра изотопов химических элементов нестабильны и распадаются, несмотря на избыток нейтронов. Рассмотрим примеры альфа- и бета-распадов, как наиболее часто встречающиеся.

Альфа-распад - характерен для ядер тяжелых элементов. Пример:

(5).

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 42Н, т.е. альфа-частица по массе и заряду аналогична ядру атома гелия.

Бета-распад (в-распад) - это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета-частиц (соответственно позитрона или электрона).

Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

1. Выбрасывание электрона и антинейтрино - -в-распад (электронный распад);

2. Выбрасывание позитрона и нейтрино - +в-распад (позитронный распад);

3. Поглощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты. При этом заряд ядра уменьшится на единицу.

Как предполагают физики, для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента.

Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского.

Приведем примеры таких распадов.

Электронный распад:

(электрон) + 1(антинейтрино) (6)

(нейтрон > протон).

Позитронный распад:

(позитрон) + х (нейтрино) (7)

(протон > нейтрон).

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29-0,99 скорости света.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, позитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов. Гамма-кванты - это электромагнитное излучение с частотой до1020 с-1, с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа-частице. Например:

 (8).

Примечание. Как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

(9).

Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом.

Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны.

При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе (рис.1). При самопроизвольном делении имеет место неравенство mЯД m1 + m2.

Здесь mяд - масса ядра, m1 и m2 - массы ядер-осколков, образующиеся в результате - распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц.

Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2-3 на акт деления.

Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И, наконец, продукты деления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различного рода ионизирующие излучения.

3. Основной закон радиоактивного распада радионуклида

атом ядерный радионуклид

В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Убывание количества распадающихся ядер происходит по экспоненте и записывается в следующем виде:

N=N0е-t, (10),

где N0 - количество ядер радионуклида в момент начала отсчета времени (t =0); - постоянная распада, которая для различных радионуклидов разная; N - количество ядер радионуклида спустя время t; е - основание натурального логарифма (е = 2,713….). Это и есть основной закон радиоактивного распада.

Вывод формулы (10). Естественный радиоактивный распад ядер протекает самопроизвольно, без всякого воздействия извне. Этот процесс статистический, и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за определенное время. Поэтому скорость распада можно характеризовать временем t. Пусть имеется число N атомов радионуклида. Тогда, число распадающихся атомов dN за время dt пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

(11).

Знак минус показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются. Отсюда следует, что l есть величина постоянная и носит название - постоянная распада. Из (11) следует, что l = - dN/N = const, при dt = 1, т.е. постоянная l равна вероятности распада одного радионуклида за единицу времени.

В уравнении (11) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

dN/N = - ldt (12),

(13),

ln N/N0 = - лt и N = N0 е- лt, (14),

где N0 есть начальное число распадающихся атомов (N0 при t =0).

Формула (14) имеет два недостатка. Для определения числа распадающихся ядер необходимо знать N0. Прибора для его определения не существует.

Второй недостаток - хотя постоянная распада л имеется в таблицах, но прямой информации о скорости распада она не несет.

Чтобы избавиться от величины л вводится понятие период полураспада Т (иногда в литературе обозначается Т1/2). Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, а число распадающихся ядер за время Т остается постоянным (л = const).

В уравнении (10) правую и левую часть поделим на N, и приведем к виду:

N0/N = еt (15).

Полагая, что N0/N = 2, при t = T, получим ln2 = Т, откуда:

ln2 = 0,693 = 0,693/T (16).

Подставив выражение (16) в (10) получим:

N = N0е-0.693t/T (17).

На графике (рис.2.) показана зависимость числа распадающихся атомов от времени распада. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 10-20 периодов полураспада радиоактивное вещество распадается полностью.

Для того, чтобы избавиться от величин N и N0,пользуются следующим свойством явления радиоактивности. Есть приборы, которые регистрируют каждый распад.

Очевидно, что можно определить количество распадов за определенный промежуток времени. Это есть не что иное, как скорость распада радионуклида, которую можно назвать активностью: чем больше распадается за одно и тоже время ядер, тем больше активность.

Итак, активность - это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени:

А = dN/dt (18).

Исходя из определения активности, следует, что она характеризует скорость ядерных переходов в единицу времени.

С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной распада l. Можно показать, что:

A = A0е-0,693t/T (19).

Вывод формулы (19). Активность радионуклида характеризует число распадов в единицу времени (в секунду) и равна производной по времени от уравнения (14):

А = dN/dt = lN0е--t = lN (20).

Соответственно начальная активность в момент времени t = 0 равна:

Аo = lNo (21).

Исходя из уравнения (20) и с учетом (21), получим:

А = Аoе-t или А = А0е- 0,693t/T (22).

Единицей активности в системе СИ принят 1 распад/с=1 Бк (назван Беккерелем в честь французского ученого (1852-1908 г), открывшего в 1896 году естественную радиоактивность солей урана).

Используют также кратные единицы: 1 ГБк = 109 Бк - гигабеккерель, 1 МБк=106 Бк - мегабеккерель, 1 кБк = 103 Бк - килобеккерель и др.

Существует и внесистемная единица Кюри, которая изымается из употребления согласно ГОСТ 8.417-81 и РД 50-454-84. Однако на практике и в литературе она используется. За 1Кu принята активность 1г радия.

1Кu = 3,71010 Бк; 1Бк = 2,710-11Ки (23).

Используют также кратную единицу мегакюри 1Мки = 1106Ки и дольные - милликюри, 1мКи = 10-3Ки; микрокюри, 1мкКи = 10-6 Ки.

Радиоактивные вещества могут находиться в различном агрегатном состоянии, в том числе аэрозольном, взвешенном состоянии в жидкости или в воздухе.

Поэтому в дозиметрической практике часто используют величину удельной, поверхностной или объемной активности или концентрации радиоактивных веществ в воздухе, жидкости и в почве.

Удельную, объемную и поверхностную активность можно записать соответственно в виде:

Аm = А/m; Аv = А/v; Аs = A/s (24),

где: m - масса вещества; v - объем вещества; s - площадь поверхности вещества.

Очевидно, что:

Аm = A/m = A/srh = Аs/rh = Av/r (25),

где: r - плотность почвы, принимается в Республике Беларусь равной 1000кг/м3; h - корнеобитаемый слой почвы, принимается равным 0,2м; s - площадь радиоактивного заражения, м2. Тогда:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аm = 510-3 Аs ; Аm = 10-3 Av (26).

Аm может быть выражена в Бк/кг или Кu/кг; As может быть выражена в Бк/м2 ,Кu/ м2, Кu/км2; Av может быть выражена в Бк/м3 или Кu/м3.

На практике могут быть использованы как укрупненные, так и дробные единицы измерения. Например: Кu/ км2 , Бк/см2, Бк/г и др.

В нормах радиационной безопасности НРБ-2000 дополнительно введены еще несколько единиц активности, которыми удобно пользоваться при решении задач радиационной безопасности.

Активность минимально значимая (МЗА) - активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения на использование этих источников, если при этом также превышено значение минимально значимой удельной активности.

Активность минимально значимая удельная (МЗУА) - удельная активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения на использование этого источника, если при этом также превышено значение минимально значимой активности.

Активность эквивалентная равновесная (ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона 222Rn и 220Rn - взвешенная сумма объемных активностей короткоживущих дочерних продуктов изотопов радона - 218Ро (RaA); 214Pb (RaB); 212Pb (ThB); 212Вi (ThC) соответственно:

(ЭРОА)Rn = 0,10 АRaA + 0,52 АRaB + 0,38 АRaC;

(ЭРОА)Th = 0,91 АThB + 0,09 АThC,

где А - объемные активности дочерних продуктов изотопов радона и тория.

Заключение

Список литературы

· «Большая Советская Энциклопедия»

· http://www.vokrugsveta.ru

· К. Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика», 5е изд

· http://nuclphys.sinp.msu.ru

· Савенко В.С. Радиоэкология. -- Мн.: Дизайн ПРО, 1997.

Размещено на Allbest.ru