Атом складається з ядра і що обертаються навколо нього електронів - студопедія
Атом найменша частина хімічного елемента, що є носієм його властивостей.
РАДІОАКТИВНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ядер
Тема 1. Фізична ПРИРОДА І ДЖЕРЕЛА РАДІАЦІЙНОЇ НЕБЕЗПЕКИ ДЛЯ ЛЮДИНИ, ОБ'ЄКТІВ І ПРИРОДНОГО СЕРЕДОВИЩА
Радіоактивні випромінювання в природі виникають в результаті радіоактивних перетворень ядер атомів. Знання цих перетворень дозволить об'єктивно оцінити ступінь небезпеки випромінювань і вирішувати завдання захисту від них.
1.1.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО атомів і атомному ядрі
Нагадаємо деякі поняття з основ хімії і ядерної фізики:
Кожному хімічному елементу відповідає певний склад атома. Атоми можуть існувати як у вільному стані, так і в зв'язаному в складі молекул. Всі хімічні і фізичні властивості атома визначаються особливостями його будови. Атоми мають розміри близько 10 -10 м і масу 10 -27 кг.
Модель будови атома була запропонована в 1913 році датським фізиком Н. Бором, за основу якої була прийнята планетарна модель Е. Резерфорда. Прийнято вважати, що атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого рухаються по строго визначених орбітах негативно заряджені частинки - електрони. Електрони віддалені від ядра на відстань приблизно 10 -5 м. Величина заряду електрона складає 1,6 × 10 -19 Кл, а маса менше ядра атома водню приблизно 1840 разів і становить 9,1 × 10 -31 кг. Основна маса атома зосереджена в ядрі, на частку електронів припадає менше 0,05% маси атома. Розташовуючись на різні відстані від атомного ядра, електрони утворюють електронні шари (електронні оболонки). На кожній оболонці К (номер оболонки) може бути не більше 2К 2 електронів. Кожна оболонка характеризується своїм енергетичним рівнем. Якщо електрони заповнюють свої орбіти, то атом знаходиться в стійкому стані.
Наша довідка. В атомі, в ядрі атома, у Всесвіті взаємодія протидіючих сил прагне до динамічної рівноваги.
Якщо орбітальний електрон отримує додаткову енергію ззовні, то він переходить на більш віддалену орбіту (атом стає збудженим). Прагнучи до рівноваги, через деякий час електрон повернеться на свою орбіту, при цьому буде виділена енергія у вигляді фотона рівна h # 957; (Постійна Планка h = 6,6262 × 10 -34 Дж / сек. # 957; - частота гамма-кванта).
3. Щільність ядерної речовини дуже велика і складає 1,8х10 17 кг / м 3. Це свідчить про величезну внутрішньоядерної енергії. Найбільша щільність ядерної речовини у елементів розташованих в середній частині періодичної таблиці Д.І. Менделєєва.
4. Ядро має складну структуру і до кінця не вивчено, але для розуміння природи радіоактивності досить розглянути тільки основні його частини, основні сили і деякі основні елементарні частинки.
Елементарні частинки характеризуються масою, електричним зарядом, спіном і рядом інших величин. До теперішнього часу склалася певна класифікація елементарних частинок, що об'єднує їх в три групи: фотони, лептони і адрони. До групи фотонів відноситься одна частинка - фотон, який є переносником енергії електромагнітними хвилями.
До групи лептонів відносяться - електрон, мюон, таоон, відповідні їм нейтрино, а також їх античастинки. Лептони є ферміонами, спін їм приписують рівним ½.
Основну частину елементарних частинок складають адрони, до яких відносяться каона, h-мезони, нуклони, гіперонів, а також їх античастинки. Ведуться роботи з пошуку нових частинок, які б були основою для побудови всіх адронів. Існує гіпотеза про існування кварків, за допомогою яких можна побудувати всі відомі адрони.
Ядра складаються з нуклонів. ²Нуклони (від латинського nucleus - ядро) - загальна назва для протонів і нейтронів, з яких побудовані всі ядра атомні, тобто нуклон ця назва ядра атома, що складається з нейтронів і протонів.
Нукліди. загальна назва атомних ядер, що відрізняють числом нейтронів і протонів. Нукліди з однаковим числом в ядрі хімічного елемента протонів і різною кількістю нейтронів називаються ізотопами.
Протон (від грецького protos - перший), стабільна елементарна частинка з позитивним зарядом і масою »1 836 me. (Me - маса електрона.). Разом з нейтронами протони утворюють атомні ядра всіх хімічних елементів, при цьому число протонів в ядрі дорівнює атомному номеру даного елементу і, отже, визначає місце елементу в періодичній системі елементів Менделєєва. Протон є Андроном. Середній час життя протона H> 10 30 років. При певних умовах (слабкій взаємодії) протон при внутрішньоядерних перетвореннях переходить в нейтрон, який проявляється у вигляді бета - розпаду ядер і електронного захоплення з викидом позитрона (заряд дорівнює +1) і нейтрино.
Нейтрон - електрично нейтральна елементарна частинка з масою ( »1840 me), незначно перевищує масу протона. Відноситься до класу Андронов. Середній час життя нейтрона »15,3 хв. При слабкій взаємодії нейтрон може перетвориться в протон через бета - розпад з викидом електрона (заряд дорівнює -1) і антинейтрино.
Позитрон - елементарна частинка, яка за масою дорівнює масі електрона, але має позитивний заряд рівний по величині заряду електрона.
5. Міцність ядру надають нейтрони і пі-мезони, як частинки "ядерного клею". І якщо протон має стягивающими і відразливими властивостями, то нейтрони - тільки стягують властивостями. Всередині ядра протони і нейтрони обмінюються один з одним пі-мезонів (згустком електромагнітної енергії з мезонного хмари), що надає міцність ядра. Пі-мезон в 7 разів легше протона і в 270 разів важче електрона.
6. Міцність ядра залежить від співвідношення полів в ядрі: електричного, гравітаційного, ядерного, електромагнітного, слабкого. Радіус дії ядерних сил дорівнює радіусу нуклона (близько 10 -13 м). Ядерне поле найсильніше.
7. В ядрі атома протон може ділитися на нейтрон, позитрон і нейтрино. Нейтрон може ділитися на протон, електрон і антинейтрино.
8. Кількість електронів (негативний заряд) на орбітах атома дорівнює числу протонів (позитивний заряд) в ядрі. У цьому стані атом відносно стійкий і електрично нейтральний.
9. Число протонів в ядрі суворо визначено, а нейтронів може бути різна кількість, але таке, яке надає стійкість ядра. Речовини, що відрізняються тільки кількістю нейтронів в ядрі, називають ізотопами.
10. Експериментально показано, що маса ядра менше суми мас входять нук-лонов. Це явище називають дефектом маси, і пояснюється теорією відносності А. Енштейна.
Маса атома, ядра і його складових частин вимірюється в атомних одиницях маси (АЕМ). 1 АЕМ дорівнює 1/12 маси атома вуглецю-12, що становить 1,66 × 10 -27 кг. Однак якщо підсумувати маси протонів і нейтронів в атомному ядрі (маса протона - 1,007277 АЕМ, нейтрона - 1,086652 АЕМ), то виходить деяка розбіжність з величинами маси ядра, знайденим експериментальним шляхом, тобто утворюється дефект маси. Пояснимо, що це означає. Відповідно до теорії відносності А. Енштейна енергія частинок підпорядковується закону Е = mС 2 (де m - маса частинки, С - швидкість світла). З рівняння випливає, що кожній зміні маси частинки має відповідати відповідну зміну енергії. Енергія, яку необхідно затратити для руйнування ядра і поділу його на вільні нуклони, названа енергією зв'язку ядра. Чим сильніше взаємодіють нуклони між собою в даному ядрі, тим більшу роботу потрібно зробити для його руйнування. При зворотному процесі - процесі утворення ядра з вільних нуклонів - ядерні сили здійснюють роботу, тому і в цьому випадку також виділяється енергія.Однако, міцність ядра визначає не повна енергія зв'язку, а енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, тобто питома енергія зв'язку. Міцність різних ядер неоднакова. Найбільш міцними являюіся ядра з числом нуклонів близько 60. Властивість дефекту маси використовується для виділення внутрішньоядерної енергії в реакціях ділення і синтезу ядер атомів.
1.1.2. ЯВИЩЕ РАДІОАКТИВНОСТІ
Вперше здатність ядер важких елементів мимовільно розпадатися була виявлена Беккерелем в 1896 році. Пізніше Резерфорд і подружжя Кюрі показали, що ядра деяких елементів відчувають послідовні перетворення, утворюючи радіоактивні ряди радіоактивних елементів, де кожен елемент ряду виникає з попереднього, причому ніякими зовнішніми фізичними впливами (температура, електричні і магнітні поля, тиск і т.д.) не можна вплинути на характеристики розпаду.
Здатність деяких нестійких атомних ядер мимовільно перетворюватися в ядра інших елементів з випусканням різних видів радіоактивних випромінювань називають радіоактивністю. а ізотопи, ядра яких здатні мимовільно розпадатися - радіонуклідами.
Є радіонукліди середній частині таблиці Д.І. Менделєєва і три радіоактівнихряда (сімейства) важких радіонуклідів. Родоначальниками радіоактивних рядів є: торій - 232, уран - 238, уран - 235.
Кількість ядерних перетворень важких радіонуклідів може бути різним, але останнім елементом, ядра якого не розпадаються, є свинець. Радіоактивний розпад описується за допомогою рівнянь на основі рівності сум зарядів і масових чисел:
Тут М - масове число, рівне сумі протонів і нейтронів в ядрі;
де: Z - число протонів в ядрі;
n - кількість нейтронів в ядрі.
Виконання закону збереження масового числа:
Виконання закону збереження електричного заряду:
Відомі 4 типи радіоактивного розпаду: альфа-розпад, бета-розпад, спонтанний поділ атомних ядер (нейтронний розпад), протонна радіоактивність (протонний синтез).
Альфа-розпад - характерний для ядер важких елементів. приклад: