Строение ядра атома. Опыт Резерфорда. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы Строение ядра физика
В 1911 году Э. Резерфорд на основе проделанных им экспериментов обосновал наличие в атоме положительно заряженного ядра. Схему опыта Резерфорда вы видите на рисунке. В цилиндре 1 находилось радиоактивное вещество, испускавшее поток α-частиц 2. Они попадали на тонкую золотую фольгу 3 и, взаимодействуя с ней, ударялись об экран 4. В местах ударов частиц на экране возникали вспышки света 5.
То, что некоторые α-частицы значительно меняли направление полёта, противоречило «рыхлой» модели атома Томсона (см. § 15-б). Резерфорд рассуждал так. Если некоторые α-частицы отлетают назад, значит, сильный положительный заряд есть и в атомах фольги. Но поскольку большая часть α-частиц пролетает сквозь фольгу, почти не отклоняясь, этот положительный заряд занимает малую часть атома. Её назвали ядром атома.
Подсчитывая α-частицы, отклоняющиеся на разные углы, определили размеры ядра атома: около 10 -14 м. Это приблизительно в 10 000 раз меньше самого атома. Поэтому Резерфорду пришлось в своей ядерной модели атома всё незанятое ядром пространство в атоме «заполнить» электронами. Он писал так: «Атом состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».
Резерфорд не указывал, как именно в атоме расположены электроны и движутся ли они. Его эксперимент и не мог дать ответ на этот вопрос, но родилось предположение , что электроны движутся вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Однако тогда электроны имели бы центростремительное ускорение (см. § 12-л). И, как и любые движущиеся с ускорением заряды, они излучали бы электромагнитные волны (см. § 11-з). С течением времени, теряя энергию, все электроны неизбежно «упали» бы на ядро. Но размеры никаких атомов не уменьшаются. Значит, гипотеза о движении электронов неверна?
Первый шаг на пути снятия противоречия между планетарной моделью атома и его долговечностью был сделан в 1913 году датчанином Н. Бором. Он развил идеи Планка о квантовании энергии (см. § 15-а) и предположил, что кванты испускаются атомами, а не электронами. Согласно Бору, атомная система (ядро и электроны) может находиться в энергетически устойчивых состояниях, при переходах между которыми испускаются или поглощаются кванты излучения, переносящие энергию.
Бору удалось вывести формулу, описывающую положения линий в спектрах водорода и других одновалентных атомов (см. § 14-й). Сделанные расчёты положений спектральных линий совпадали с наблюдаемыми спектрами. Их происхождение теория Бора легко объясняла прерывистым характером допустимых значений энергии атома.
Следующие шаги для понимания причин устойчивости атомов привели к отказу от понятия орбиты электрона в пользу понятий электронных уровней и подуровней. Поэтому с середины XX века планетарная модель в физике не используется. Несмотря на это, квантование энергии атомной системы является одним из главных принципов физики по сей день.
Перейдём к рассмотрению строения ядра атома. В 1919 году Э. Резерфорд, бомбардируя атомы азота ядрами атомов гелия, обнаружил появление ядер атомов водорода. Аналогичная бомбардировка натрия, алюминия, неона и других элементов тоже порождала ядра атомов водорода. Их назвали протонами и сделали вывод, что они входят в состав ядер всех атомов. В 1932 году английский физик Д. Чедвик открыл нейтрон – частицу ядра с массой, равной массе протона, и без электрического заряда.
В настоящее время считается, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, вместе именуемых нуклонами (лат. «нуклеус» – ядро). Ядра прочны благодаря наличию особых ядерных сил, действующих между всеми нуклонами. Эти силы примерно в 100 раз интенсивнее электрических, но действуют только на расстояниях до 10 -15 м, то есть в пределах ядра.
Рис.18.4
2. Спонтанное(самопроизвольное) излучение возбужденных атомов при переходе с верхнего энергетического уровня с энергией Е 2 на нижний уровень с энергией Е 1 . Частота испущенного кванта n такая же, как частота поглощенного при возбуждении кванта, но направление распространения и фаза колебаний излучения произвольны.
3. Вынужденное излучение атомов при переходе возбужденных атомов в исходное состояние под действием падающего электромагнитного излучения. С квантовой точки зрения новый квант вынужденного излучения ничем не отличается от кванта, стимулировавшего его появление. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его излучением, интенсивность результирующей электромагнитной волны увеличивается. Следует отметить, что вероятность переходов 1 и 3 одинакова, поэтому преобладание поглощения или вынужденного излучения определяется соотношением числа атомов среды N 1 и N 2 в состояниях с энергией Е 1 и Е 2 .
В условиях термодинамического равновесия, которое чаще всего и реализуется в веществе, населенность N 1 нижнего уровня всегда больше населенности N 2 верхнего уровня. Поэтому электромагнитная волна теряет больше энергии, чем приобретает, интенсивность излучения уменьшается.
Однако в некоторых случаях можно создать такие условия, когда возникает, так называемая, инверсная населенность уровней (N 2 > N 1), среда с такой населенностью называется активной . В такой среде вынужденные переходы (Е 2 ® Е 1) происходят чаще, чем возбуждение атомов, интенсивность излучения возрастает. Для того чтобы обеспечить инверсную населенность в активной среде, необходимо устройство для возбуждения среды, устройство, которое поставляет энергию для возбуждения атомов среды.
Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. В условиях равновесия N 1 > N 2 .
Обычно в лазерах используется так называемая трехуровневая система создания активной среды (рис.18.5). Атомы среды возбуждаются каким либо воздействием и переходят из основного состояния с энергией Е 1 в возбужденное состояние с энергией Е 3 . На уровне 3 атом живет очень мало, порядка 10 -8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света (энергия при этом передается другим атомам среды). Время жизни в состоянии 2 гораздо больше, порядка 10 -3 с, и в этом возбужденном состоянии накапливается большое количество атомов среды. Создается среда с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Каждый фотон, случайно родившийся при переходе 2®1, движется в активной среде и может порождать множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего возникает лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичного фотона.
Первым лазером (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,69мкм) был рубиновый лазер (Т. Мейман, 1960г). Рубин – это красный кристалл оксида алюминия Al 2 O 3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно ионы хрома в кристалле рубина имеют три уровня энергии, обладающие необходимыми свойствами для создания инверсной населенност
Атом – это мельчайшая частица химического элемента. От строения атома зависят химические свойства элемента, в частности – его способность соединяться с атомами других элементов с образованием молекул сложных веществ.
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам электронов. Атомное ядро несет на себе электрический заряд q = Ze , где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а e – так называемый элементарный электрический заряд , который невозможно разделить на части: е = 1,6 · 10 -19 Кл (кулона). Заряд элементарной частицы электрона равен –е , а число электронов на орбитах атома равно Z , так что их суммарный заряд q е = – Ze по абсолютной величине равен заряду ядра, но противоположен по знаку, поэтому атом в целом электрически нейтрален.
Размеры атомов всех элементов примерно одинаковы, и их радиусы составляют примерно величину ≈ 10 -8 см.
1.1.2. Строение и свойства атомного ядра
Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Атомное ядро состоит из элементарных частиц – нуклонов , которые имеют две разновидности, называемые протонами (p ) и нейтронами (n ) . Все основные характеристики протонов и нейтронов – размеры, массы и другие – практически одинаковы, и их главное различие заключается в электрическом заряде: заряд протона равен +е , а заряд нейтрона равен нулю, т.е. нейтрон электрически нейтрален.
Различные атомные ядра содержат в себе различные количества нуклонов каждого сорта. Число протонов в ядре Z совпадает с порядковым номером химического элемента и определяет электрический заряд ядра (см. выше). Число нейтронов N не влияет на заряд ядра, а, следовательно – и на принадлежность атома тому или иному элементу. Поэтому ядра атомов одного элемента имеют одинаковые Z , но могут иметь различные N . Разновидности одного элемента с разными количествами нейтронов в их ядрах называются изотоп ами . Поскольку массы протонов и нейтронов почти одинаковы, масса ядра определяется в первом приближении общим числом всех нуклонов N + Z = А . Поэтому число А называется массовым числом . При обозначении изотопов массовое число указывается сверху слева от символа химического элемента. Так, например, известны изотопы водорода: обычный водород, ядром которого является одинокий протон – 1 Н, тяжелый водород (дейтерий), в ядре которого к протону добавляется один нейтрон – 2 Н, и сверхтяжелый водород (тритий) 3 Н, ядра которого состоят из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий и тритий иногда обозначаются символами D и T соответственно. Изотопы есть у всех элементов, причем в некоторых случаях их число достигает двух-трех десятков. У природного урана (Z = 92) имеются три изотопа: 234 U, 235 U и 238 U, и кроме этого искусственно получают еще несколько изотопов: 232 U, 233 U, 236 U, 239 U и другие. Все изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами – они вступают в одни и те же химические реакции, образуют одинаковые химические соединения и т.п., но их ядерные свойства могут сильно различаться. Так, например, ядра 235 U делятся медленными нейтронами, а ядра 238 U – нет (см. ниже).
Ядра с одинаковым числом всех нуклонов, и, следовательно, с одинаковыми массовыми числами А, называются изобар ами , т.е. ядрами примерно одинакового веса (от греческого слова барос – вес). Изобарами являются, например, ядра 3 Н и 3 Не, или 58 Fe и 58 Ni. Иногда выделяют ядра изотоны , содержащие одинаковые количества нейтронов, и ядра изомеры , о которых подробнее будет рассказано ниже.
Возможность различных комбинаций чисел Z и N приводит к возможности существования громадного количества различных типов ядер. Каждый тип ядер с определенными значениями Z и N называется нуклидом . В природе существует около 300 различных нуклидов и еще свыше 2000 нуклидов могут быть получены искусственно.
Одноименные электрические заряды протонов отталкиваются друг от друга по законам электростатики, пытаясь разорвать ядро на части. Тем не менее, известно, что ядра многих нуклидов являются чрезвычайно прочными объектами, способными существовать практически вечно без каких бы то ни было изменений. Этот факт говорит о том, что в ядре между нуклонами действуют какие-то мощные силы притяжения, намного превосходящие по величине силы электростатического отталкивания. Эти силы так и называются ядерными силами . Ядерные силы обладают целым рядом специфических свойств, резко отличающих их от всех других сил в природе. С их большой величиной и связаны громадные запасы энергии, заключенные в атомных ядрах.
Размеры атомных ядер чрезвычайно малы – около 10 -12 см. Это означает, что ядро в 10 000 раз меньше самого атома. Но именно в этих ядрах сосредоточены свыше 99,9% массы всего вещества и громадные запасы энергии. Эксперименты показывают, что радиусы всех ядер зависят от числа нуклонов в ядре и выражаются простой формулой:
R=1,4·10 -13 A 1/3 см.
Масса ядра. В начале отметим, что в ядерной физике принято иметь дело не с массами ядер, а с массами атомов, так как их легче измерять, а в случае необходимости массу ядра можно всегда легко найти, вычтя из массы атома М суммарную массу электронов Zm e , т.к. масса электрона хорошо известна: m e = 9,108·10 -28 г. Для выражения масс атомов в ядерной физике принята специальная единица, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.)и определяется как одна двенадцатая доля массы атома основного изотопа углерода 12 С. 1 а.е.м.= 1,66·10 -27 кг = 1,66·10 -24 г. Выраженная в этих единицах масса атома так и называется атомной массой М.. Единицу атомной массы выбрали специально с таким расчетом, чтобы атомные массы, округленные до целых чисел, совпадали бы с атомными числами, т.е. с числом нуклонов в ядре. Например:
М (1 Н) = 1,007825 а.е.м.,
М (238 U)=238,05076 а.е.м.
Разность между атомной массой и массовым числом называется избытком или декрементом массы : δ = М – А. Именно эти величины и приводятся обычно в таблицах, чтобы не загромождать их лишними числами, а, зная декремент, всегда можно найти точное значение массы атома М = А +δ.
Атомные массы измеряют с помощью особых приборов масс-спектрографов и масс-спектрометров, принцип действия которых основан на отклонении пучков ионов в электрических и магнитных полях: чем тяжелее ион, тем меньше он отклоняется при пролете через такие поля. Поэтому по величине отклонения можно определить массу иона.
На различии масс атомов различных изотопов основаны и разные физические методы их разделения, ибо химические методы разделения веществ для разделения изотопов совершенно непригодны.
Энергия связи ядра . Преодолеть действие ядерных сил можно, введя в ядро достаточное количество энергии. Количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разорвать ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра . Такое же количество энергии выделилось бы при образовании ядра из отдельных нуклонов, уйдя из системы в виде вылетающих гамма-квантов. Аналогично определяется энергия связи любого нуклона или групп нуклонов, например: энергия связи нейтрона в ядре – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы вырвать один нейтрон из ядра.
Удельная энергия связи нуклонов в ядре В . Так называется доля полной энергии связи ядра, приходящаяся в среднем на один нуклон в ядре. Из этого определения следует: В = Е св /А . Величина В зависит от числа нуклонов в ядре А (рис. 1): с ростом А значения В сначала резко возрастают, а затем, пройдя плавный максимум, постепенно уменьшаются. При этом у большинства ядер (кроме самых легких) значения В не сильно отличаются от 8 МэВ. Форма кривой удельной энергии связи на рис.1.1 говорит о том, что наиболее крепко связанными являются ядра со средними значениями А . Именно поэтому как процессы деления тяжелых ядер, так и процессы слияния легких ядер, приводящие к образованию ядер со средними массовыми числами, «энергетически выгодны», т.е. сопровождаются выделением огромной энергии. Поэтому на этих процессах основаны два известных способа получения «ядерной» энергии – это деление тяжелых ядер и синтез легких ядер (термоядерный), соответственно.
Дефект массы. Согласно теории относительности, любое изменение энергии системы сопровождается и изменением ее массы: Δ Е =Δ М·с 2 . Поскольку при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия связи, то согласно последнему соотношению, такой процесс должен приводить к уменьшению массы системы. Поэтому масса ядра всегда оказывается меньше суммы масс отдельно взятых нуклонов, из которых это ядро состоит:
Δ М = ZM H + (A – Z)m n – M(A,Z) .
Рис.1.1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа нуклида.
Это уменьшение массы при образовании ядра называется дефектом массы (здесь M H - масса атома водорода, m n – масса нейтрона, M (A , Z ) – масса атома, о котором идет речь.). Напомним, что хотя в этом выражении фигурируют массы атомов, но атом (A , Z ) содержит ровно столько же электронов, как и Z атомов водорода, поэтому массы электронов сокращаются, и дефект массы фактически выражает разность масс отдельных нуклонов и рассматриваемого ядра.
Из сказанного выше следует, что дефект массы определяет энергию связи ядра: Е св =Δ М·с 2 . Это выражение можно существенно упростить, если с помощью соотношения Е = М·с 2 найти количество энергии, соответствующее одной атомной единице массы: 1а.е.м = 931,5 МэВ. Тогда рассчитав величину Δ М в атомных единицах массы, можно легко найти значение энергии связи в МэВ: Е св (МэВ) = 931,5·Δ М (а.е.м.).
Выражение для дефекта массы можно тоже упростить, выразив все входящие в него массы через соответствующие декременты: M H = 1 + δ(Н), m n = 1 + δ n , M (A , Z ) = А + δ(A , Z ), что после сокращения подобных членов дает:
Δ М = Z δ(Н) + (A – Z) δ n – δ(A,Z ).
Энергетические состояния ядер. Нуклоны и состоящие из них атомные ядра, как и все другие элементарные частицы, подчиняются законам квантовой механики, которые во многом отличаются от законов классической физики. В частности, энергия в микромире может изменяться лишь определенными порциями (квантами), а не непрерывно, как в классической механике. Соответственно и ядро может находиться лишь в состояниях с определенными значениями энергии, а промежуточные состояния оказываются невозможными. Эти состояния принято обозначать на схемах черточками, которые называются энергетическими уровнями (рис. 1.2). Энергия на таких схемах откладывается снизу вверх. Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным , все остальные – возбужденными . Обычно все ядра находятся в своих основных состояниях, но получив достаточную порцию энергии, они могут перейти в одно из возбужденных состояний. Энергия E i , необходимая для перехода ядра в i -ое состояние, указывается на схемах уровней рядом с соответствующим уровнем (энергия основного состояния принимается за 0). Оказавшись на i -ом уровне, ядро может перейти на любой к -ый уровень с меньшей энергией. При таком переходе выделяется разность энергий, которую уносит вылетающий из ядра гамма-квант: Е γ = E i – Е к . После нескольких таких переходов, называемых каскадом , ядро приходит в основное состояние. Время нахождения ядра в возбужденном состоянии, называется временем жизни соответствующего уровня и обозначается буквой τ. У нижних возбужденных уровней значения τ обычно бывают порядка 10 -10 – 10 -12 с, у верхних – ещё меньше, порядка 10 -15 – 10 -17 с. Однако, у некоторых ядер встречаются возбужденные уровни с аномально большими временами жизни от нескольких секунд до миллионов лет. Такие долгоживущие уровни называются метастабильными уровнями , а все явление в целом – ядерной изомерией .
Рис.1.2. Схема ядерных уровней
Помимо энергии, каждый уровень характеризуется еще целым рядом величин, в том числе моментом количества движения . В квантовой механике моментом количества движения называется величина P =ћ√ I (I +1), где I – т.н. квантовое число момента количества движения . Поскольку величина P однозначно определяется числом I , то обычно, говоря о моменте количества движения, только это число и называют. По законам квантовой механики у ядер с четным числом нуклонов значения I могут быть только целыми числами: 0, 1, 2, 3,…., а у ядер с нечетным числом нуклонов – только полуцелыми числами: 1/2, 3/2, 5/2 и т.д. Каждый возбужденный уровень имеет свое значение числа I , определяемое, как правило, опытным путем. Числа I сильно влияют на вероятность переходов ядра между уровнями: чем больше разность значений I между начальным и конечным уровнями Δ I = I i - I k , тем менее вероятен переход.
«Физика - 11 класс»
Строение атомного ядра. Ядерные силы
Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра.
Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.
Протонно-нейтронная модель ядра
Согласно протоннонейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов - протонов и нейтронов.
Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке.
Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z
в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.
Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А :
A = Z + N
Массы протона и нейтрона близки друг к другу и каждая из них примерно равна атомной единице массы.
Масса электронов в атоме много меньше массы его ядра.
Поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента.
Массовые числа могут быть определены путем приближенного измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точностью.
Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением Z , но с различными массовыми числами А , т. е. с различными числами нейтронов N .
Ядерные силы
Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими.
Это не гравитационные силы, которые слишком слабые.
Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами, так как между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание.
А нейтроны не имеют электрического заряда.
Значит, между ядерными частицами - протонами и нейтронами, их называют нуклонами - действуют особые силы, называемые ядерными силами .
Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы примерно в 100 раз превышают электрические (кулоновские) силы.
Это самые мощные силы из всех существующих в природе.
Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями
.
Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре.
Это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями.
Другая важная особенность ядерных сил - их коротко- действие.
Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния.
Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра (10 -12 -10 -13 см), что показали уже опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц атомными ядрами.
Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана.
Значительные успехи в ее разработке были достигнуты совсем недавно - в последние 10-15 лет.
Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы удерживаются в ядре ядерными силами.
Изотопы
Изучение явления радиоактивности привело к важному открытию: была выяснена природа атомных ядер.
В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно обнаружилось, что существуют вещества, тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся по-разному).
Их никак не удавалось разделить ни одним из известных химических способов.
На этом основании Содди в 1911 г высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью.
Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева.
Содди назвал их изотопами
(т. е. занимающими одинаковые места).
Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях.
Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов.
Бо́льшая часть их имеет относительную массу, равную 20.
Но существует незначительная часть атомов с относительной атомной массой 22.
В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2.
Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой.
Оба вида атомов неона, естественно, занимают одно и то же место в таблице Д. И. Менделеева и, следовательно, являются изотопами.
Таким образом, изотопы могут различаться не только своими радиоактивными свойствами, но и массой.
Именно поэтому у изотопов заряды атомных ядер одинаковы, а значит, число электронов в оболочках атомов и, следовательно, химические свойства изотопов одинаковы.
Но массы ядер различны.
Причем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными.
Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу.
В настоящее время установлено существование изотопов у большинства химических элементов.
Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы.
Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов - урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого - водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).
Особенно интересны изотопы водорода, так как они различаются по массе в 2 и 3 раза.
Изотоп с относительной атомной массой 2 называется дейтерием
.
Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1: 4500) в обычный водород.
При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая 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.
Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием
.
Он β-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет.
Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома.
Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.
Примечательно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам.
А вот атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел.
Так, относительная атомная масса хлора равна 35,5.
Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях.
Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.
Большинство химических элементов имеют изотопы.
Заряды атомных ядер изотопов одинаковы, но массы ядер различны.
Особенностью радиоактивного загрязнения в отличие от загрязнения другими поллютантами является то, что вредное воздействие на человека и объекты окружающей среды оказывает не сам радионуклид (поллютант), а излучение, источником которого он является.
Однако бывают случаи, когда радионуклид - токсичный элемент. Например, после аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду с частицами ядерного топлива были выброшены плутоний 239, 242 Рu. Кроме того, что плутоний - альфа-излучатель и при попадании внутрь организма представляет значительную опасность, плутоний сам по себе - токсичный элемент.
По этой причине используют две группы количественных показателей: 1) для оценки содержания радионуклидов и 2) для оценки воздействия излучения на объект.
Активность
- количественная мера содержания радионуклидов в анализируемом объекте. Активность определяется числом радиоактивных распадов атомов в единицу времени. Единицей измерения активности в системе СИ является Беккерель (Бк) равный одному распаду в секунду (1Бк = 1 расп/с). Иногда используется внесистемная единица измерения активности - Кюри (Ки); 1Ки = 3,7 ×1010 Бк.
Доза излучения
- количественная мера воздействия излучения на объект.
В связи с тем, что воздействие излучения на объект можно оценивать на разных уровнях: физическом, химическом, биологическом; на уровне отдельных молекул, клеток, тканей или организмов и т. д., используют несколько видов доз: поглощенную, эффективную эквивалентную, экспозиционную.
Для оценки изменения дозы излучения во времени используют показатель «мощность дозы». Мощность дозы - это отношение дозы ко времени. Например, мощность дозы внешнего облучения от естественных источников радиации составляет на территории России 4-20 мкР/ч.
Основной норматив для человека - основной дозовый предел (1 мЗв/год) - вводится в единицах, эффективной эквивалентной дозы. Существуют нормативы и в единицах активности, уровни загрязнения земель, ВДУ, ПГП, СанПиН и др.
Строение атомного ядра.
Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малого размера (10 -13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом в целом оказывается электрически нейтральным.
Атомные ядра состоят из нуклонов - ядерных протонов (Z - число протонов) и ядерных нейтронов (N - число нейтронов). « Ядерные» протоны и нейтроны отличаются от частиц в свободном состоянии. Например, свободный нейтрон, в отличие от связанного в ядре, нестабилен и превращается в протон и электрон.
Число нуклонов Ам (массовое число) представляет собой сумму чисел протонов и нейтронов: Ам = Z+ N .
Протон - элементарная частица любого атома, он имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Число электронов в оболочке атома определяется числом протонов в ядре.
Нейтрон - другой вид ядерных частиц всех элементов. Его нет лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Он не имеет заряда, электрически нейтрален. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, а в свободном состоянии они неустойчивы. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же элемента может колебаться, поэтому число нейтронов в ядре не характеризует элемент.
Нуклоны (протоны + нейтроны) удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы в 100 раз сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживает внутри ядра одноименно заряженные протоны. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях (10 -13 см), они составляют потенциальную энергию связи ядра, которая при некоторых превращениях частично освобождается, переходит в кинетическую энергию.
Для атомов отличающихся составом ядра, употребляется название «нуклиды», а для радиоактивных атомов - «радионуклиды».
Нуклидами называют атомы или ядра с данным числом нуклонов и данным зарядом ядра (обозначение нуклида А Х).
Нуклиды, имеющие одинаковое число нуклонов (Ам = соnst), называются изобарами. Например, нуклиды 96 Sr, 96 Y, 96 Zr принадлежат к ряду изобаров с числом нуклонов Ам = 96.
Нуклиды, имеющие одинаковое число протонов (Z = соnst), называются изотопами. Они различаются только числом нейтронов, поэтому принадлежат одному и тому же элементу: 234 U, 235 U, 236 U, 238 U.
Изотопы - нуклиды с одинаковым числом нейтронов (N = Ам -Z = const). Нуклиды: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca принадлежат к ряду изотопов с 20 нейтронами.
Изотопы принято обозначать в виде Z Х М, где X - символ химического элемента; М - массовое число, равное сумме числа протонов и нейтронов в ядре; Z - атомный номер или заряд ядра, равный числу протонов в ядре. Поскольку каждый химический элемент имеет свой постоянный атомный номер, то его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа, например: 3 Н, 14 С, 137 Сs, 90 Sr и т. д.
Атомы ядра, которые имеют одинаковые массовые числа, но разные заряды и, следственно, различные свойства называют «изобарами», так например один из изотопов фосфора имеет массовое число 32 - 15 Р 32 , такое же массовое число имеет и один из изотопов серы - 16 S 32 .
Нуклиды могут быть стабильными (если их ядра устойчивы и не распадаются) и нестабильными (если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра). Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться, называют радионуклидами. Явление самопроизвольного распада ядра атома, сопровождающееся излучением частиц и (или) электромагнитного излучения, называется радиоактивностью.
В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь, самопроизвольно распадающийся. Такие цепочки радиоактивных элементов, связанные серией ядерных превращений, называются радиоактивными семействами.
В настоящее время IUРАС (Международный союз теоретической и прикладной химии) официально дал название 109 химическим элементам. Из них только 81 имеет стабильные изотопы, наиболее тяжелым из которых является висмут (Z = 83). Для остальных 28 элементов известны только радиоактивные изотопы, причем уран (U ~ 92) является самым тяжелым элементом, встречающимся в природе. Самый большой из природных нуклидов имеет 238 нуклонов. В общей сложности в настоящее время доказано существование порядка 1700 нуклидов этих 109 элементов, причем число изотопов, известных для отдельных элементов, колеблется от 3 (для водорода) до 29 (для платины).
