Основные положения, определения, формулы

Явление радиоактивности было открыто французским физиком А.Беккерелем (1896 г.). В начале XX в. английский ученый Э.Резерфорд, ис­следуя рассеяние -частиц тонкой металлической фольгой, установил суще­ствование атомного ядра и выдвинул планетарную модель атома. Исполь­зуя эту модель, датский физик И.Бор в 1913 г. разработал первую количест­венную теорию атома, теорию простейшего атома - атома водорода.

В 1932 г. английский физик Д.Чейдвик открыл нейтрон, а немецкий ученый В.Гейзенберг и независимо от него советский физик Д.Иваненко вы­двинули протонно-нейтронную модель строения атомного ядра.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер имеют порядок 10^-10 — 10^-15 м, в то время как линейные размеры атомов порядка 10^-10 м.

Ядра состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтро­нов. Ядро любого элемента, которое имеет определенное строение и состав, называется нуклидом. Нуклид обозначается символом химического элемента с указанием атомного номера и массового числа в качестве нижнего и верх­него индекса соответственно.

Ядра с одним и тем же зарядом, но с разными массовыми числами на­зывают изотопами.

Нестабильные изотопы наряду с тяжелыми элементами с атомным но­мером выше 83 составляют многочисленное семейство нестабильных ядер нуклидов, претерпевающих радиоактивный распад и объединяемых единым понятием радионуклидов.

Масса протона кг, масса электрона кг, . Массы нейтрона и протона в углеродной шкале атомных масс (а.е.м.): = 1,00865017а.е.м., = 1,007276470 а.е.м. Массовые числа протона и нейтрона одинаковы и равны единице. Заряд электрона равен эле­ментарному заряду е. Положительный заряд протона равен по абсолютному значению элементарному заряду. Заряд ядра атома, выраженный в элемен­тарных зарядах, равен порядковому номеру Z элемента в периодической сис­теме Д.И.Менделеева, количество электронов в атоме также равно порядко­вому номеру Z.

Частицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными, принято называть элементарными частицами. Помимо электрона, протона и нейтрона известны и другие элементарные частицы.

При образования ядра ядерными силами производится работа, вследст­вие чего энергия покоя Е образовавшегося ядра будет меньше суммы энергий покоя Е (Z, А) невзаимодействующих нуклонов:

где - масса покоя протона;

- масса покоя нейтрона.

Величина

называется энергией связи ядра.

Дефект масс характеризует разность, между массами невзаимодейст­вующих нуклонов и массой образовавшегося из них ядра:

где Z - количество протонов;

- масса протона, кг;

N - количество нейтронов;

- масса нейтрона, кг;

- масса ядра, кг.

Массовое число ядра А представляет собой общее количество нукло­нов:

А=Z+N

Если - энергия связи ядра, выделяющаяся при его образовании, то соответствующая ей масса характеризует уменьшение сум­марной массы всех нуклонов при образовании ядра.

В результате радиоактивного распада нестабильным ядром испускают­ся различные ядерные частицы и энергия в виде фотонов, Различают радио­нуклиды, испускающие - и -частицы, такие радиоактивные превращения называют - и - распадами.

Альфа-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на -частицу (ядро атома гелия ) и ядро-продукт. Вылетающие из ядер -частицы имеют высокую скорость порядка 10⁷ м/с и кинетическую энер­гию в пределах 2...9 МэВ. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп - частиц близкой, но различной энергии, т.е. группы имеют спектр энергии. При - распаде атомных ядер довольно часто часть энергии - распада идет на возбуждения ядра-продукта. Ядро-продукт спустя короткое время после вылета -частицы испускает один или несколь­ко -квантов и переходит в нормальное состояние. Таким образом, -распад радиоактивных ядер может сопровождаться испусканием -квантов.

Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный (), позитроппьш () распад и электронный захват, или К-захват. Первые два вида превращений состоят в том, что ядро испускает электрон и антиней­трино (при распаде) или позитрон и нейтрино (при распаде). Электрон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) не существуют в атомных ядрах. Они образуются в момент вылета из ядра в результате превращения одного вида нуклона в ядре в другой - нейтрона в протон или протона в нейтрон. Элек­трон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) имеют в точности равные массы, а электрический заряд античастицы но абсолютному значению равен заряду частицы и противоположен ему по знаку.

Поскольку при -распаде из ядра вылетают две частицы, а распреде­ление между ними общей энергии происходит статистически, то спектр энер­гии электронов (позитронов) является непрерывным от нуля до максималь­ной величины E_max, называемой верхней границей -спектра. Для -радиоактивных ядер величина E_max заключена в области энергии от 15 кэВ до 15МэВ.

Ядра, в которых происходят превращения нейтрона в протон, называют -радиоактивными. -распад может сопровождаться гамма-излучением в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта. Возбужденное ядро через малый промежуток времени освобожда­ется от избытка энергии путем испускания одного или нескольких -квантов.

Гамма-излучением называется жесткое электромагнитное излучение, энергия которого высвобождается при переходе ядер из возбужденного в ос­новное или в менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях. В первом случае энергия -квантов равна разности энергий начального и ко­нечного уровней ядра. Эта величина имеет порядок 0,1 МэВ. Длина волны -лучей не превышает 10^-11 м.

Процесс -излучения не является самостоятельным типом радиоактив­ности, так как он происходит без изменения массового и зарядового чисел ядра.

Искусственная радиоактивность - это радиоактивность ядра, кото­рая возникает в результате ядерных реакций. В этом случае ядра испускают в основном -частицы и -излучение.

Для радиоактивности установлены следующие законы:

1) радиоактивный распад не зависит от внешних условий (температу­ры, давления, химических взаимодействий);

2) -частицы и -излучение имеют дискретные значения энергии, -частицы - различные; -распад сопровождается излучением нейтрино и ан­тинейтрино;

3) изменение числа радиоактивных ядер подчиняется закону радиоак­тивного распада:

,

где – число нераспавшихся радиоактивных атомов;

- число атомов в напольный момент времени;

t - время, прошедшее с начала распада, с;

- период полураспада, с;

- вероятность распада одного ядра за 1 с (постоянная распада для данного вида ядер), причем .

Период полураспада (таблица А.3) - период, за который активность радиоактивного вещества убывает в два раза. Распадающееся ядро называет­ся материнским, а ядро продукта распада - дочерним. Средним временем или средней продолжительностью жизни ядра называется величина .

Время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит и пределах от 10^-8 до 10^-15 с;

4) новые ядра, получившиеся после радиоактивного распада, занимают в периодической системе элементов другие места (закон смещения).

Правила смещения ядер при радиоактивных распадах:

при -распаде

при -распаде (электронном)

при -распаде (позитронном)

где Х - символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру;

Y - символ химического элемента, соответствующего дочернему ядру;

- соответственно, ядро изотопа гелия и электрон.

Дата добавления: 2015-07-13