А- число протонов + нейтронов ( или атомная масса ) Z- числопротонов ( равно числу электронов )

Ядромназывается центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона.

Символическое обозначение ядра атома:

Отсюда: число нейтронов N (или атомный номер)

N = A - Z

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

Ядро имеет сложную структуру и до конца не изучено, но для понимания природы радиоактивности достаточно рассмотреть только основные его части, основные силы и некоторые основные элементарные частицы.

Элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом, спином и рядом других величин. К настоящему времени сложилась определенная классификация элементарных частиц, объединяющая их в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

К группе фотонов относится одна частица - фотон, который является переносчиком электромагнитной энергии.

К группе лептонов относятся электрон, мюон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны, к которым относятся пи-мезоны, нуклоны, гипероны, а также их античастицы. Ведутся работы по поиску новых частиц, которые бы являлись основой для построения всех адронов. Существует гипотеза о существовании кварков, с помощью которых можно построить все известные адроны.

Итак, ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г). В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 1. Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть.

Рисунок 1. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны.

Протоны и нейтроны — составные части ядра, поэтому для удобства их называют нуклонами.

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

Нуклид — атомное ядро с заданным числом протонов и нейтронов. При обозначении нуклидов или атомов пользуются символом элемента, которому принадлежит ядро, и указывают сверху массовое число — А, внизу — атомный (порядковый) номер или зарядовое число, который соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева — Z в форме индексов ^A_ZЭ_N где Э_N — символ химического элемента. Символ А показывает число нуклонов, из которых состоит ядро атома (А = Z+N). Символ Z показывает не только заряд ядра и порядковый номер, но и число протонов в ядре и соответственно число электронов в атоме, так как атом в целом нейтрален. N— число нейтронов в ядре, которое чаще всего не указывается.

Например: ³⁸₁₉К, ³⁹₁₉К, ⁴⁰₁₉К, ⁴¹₁₉К

Протон (от греч. protos - ядро) - относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом и массой «1836 m (m - 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. Например, в ядре атома серебра число протонов 47, в ядре урана — 92. Среднее значение жизни протона более 10³⁰ лет.

При определенных условиях (слабом взаимодействии) протон при внутренних ядерных превращениях переходит в нейтрон через бета-распад ядер или в результате электронного захвата с выбросом позитрона и нейтрино.

•П озитрон - элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона.

В1932 г. экспериментально исследовано излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружено, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов. При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10–20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ.

•

Рисунок 2. Схема установки для обнаружения нейтронов.

Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 9.5.2 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Нейтрон - электрически нейтральная элементарная частица с массой 1840 m_е, незначительно превышающей массу протона. Относится к классу андронов. Среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии (вне ядра) 15,3 мин. При слабом взаимодействии в ядре нейтрон может превратиться в протон через бета-распад с выбросом электрона (условно заряд равен минус единице) и антинейтрино. По современным измерениям, масса нейтрона m_n = 1,67493·10^–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Прочность ядру придают нейтроны и пи-мезоны, как частицы «ядерного клея». Если протон обладает стягивающими и отталкивающими свойствами, то нейтроны - только стягивающими свойствами. Внутри ядра протоны и нейтроны обмениваются друг с другом пи-мезоном (сгустком электромагнитной энергии из мезонного облака), что придает прочность ядру. Пи-мезон в 7 раз легче протона и в 270 раз тяжелее электрона.

Прочность ядра зависит от соотношения полей в ядре: электрического, гравитационного, ядерного, электромагнитного, слабого. Радиус действия ядерных сил равен радиусу нуклона (порядка 1,5•10^_13м). Ядерное поле самое сильное.

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

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

Масса атома, ядра и его составных частей измеряется в атомных единицах массы (АЕМ). 1 АЕМ равна 1/12 массы атома углерода-12, что составляет 1,66 10^_27кг. Однако если просуммировать массы протонов и нейтронов в атомном ядре (масса протона -1,007277 АЕМ, нейтрона -1,086652 АЕМ), то получается некоторое расхождение с величинами массы ядра, найденным экспериментальным путем, т.е. образуется дефект массы.

Поясним, что это означает. Согласно теории относительности А. Эйнштейна энергия частиц подчиняется закону Е = mС² (где m - масса частицы, С - скорость света). Из уравнения следует, что каждому изменению массы частицы должно отвечать соответствующее изменение энергии. Энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны, названа энергией связи ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны между собой в данном ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения. При обратном процессе - процессе образования ядра из свободных нуклонов - ядерные силы совершают работу, поэтому и в этом случае также выделяется энергия. Однако прочность ядра определяет не полная энергия связи, а энергия связи, приходящаяся на один нуклон, т.е. удельная энергия связи. Прочность различных ядер неодинакова. Наиболее прочными являются ядра с числом нуклонов около 60.

Свойство дефекта массы используется для выделения внутриядерной энергии в реакциях деления и синтеза ядер атомов.

Ядерные силы относятся к так называемым сильным взаимодействиям и существенно отличаются по своим свойствам от электромагнитных и гравитационных. В полной мере природа ядерных сил до настоящего времени не выяснена. Даже для простейшей системы из двух нуклонов неизвестна зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами. Короткодействие ядерных сил и свойство насыщения, многообразие свойств ядерных сил не позволяют создать законченную теорию, подобную квантовой электродинамики для расчета свойств атомов. Перечислим свойства ядерных сил и укажем на экспериментальные факты, подтверждающие эти свойства.

1. Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами действуют силы притяжения, что подтверждается существованием стабильных ядер. Эти силы самые интенсивные в природе. Например, энергия связи простейшего ядра - ⁴Не - составляет 2,22 МэВ, а простейшего атома – водорода – равна 13,6 эВ.

2. Уже первые опыты Резерфорда показали, что ядерные силы – короткодействующие. Это свойство ядерных сил подтверждается многочисленными данными по измерению размеров атомных ядер. Ядерные силы удерживают нуклоны на расстояниях ~ (1,2 ÷ 1,4) ·10^‑13 см. При расстояниях между нуклонами, превышающих 2·10^‑13 см действие ядерных сил не обнаруживается, тогда как на расстояниях меньших 1·10^‑13 см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

3. На расстояниях, где между протонами действуют ядерные силы притяжения, они превосходят кулоновские силы отталкивания приблизительно в 100 раз, действие которых на этих расстояниях также очень велико. Короткодействие ядерных сил приводит к резкому разграничению областей, где действуют только дальнодействующие кулоновские силы, или только ядерные, которые на малых расстояниях подавляют кулоновские силы.

• Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).

• Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.

•Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10^-13. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.

•Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.

•Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними.

•Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.

ИЗОТОПЫ. Нуклиды с одинаковым числом в ядре химического элемента протонов и разным количеством нейтронов называются изотопами. Изотопы — разновидности атома одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов. У них практически одинаковые физические и химические свойства, разделить их в природной смеси очень сложно. Число изотопов элементов варьирует от 3 — у водорода до 27 — у полония.

Изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильные изотопы со временем не претерпевают никаких изменений, если нет воздействия извне. Нестабильные или радиоактивные изотопы за счет процессов, протекающих внутри ядра, со временем превращаются в изотопы других химических элементов. Такие нестабильные изотопы принято называть радионуклидами.

Стабильные изотопы встречаются только у элементов с порядковым номером Z < 83 (начиная с полония). Известно около 300 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов. Для всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева синтезированы радиоактивные изотопы, называемые искусственными. Электронные оболочки изотопов одного и того же химического элемента одинаковые. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке периодической таблицы Менделеева.

Радионуклиды это нуклиды, ядра которых радиоактивны. По типам радиоактивного распада различают α-радионуклиды, β-радионуклиды, радионуклиды, ядра которых распадаются по типу электронного захвата, и радионуклиды, ядра которых подвержены спонтанному делению (см. Радиоактивность). Испускание радиоактивными ядрами α- и β-частиц, а также электронный захват обычно сопровождаются испусканием рентгеновского или γ-излучения, поэтому большинство радионуклидов представляет собой источники электромагнитного излучения. Например, источником γ-излучения являются ядра β-радиоактивного ⁶⁰Со, широко используемого в так называемых кобальтовых пушках и др. радионуклидных приборах. Число "чистых" радионуклидов, при распаде ядер которых испускается только корпускулярное α- или β-излучение, не сопровождаемое электромагнитным излучением, невелико. К "чистым" β-излучателям относятся T (³Н), ¹⁴С, ³⁵S, ³²P и некоторые др.

Общее число известных радионуклидов превышает 1800; осуществление ядерных реакций приводит к синтезу новых радионуклидов. Сведения о типах распада и периодах полураспада Т _1/2 радионуклидов, имеющих практическое применение, приведены в статьях об отдельных химических элементах.

В зависимости от устойчивости ядер радионуклиды подразделяют на короткоживущие и долгоживущие; четкой границы между этими понятиями нет. Условно принимают, что радионуклиды, у которых Т _1/2 менее 10 суток, относятся к короткоживущим, а радионуклиды с большими периодами полураспада – к долгоживущим. В связи с развитием экспрессной экспериментальной техники все большее практическое значение приобретают радионуклиды с малыми Т _1/2 (несколько секунд или десятки секунд, например ¹⁶N (T _1/2 7,13 с), ¹⁹О (T _1/2 27 с). Важное преимущество таких радионуклидов состоит в том, что их полный распад происходит за короткое время – несколько минут, поэтому такие радионуклиды практически безвредны, их можно использовать для анализа продуктов, различных потребительских товаров.

Ученые выделили в выбросах из аварийного реактора 23 основных радионуклида. Большая часть из них распалась в течение нескольких месяцев после аварии и опасности не представляет. В первые минуты после взрыва и образования радиоактивного облака наибольшую угрозу для здоровью людей представляли изотопы так называемых благородных газов. Атмосферные условия, сложившиеся в районе ЧАЭС в момент аварии, способствовали тому, что радиоактивное облако прошло мимо г. Припяти и постепенно рассеялось в атмосфере, теряя свою активность. В дальнейшем серьезную тревогу врачей вызвали выпавшие на землю короткоживущие радиоактивные компоненты, в первую очередь йод-131. Несмотря на то, что период его полураспада, а следовательно, и нейтрализации угрожающих свойств менее восьми суток, он обладает большой активностью и опасен тем, что передается по пищевым цепям, быстро усваивается человеком и накапливается в организме. всем находившимся в наиболее опасной зоне предъявлялось требование об обязательном использовании респираторов.
После распада большей части радиоактивного йода внимание радиохимиков и медиков привлек прежде всего плутоний. Он не столь радиоактивен, однако долгоживущ. Его накопление даже в малых дозах – опасно для легких. В результате исследований выяснилось, что протяженность зон с повышенной концентрацией плутония была незначительной, а химические формы и размеры частиц, в которых он оказался, легко задерживались респираторами.

Следующей проблемой стали уже долгоживущие изотопы стронция и цезия, особенно цезий-137. Их наличие на той или иной территории сегодня вызывает необходимость проведения дополнительных дезактивационных работ, а также определяет решение вопросов реэвакуации населения, его проживания в определенных районах, сельскохозяйственных работ, режима питания людей и других проблем.

Дата добавления: 2014-01-06