Ядерные силы, дефект массы, соотношение Эйнштейна между массой и энергией

Атомное ядро состоит из протонов - положительно заряженных частиц и нейтронов, частиц не имеющих электрического заряда. Общее название протонов и нейтронов – нуклоны.

А - массовое число это общее число нуклонов в ядре (атомный вес в целых числах в т. Менделеева).

Z – число протонов в ядре = числу электронов на орбитах (номер элемента (№ клетки) в т. Менделеева)

N – число нейтронов в ядре атома N=А-Z.

Принято обозначать любой хим. элемент, как ^А_Z Х, ¹₁ Н, ₉₂²³⁸U, или сокращённо Сs-137, U-238.

Протон (р) устойчивая элементарная частица с массой равной 1,0076а.е.м.(1836 массе электрона). Имеет один элементарный положительный электрический заряд равный заряду электрона.

Нейтрон (n) элементарная нейтральная частица с массой покоя 1,0089а.е.м.(1838 масс электрона). обладает большой проникающей способностью в биологической ткани.

Изотопы это атомы одного и того же химического элемента, содержащие в ядре одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Большинство природных элементов – смесь нескольких изотопов. Водород Н-1,.Н-2 (0,02%). Уран U-238 (99,3%), U-235(0,7%),U234(0,006%). Калий К-39(93,08%), К-41(6,91%), К-40(0,01%

Протоны и нейтроны в ядре связаны между собой огромными ядерным силами притяжения, в 1000 раз превосходящими кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами. Радиус действия ядерных сил ~ 10^-13 см., поэтому их называют короткодействующими в отличие от дальнодействующих электрических сил. При большом количестве протонов в тяжёлых ядрах электрические силы отталкивания уже соизмеримы с ядерными силами и при Z>115 превосходят их. Ядро сущест-ать не можт

Ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами пи-мезонами (пионами). Пион может иметь заряд “+”, ”--“, ”о”, его масса покоя 273,2 массы (е ^-), ~1/7 массы нуклона. Считают, что протон и нейтрон состоят из керна, окружённого мезонной «шубой» («+» у р и «–» у нейтрона).

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину дефекта массы Dm.

Рассчитаем дефект массы ядра атома гелия ₂Нe⁴ , состоящего из двух протонов и двух нейтронов.

Сумма масс нуклонов (1,0076 х 2) + (1,0089 х 2) = 4,033 а.е.м. Массы ядра атома гелия ₂Нe⁴= 4,03 а.е.м. Дефект массы Dm = 4,033 - 4,03 = 0,003 а.е.м.

Теория относительности Эйнштейна устанавливает связь между массой и энергией Е=m · C².

С – скорость света @300000км/с (3*10¹⁰ см/с). 1а.е.м. при расчете по этой ф-ле = 931МэВ, а 0,003аем = 28Мэв.Примерно столько энергии выделится при слиянии двух ядер дейтерия в ядро гелия. Эта реакция синтеза происходит на Солнце и в водородных бомбах.. При реакциях деления U и Pu в ядерных реакторах и атомных бомбах, также наблюдается превращение части массы в энергию.

4 Радиоактивность. Радиоактивные семейства.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) ядер определённых элементов в ядра других элементов с испусканием ионизирующих излучений в виде a-,d-частиц и g-лучей, разделяющихся на три пучка в электрическом или магнитном поле. Замедлить или ускорить

ход р/а распада невозможно. Все виды ионизирующих излучений возникают только при ядерных превращениях. При альфа- и бета-распаде гамма-кванты уносят из ядра избыток энергии, не захваченный a или b частицей. b и g излученияпроявляют как волновые, так и корпускулярные свойства.

В природе известны три естественно-радиоактивных семейства: урана-238 – радия, тория-232 и актиния-235. Они представляют естествен ную радиоактивность. Аналогична искусственная радиоактивность в р/а изотопах полученных искусственным путём. Каждый р/а изотоп характеризуется периодом полураспада Т_1/2 – это время, за которое распадается половина исходного количества атомов.

a Семейство урана -238

d Уран-238 a + Т_1/2 = 4,47 млрд.лет Свинец-214 d +g 26,8 мин.

Торий-234 d +g 24,1 суток Висмут-214 d +g 19,7 мин.

Протактиний d +g 1,17 мин. Пололний-214 a 19,7 мин.

Уран-234 d +g 245000 лет. Свинец-210 a +g 22,3 лет.

Торий-230 a +g 8000 лет Висмут-210 d +g 5 суток.

Радий-226 a +g 1600 лет Полоний-210 a +g 138,4суток

Радон-222 a 3,8 суток Свинец-206 стабильный

Полоний-218 a 3,05 минуты.

Ядра всех изотопов химического элемента образуют группу нуклидов, радиоактивные ядра называют радионуклидами.

5. Вывод закона радиоактивного распада. Период полураспада. Кривая р/а распада. Вследствие самопроизвольного распада ядер постоянно уменьшается количество любого радиоактивного изотопа. Введено понятие период полураспада - Т1/2 - это время, за которое распадается половина исходного количества атомов радиоактивного изотопа.

· Пусть в начальный момент времени tо имелось No атомов.

· Через время, равное 1Т1/2 останется половина атомов (N=No/2) 2 в 1й ст

· Через время, равное 2Т1/2 останется четверть атомов (N=No/4) 2 во 2й ст

· Через время, равное 3Т1/2 останется восьмая часть атомов (N=No/8) 2 в 3й ст

· Через время, равное 4Т1/2 останется одна шестнадцатая (N=No/16) и т. д.

Легко заметить, что цифра, выражающая количество периодов полураспада (1,2,3,4) это показатель степени, в которую нужно возвести двойку, для получения величины доли оставшихся атомов. (1/2, 1/4 1/8 1/16 итд)

n t/T1/2 -t/T1/2

Поэтому Nt = No/2 = No/2 = No*2

По этим данным можно построить график радиоактивного распада.

No (%) 100%

50%

25%

12,5%

0

T 2T 3T 4T 5T t (время)

Видим, что число радиоактивных ядер (а следовательно и атомов) уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону и за единицу времени (например за Т) распадается всегда одна и та же доля, имеющихся в наличии ядер. Эту долю называют постоянной радиоактивного распада -l (лямбда) l = 0,693/Т1/2.

Величина, обратная постоянной распада называется Средней продолжительностью жизни ядра - t t = 1/l. (t = Т/ 0,693 или t = 1,44Т)

Если процесс распада ядер описать дифференциальным уравнением, то интегрируя его можно получить другое математическое выражение закона р/а распада -0,693 t/T

Nt = No * е

Но, т. к. основание натурального логарифма е = 2,718 в степени 0,693 = 2, то видно, что это то же самое соотношение, которое мы получили выше в результате логических рассуждений.

Нужно учитывать, что все полученные закономерности справедливы для большого количества радиоактивных атомов, т.к. распад любого радиоактивного элемента носит вероятностный характер и подчиняется статистическим закономерностям.

Поэтому при проведении радиационной экспертизы объектов ветеринарного надзора следует ожидать, что более точные результаты могут быть получены в результате усреднения нескольких измерений.

6. Активность радиоактивного изотопа. Единицы активности. Изменение активности с течением времени. Активность - это число ядер распадающихся в единицу времени или мера количества р/а вещества.

Единицей активности в системе СИ является Беккерель -это один распад в секунду. 1Бк = с¯¹. Внесистемная единица Кюри. 1Кu = 3,7*10¹° расп/сек.

Следовательно 1Кu = 37 миллиардов Бк.

Активностью в 1 Кюри обладает: 1 грамм радия;

1 миллиграмм кобальта - 60;

8 микрограмм йода -131;

3 тонны урана - 238.

Кюри - очень большая величина, поэтому применяют более мелкие дольные единицы: милликюри (мКu) = 10¯³ Кu = 3,7*10 в 7-й степени расп/сек.

микрокюри (мКu) = 10 в -6-й ст Кu = 3,7*10 в 4й степени расп/сек.

нанокюри (нКu) = 10 в -9-й ст Кu = 3,7*10 расп/сек (37 Бк).

пикокюри (пКu) = 10 в -12-й ст Кu = 0,037 расп/сек.

При контроле содержания р/а веществ в объектах санитарного и ветеринарного надзора (вода, воздух, продукты питания, корма, продукты животноводства) пользуются величиной удельной активности или концентрации. Это активность, приходящаяся на единицу массы или объёма.

Их выражают в Кu/л, Кu/кг, Бк/л, Бк/кг и производных от этих единиц.

Зараженность земель радионуклидами характеризуется поверхностной активностью и измеряется в Кu/км².

Активность любого радиоактивного изотопа с течением времени убывает в соответствии с законом радиоактивного распада и определяется по аналогичным соотношениям:

Дата добавления: 2014-01-07