Які складові входять до складу ядра. Атомне ядро ​​Атомне ядро ​​його склад

Асоціативні приклади процесу езосмосу, передачі та розподілу енергії та інформації

склад ядра атома. Розрахунок протонів та нейтронів

Формули реакцій, що лежать в основі керованого термоядерного синтезу

склад ядра атома. Розрахунок протонів та нейтронів

Згідно з сучасними уявленнями, атом складається з ядра та розташованих навколо нього електронів. Ядро атома, у свою чергу, складається з більш малих елементарних частинок з певної кількості протонів та нейтронів(загальна назва для яких – нуклони), пов'язаних між собою ядерними силами.

Кількість протоніву ядрі визначає будову електронної оболонки атома. А електронна оболонка визначає фізико-хімічні властивості речовини. Число протонів відповідає порядковому номеру атома в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва, називається також зарядне число, атомний номер, атомне число. Наприклад, число протонів у атома Гелія - ​​2. У періодичній таблиці він стоїть під номером 2 і позначається як He 2 Символом для позначення кількості протонів служить латинська буква Z. При записі формул часто цифра, що вказує на кількість протонів, розташовується знизу від символу елемента або праворуч, або зліва: He 2/2 He.

Кількість нейтроніввідповідає певному ізотопу тієї чи іншої елемента. Ізотопи – це елементи з однаковим атомним номером (однаковою кількістю протонів та електронів), але з різним масовим числом. Масове число– загальна кількість нейтронів та протонів у ядрі атома (позначається латинською літерою А). При записі формул масове число вказується у верхній частині символу елемента з однієї зі сторін: He 4 2 / 4 2 He (Ізотоп Гелія – Гелій - 4)

Таким чином, щоб дізнатися кількість нейтронів у тому чи іншому ізотопі, слід від загального масового числа відібрати число протонів. Наприклад, нам відомо, що в атомі Гелія-4 He 4 2 міститься 4 елементарні частинки, так як масове число ізотопу - 4 . При цьому нам відомо, що He 4 2 має 2 протони. Відібравши від 4 (загальне масове число) 2 (у протонів) отримуємо 2 – кількість нейтронів в ядрі Гелія-4.

ПРОЦЕС РОЗРАХУНКУ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИНОК ПО В ЯДРІ АТОМА. Як приклад, ми не випадково розглянули Гелій-4 (He 4 2), ядро ​​якого складається з двох протонів і двох нейтронів. Оскільки ядро ​​Гелія-4, що називається альфа-частинкою (α-частинка) має найбільшу ефективність в ядерних реакціях, його часто використовують для експериментів у цьому напрямку. Варто зазначити, що у формулах ядерних реакцій часто замість He 4 2 використовується символ α.

Саме за участю альфа-часток була проведена Е. Резерфордом перша в офіційній історії фізики реакція ядерного перетворення. В ході реакції α-частинами (He 4 2) «бомбардувалися» ядра ізотопу азоту (N 14 7), внаслідок чого утворився ізотоп оксигену (O 17 8) та один протон (p 1 1)

Ця ядерна реакція виглядає так:

Здійснимо розрахунок кількості фантомних частинок До і після цього перетворення.

ДЛЯ РОЗРАХУНКУ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИН НЕОБХІДНО:
Крок 1. Порахувати кількість нейтронів та протонів у кожному ядрі:
- кількість протонів вказано у нижньому показнику;
- кількість нейтронів дізнаємося, відібравши від загального масового числа (верхній показник) кількість протонів (нижній показник).

Крок 2. Порахувати кількість фантомних частинок По в атомному ядрі:
- помножити кількість протонів на кількість фантомних частинок, що містяться в 1 протоні;
- помножити кількість нейтронів на кількість фантомних частинок, що містяться в 1 нейтроні;

Крок 3. Скласти кількість фантомних частинок:
- скласти одержану кількість фантомних частинок По в протонах з одержаною кількістю в нейтронах в ядрах до реакції;
- скласти одержану кількість фантомних частинок По в протонах з одержаною кількістю в нейтронах в ядрах після реакції;
- порівняти кількість фантомних частинок до реакції з кількістю фантомних частинок після реакції.

ПРИКЛАД РОЗВЕРНУТОГО ВИЧИСЛЕННЯ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИНОК ПО В ЯДРАХ АТОМІВ.
(Ядерна реакція за участю α-частки (He 4 2), проведена Е. Резерфордом у 1919 році)

ДО РЕАКЦІЇ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Кількість протонів: 7
Кількість нейтронів: 14-7 = 7
в 1 протоні - 12 По, значить у 7 протонах: (12 х 7) = 84;
у 1 нейтроні – 33 По, отже у 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 84+231 = 315

He 4 2
Кількість протонів – 2
Кількість нейтронів 4-2 = 2
Кількість фантомних частинок:
в 1 протоні - 12 По, значить у 2 протонах: (12 х 2) = 24
у 1 нейтроні – 33 По, отже у 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 24+66 = 90

Разом, кількість фантомних частинок до реакції

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

ПІСЛЯ РЕАКЦІЇ (O 17 8) та один протон (p 1 1):
O 17 8
Кількість протонів: 8
Кількість нейтронів: 17-8 = 9
Кількість фантомних частинок:
в 1 протоні - 12 По, значить у 8 протонах: (12 х 8) = 96
у 1 нейтроні – 33 По, отже, у 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 96+297 = 393

p 1 1
Кількість протонів: 1
Кількість нейтронів: 1-1 = 0
Кількість фантомних частинок:
У 1 протоні – 12 По
Нейтрони відсутні.
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 12

Разом, кількість фантомних частинок після реакції
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Порівняємо кількість фантомних частинок По до та після реакції:

ПРИКЛАД СКОРОЧЕНОЇ ФОРМИ ВИЧИСЛЕННЯ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИНОК ПО В ЯДЕРНІЙ РЕАКЦІЇ.

Відомою ядерною реакцією є реакція взаємодії α-частинок з ізотопом берилію, на якій вперше був виявлений нейтрон, який проявив себе як самостійна частка в результаті ядерного перетворення. Ця реакція була здійснена в 1932 англійським фізиком Джеймсом Чедвіком. Формула реакції:

213 + 90 → 270 + 33 - кількість фантомних частинок По в кожному з ядер

303 = 303 - загальна сума фантомних частинок По до та після реакції

Кількості фантомних частинок До і після реакції рівні.

Протонно-електронна теорія

До початку $1932$ р. Було відомо лише три елементарні частки: електрон, протон та нейтрон. З цієї причини було зроблено припущення, що ядро ​​атома складається з протонів та електронів (протонно-електронна гіпотеза). Вважалося, що до складу ядра з номером $Z$ у періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва та масовим числом $A$ входить $A$ протонів та $Z-A$ нейтронів. Відповідно до цієї гіпотези електрони, які входили до складу ядра, виконували роль «цементуючого» засобу, за допомогою якого позитивно заряджені протони утримувалися в ядрі. Прибічники протонно-електронної гіпотези складу атомного ядра вважали, що $\beta^-$ - радіоактивність - це підтвердження правильності гіпотези. Але ця гіпотеза виявилася здатною пояснити результати експерименту і була відкинута. Однією з таких труднощів була неможливість пояснити те, що спин ядра азоту $^(14)_7N$ дорівнює одиниці $(\hbar)$. Відповідно до протонно-електронної гіпотези, ядро ​​азоту $^(14)_7N$ має складатися з $14$ протонів і $7$ електронів. Спин протонів та електронів дорівнює $1/2$. З цієї причини ядро ​​атома азоту, яке складається відповідно до цієї гіпотези з $21$ частки, повинно мати спін $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Ця невідповідність протонно-електронної теорії названа «азотною катастрофою». Так само незрозумілим було те, що за наявності електронів у ядрі його магнітний момент має малий магнітний момент у порівнянні з магнітним моментом електрона.

У 1932 $ році Дж. Чедвік відкрив нейтрон. Після цього відкриття Д. Д. Іваненко та Є. Г. Гапон висунули гіпотезу про протонно-нейтронну будову атомного ядра, яку докладно розробив В. Гейзенберг.

Примітка 1

Протонно-нейтронний склад ядра підтверджений не тільки теоретичними висновками, а й безпосередньо дослідами з розщеплення ядра на протони та нейтрони. Зараз загальноприйнято, що атомне ядро ​​складається з протонів та нейтронів, які так само називаються нуклонами(від латинського Nucleus- Ядро, зерно).

Будова атомного ядра

Ядроє центральною частиною атома, в якій зосереджено позитивний електричний заряд і основна частина маси атома. Розміри ядра, в порівнянні з орбітами електронів надзвичайно малі: $ 10 ^ (-15) -10 ^ (-14) \ м $. ядра складаються з протонів та нейтронів, які майже однакові за масою, але електричний заряд несе лише протон. Повна кількість протонів називається атомним номером $Z$ атома, який збігається з числом електронів у нейтральному атомі. Нуклони утримуються в ядрі великими силами, за своєю природою ці сили не відносяться ні до електричних ні гравітаційних, а за величиною вони на багато перевищують сили, які пов'язують електрони з ядром.

Відповідно до протонно-нейтронної моделі будови ядра:

• ядра всіх хімічних елементів складаються з нуклонів;
• заряд ядра обумовлений лише протонами;
• число протонів у ядрі дорівнює порядковому номеру елемента;
• число нейтронів дорівнює різниці між масовим числом та числом протонів ($N=A-Z$)

Протон ($^2_1H\ або \ p$) - позитивно заряджена частка: її заряд дорівнює заряду електрона $e=1.6\cdot 10^(-19)\ Кл$, а маса спокою $m_p=1.627\cdot 10^( -27) \ кг $. Протон є ядром легкого нуклон атома гідрогену.

Для спрощення записів і розрахунків масу ядра найчастіше визначають атомних одиницях маси (а.е.м) чи одиницях енергії (записуючи замість маси відповідну енергію $E=mc^2$ в электрон-вольтах). За атомну одиницю маси беруть $1/12$ маси нукліду вуглецю $^(12)_6С$. У цих одиницях отримуємо:

Протон подібно до електрона має власний момент імпульсу - спін, який дорівнює $1/2$ (в одиницях $\hbar $). Останній, у зовнішньому магнітному полі може орієнтуватися тільки так, що його проекція та напрямки поля дорівнюють $+1/2$ або $-1/2$. Протон, як і електрон, підлягає квантової статистики Фермі-Дірака, тобто. належить до ферміонів.

Протон характеризується власним магнітним моментом, який для частки зі спином $1/2$ зарядом $e$ і масою $m$ дорівнює

Для електрона власний магнітний момент дорівнює

Для опису магнетизму нуклонів та ядер використовують ядерний магнетон (у $1836$ разів менший за магнетон Бора):

Спочатку вважали, що магнітний момент протона дорівнює ядерному магнетону, т.к. його маса в $1836$ разів більша за масу електрона. Проте виміри показали, що насправді власний магнітний момент протона в $2,79$ разів більше від ядерного магнетрона, має позитивний знак, тобто. напрямок збігається зі спином.

Сучасна фізика пояснює ці розбіжності тим, що протони і нейтрони взаємоперетворюються і протягом деякого часу перебувають у стані дисоціації на $\pi^\pm$ - мезон та відповідного знака інший нуклон:

Маса спокою $\pi^\pm$ - мезона дорівнює $193,63$ МеВ, тому його власний магнітний момент у $6,6$ разів більше від ядерного магнетону. У вимірах з'являється деяке ефективне значення магнітного моменту протона і $ ^ + - мезонного оточення.

Нейтрон ($ n $) - електрично нейтральна частка; її маса спокою

Хоча нейтрон і позбавлений заряду, він має магнітний момент $mu _n=-1.91mu _Я$. Знак «$-$» показує, що за напрямком магнітний момент протилежний спині протона. Магнетизм нейтрона визначається ефективним значенням магнітного моменту частинок, куди він здатний диссоциировать.

У вільному стані нейтрон нестійка частка і довільно розпадається (період напіврозпаду $ 12 $ хв): випромінюючи $ \ beta $ - Частку і антинейтрино він перетворюється на протон. Схема розпаду нейтрона записується у такому вигляді:

На відміну від внутрішньоядерного розпаду нейтрона $ \ beta $ - розпад належить і до внутрішнього розпаду і до фізики елементарних частинок.

Взаємне перетворення нейтрона і протона, рівність спинів, наближеність мас і властивостей дають підстави припускати, що йдеться про два різновиди однієї і тієї ж ядерної частки - нуклону. Протонно-нейтронна теорія добре узгоджується з експериментальними даними.

Як складові ядра протони та нейтрони виявляють у численних реакціях поділу та синтезу.

У довільних і штучних поділах ядер спостерігаються також потоки електронів, позитронів, мезонів, нейтрино і антинейтрино. Маса $ \ beta $ - частинки (електрон або позитрон) в $ 1836 разів менше маси нуклону. Мезони - позитивні, негативні та нульові частинки - по масі займають проміжне місце між $ beta $ - частинками і нуклонами; Час життя таких часток дуже мало і становить мільйонні частки секунди. Нейтрино та антинейтрино - елементарні частинки, маса спокою яких дорівнює нулю. Однак електрони, позитрони та мезони не можуть бути складовими ядра. Ці легкі частинки не можуть бути локалізовані в малому обсязі, яким є ядро ​​радіусом $ sim 10 ^ (-15) м $.

Для доказу цього визначимо енергію електричної взаємодії (наприклад, електрона з позитроном чи протоном у ядрі)

і порівняємо її з власною енергією електрона

Оскільки енергія зовнішньої взаємодії перевищує власну енергію електрона, він не може існувати та зберігати власну індивідуальність, в умовах ядра він буде знищений. Інша ситуація з нуклонами, їхня власна енергія понад $900$ МеВ, тому в ядрі вони можуть зберігати свої особливості.

Легкі частинки випромінюються з ядер у процесі переходу їх із одного стану до іншого.

Як зазначалося, атом складається з трьох видів елементарних частинок: протонів, нейтронів і електронів. Атомне ядро ​​– центральна частина атома, що складається з протонів та нейтронів. Протони та нейтрони мають загальну назву нуклон, в ядрі вони можуть перетворюватися один на одного. Ядро найпростішого атома – атома водню – складається з однієї елементарної частки – протона.

Діаметр ядра атома дорівнює приблизно 10-13 - 10-12 см і становить 0,0001 діаметра атома. Проте, майже вся маса атома (99,95 – 99,98 %) зосереджено у ядрі. Якби вдалося отримати 1 см 3 чистої ядерної речовини, маса його становила б 100 – 200 млн.т. Маса ядра атома в кілька тисяч разів перевершує масу всіх електронів, що входять до складу атома.

Протон- Елементарна частка, ядро ​​атома водню. Маса протона дорівнює 1,6721х10 -27 кг, вона у 1836 разів більша за масу електрона. Електричний заряд позитивний і дорівнює 1,66 х10-19 Кл. Кулон – одиниця електричного заряду, рівна кількості електрики, що проходить через поперечний переріз провідника протягом 1с при постійної силі струму 1А (ампер).

Кожен атом будь-якого елемента містить у ядрі кілька протонів. Це постійне для даного елемента і визначає його фізичні та хімічні властивості. Тобто від кількості протонів залежить, з яким хімічним елементом ми маємо справу. Наприклад, якщо в ядрі один протон це водень, якщо 26 протонів це залізо. Число протонів в атомному ядрі визначає заряд ядра (зарядове число Z) та порядковий номер елемента в періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва (атомний номер елемента).

Нейтрон- Електрично нейтральна частка з масою 1,6749 х10 -27 кг, в 1839 разів більше маси електрона. Нейрон у вільному стані – нестабільна частка, він самостійно перетворюється на протон з випромінюванням електрона та антинейтрино. Період напіврозпаду нейтронів (час, протягом якого розпадається половина первісної кількості нейтронів) дорівнює приблизно 12 хв. Однак у зв'язаному стані всередині стабільних атомних ядер він стабільний. Загальне число нуклонів (протонів та нейтронів) в ядрі називають масовим числом (атомною масою – А). Число нейтронів, що входять до складу ядра, дорівнює різниці між масовим і зарядовим числами: N = A - Z.

Електрон– елементарна частка, носій найменшої маси – 0,91095х10 -27 г та найменшого електричного заряду – 1,6021х10 -19 Кл. Це негативно заряджена частка. Число електронів у атомі дорівнює числу протонів у ядрі, тобто. атом електрично нейтральний.

Позитрон- Елементарна частка з позитивним електричним зарядом, античастинка по відношенню до електрона. Маса електрона та позитрона рівні, а електричні заряди рівні за абсолютною величиною, але протилежні за знаком.

Різні типи ядер називають нуклідами. Нуклід – вид атомів із даними числами протонів і нейтронів. У природі існують атоми одного і того ж елемента з різною атомною масою (масовим числом): 1735Cl, 1737Cl і т.д. Ядра цих атомів містять однакову кількість протонів, але різне число нейтронів. Різновиди атомів одного і того ж елемента, що мають однаковий заряд ядер, але різне масове число називаються ізотопами . Маючи однакову кількість протонів, але відрізняючись кількістю нейтронів, ізотопи мають однакову будову електронних оболонок, тобто. дуже близькі хімічні властивості і займають одне й те саме місце у періодичній системі хімічних елементів.

Ізотопи позначають символом відповідного хімічного елемента з розташованим зверху ліворуч індексом А – масовим числом, іноді ліворуч унизу наводиться також число протонів (Z). Наприклад, радіоактивні ізотопи фосфору позначають 32 Р, 33 Р або 15 32 Р і 15 33 Р відповідно. При позначенні ізотопу без вказівки символу елемента наводиться масове число після позначення елемента, наприклад, фосфор – 32, фосфор – 33.

Більшість хімічних елементів має кілька ізотопів. Крім ізотопу водню 1 Н-протию, відомий важкий водень 2 Н-дейтерій та надважкий водень 3 Н-тритій. У урану 11 ізотопів, у природних сполуках їх три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протони і відповідно 146,143 та 141 нейтрон.

В даний час відомо понад 1900 ізотопів 108 хімічних елементів. З них до природних відносяться всі стабільні (їх приблизно 280) та природні ізотопи, що входять до складу радіоактивних сімей (їх 46). Інші відносяться до штучних, вони отримані штучним шляхом внаслідок різних ядерних реакцій.

Термін «ізотопи» слід застосовувати тільки в тих випадках, коли йдеться про атоми того самого елемента, наприклад, ізотопи вуглецю 12 С і 14 С. Якщо маються на увазі атоми різних хімічних елементів, рекомендується використовувати термін «нукліди», наприклад, радіонукліди 90 Sr, 131 J, 137 Cs.

Атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронів, що його оточують. Атомні ядра мають розміри приблизно 10-14...10-15 м (лінійні розміри атома – 10-10 м).

Атомне ядро ​​складається з елементарних частинок - протонів та нейтронів.Протонно-нейтронна модель ядра була запропонована російським фізиком Д. Д. Іваненко, а згодом розвинена В. Гейзенбергом.

Протон ( р) має позитивний заряд, рівний заряду електрона, і масу спокою т p = 1,6726∙10 -27 кг 1836 m e, де m eмаса електрона. Нейтрон ( n)нейтральна частка з масою спокою m n= 1,6749∙10 -27 кг 1839т e ,. Масу протонів і нейтронів часто виражають в інших одиницях - в атомних одиницях маси (а.е.м., одиниця маси, що дорівнює 1/12 маси атома вуглецю
). Маси протона і нейтрона дорівнюють приблизно однієї атомної одиниці маси. Протони та нейтрони називаються нуклонами(Від лат. Nucleusядро). Загальна кількість нуклонів в атомному ядрі називається масовим числом А).

Радіуси ядер зростають із збільшенням масового числа відповідно до співвідношення R = 1,4А 1/3 10-13 см.

Експерименти показують, що ядра не мають різких меж. У центрі ядра існує певна густина ядерної речовини, і вона поступово зменшується до нуля зі збільшенням відстані від центру. Через відсутність чітко визначеної межі ядра його «радіус» визначається як відстань від центру, де щільність ядерної речовини зменшується вдвічі. Середній розподіл щільності матерії для більшості ядер виявляється не просто сферичним. Більшість ядер деформована. Часто ядра мають форму витягнутих або сплющених еліпсоїдів

Атомне ядро ​​характеризується зарядомZe,де Zзарядове числоядра, що дорівнює кількості протонів в ядрі і збігається з порядковим номером хімічного елемента в Періодичній системі елементів Менделєєва.

Ядро позначається тим самим символом, що і нейтральний атом:
, де Xсимвол хімічного елемента, Zатомний номер (число протонів в ядрі), Амасове число (число нуклонів у ядрі). Масове число Априблизно дорівнює масі ядра в атомних одиницях маси.

Оскільки атом нейтральний, то заряд ядра Zвизначає і число електронів у атомі. Від числа електронів залежить їх розподіл за станами в атомі. Заряд ядра визначає специфіку даного хімічного елемента, тобто визначає число електронів в атомі, конфігурацію електронних оболонок, величину і характер внутрішньоатомного електричного поля.

Ядра з однаковими зарядовими числами Z, але з різними масовими числами А(Т. е. з різними числами нейтронів N = A - Z), називаються ізотопами, а ядра з однаковими А,але різними Z –ізобарами. Наприклад, водень ( Z= l) має три ізотопи: Н -протий ( Z= l, N = 0), Н -дейтерій ( Z= l, N= 1), Н -тритій ( Z= l, N= 2), олово – десять ізотопів і т. д. У переважній більшості випадків ізотопи одного і того ж хімічного елемента мають однакові хімічні та майже однакові фізичні властивості.

Е, МеВ

Рівні енергії

і спостерігаються переходи для ядра атома бору

Квантова теорія строго обмежує значення енергій, якими можуть мати складові ядер. Сукупності протонів і нейтронів в ядрах можуть бути лише у певних дискретних енергетичних станах, притаманних даного ізотопу.

Коли електрон переходить з вищого в нижчий енергетичний стан, різниця енергій випромінюється як фотона. Енергія цих фотонів має порядок кількох електровольт. Для ядер енергії рівнів лежать в інтервалі від приблизно 1 до 10 МеВ. При переходах між цими рівнями випромінюються фотони великих енергій (γ-кванти). Для ілюстрації таких переходів на мал. 6.1 наведено п'ять перших рівнів енергії ядра
.Вертикальними лініями вказані переходи, що спостерігаються. Наприклад, γквант з енергією 1,43 МеВ випускається при переході ядра зі стану з енергією 3,58 МеВ у стан з енергією 2,15 МеВ.

Кожен атом складається з ядраі атомної оболонки, До складу яких входять різні елементарні частинки - нуклониі електрони(Рис. 5.1). Ядро - центральна частина атома, що містить практично всю масу атома і має позитивний заряд. Ядро складається з протоніві нейтронів, які є двозарядними станами однієї елементарної частки – нуклону Заряд протону +1; нейтрону 0.

Заряд ядраатома дорівнює Z . ē , де Z– порядковий номер елементів (Атомний номер)у періодичній системі Менделєєва, рівний числу протонів у ядрі; ē - Заряд електрона.

Число нуклонів в ядрі називається масовим числом елемента(A):

A = Z + N,

де Z- Число протонів; N- Число нейтронів в атомному ядрі.

Для протонів і нейтронів масове число приймають 1, для електронів 0.

Рис. 5.1. Будова атома

Загальноприйняті такі позначення для якогось хімічного елемента X: , тут A- Масове число, Z- Атомний номер елемента.

Атомні ядра одного і того ж елемента можуть містити різну кількість нейтронів N. Такі різновиди атомних ядер називаються ізотопамицього елемента. Таким чином, ізотопи мають: однаковий атомний номер, але різні масові числа A. Більшість хімічних елементів є сумішшю різних ізотопів, наприклад ізотопи урану:

.

Атомні ядра різних хімічних елементів можуть мати однакове масове число А(з різним числом протонів Z). Такі різновиди атомних ядер називаються ізобарами. Наприклад:

– – – ; –

Атомна маса

Для характеристики маси атомів та молекул використовують поняття атомної маси M- Це відносна величина, яка визначається по відношенню
до маси атома вуглецю і приймається рівною mа = 12,000 000.
абсолютного визначення атомної маси було введено атомна одиниця
маси(а.е.м.), що визначається по відношенню до маси атома вуглецю в наступному вигляді:

.

Тоді атомну масу елемента можна визначити як:

де М- Атомна маса ізотопів аналізованого елемента. Це вираз полегшує визначення маси ядер елементів, елементарних частинок, частинок – продуктів радіоактивних перетворень тощо.

Дефект маси ядра та енергія зв'язку ядра

Енергія зв'язку нуклону– фізична величина, чисельно рівна роботі, яку треба зробити видалення нуклону з ядра без повідомлення йому кінетичної енергії.

Нуклони пов'язані в ядрі завдяки ядерним силам, які значно перевершують сили електростатичного відштовхування, що діють між протонами. Для розщеплення ядра необхідно подолати ці сили, тобто витратити енергію. З'єднання нуклонів з утворенням ядра, навпаки, супроводжується вивільненням енергії, яку називають енергією зв'язку ядраΔ Wсв:

,

де - так званий дефект маси ядра; з ≈ 3 . 10 8 м/с – швидкість світла у вакуумі.

Енергія зв'язку ядра- фізична величина, рівна роботі, яку потрібно зробити для розщеплення ядра на окремі нуклони без повідомлення кінетичної енергії.

При утворенні ядра відбувається зменшення його маси, тобто маса ядра менша, ніж сума мас його нуклонів, ця різниця називається дефектом масΔ m:

де m p- Маса протона; m n- Маса нейтрону; mядр – маса ядра.

При переході від маси ядра mядр до атомних мас елемента mа, цей вираз можна записати у такому вигляді:

де m H – маса водню; m n-Маса нейтрону і mа – атомна маса елемента, визначені через атомну одиницю маси(А.е.м.).

Критерієм стійкості ядра є сувора відповідність у ньому числа протонів та нейтронів. Для стійкості ядер справедливе таке співвідношення:

,

де Z- Число протонів; A- Масове число елемента.

З відомих на сьогодні приблизно 1700 видів ядер, лише близько 270 є стабільними. Причому в природі переважають парно-парні ядра (тобто з парним числом протонів та нейтронів), які є особливо стабільними.

Радіоактивність

Радіоактивність- Перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента з виділенням деяких елементарних частинок. Розрізняють: природну та штучну радіоактивність.

До основних видів відносять:

- α-випромінювання (розпад);

- β-випромінювання (розпад);

- Спонтанне розподіл ядра.

Ядро елемента, що розпадається, називається материнським, а ядро ​​елемента, що утворюється - дочірнім. Мимовільний розпад атомних ядер підпорядковується наступному закону радіоактивного розпаду:

де N 0 – число ядер у хімічному елементі у початковий час; N- Число ядер в момент часу t; - так звана «постійна» розпаду, яка є частиною ядер, що розпалися в одиницю часу.

Величина зворотна «постійної» розпаду, характеризує середню тривалість життя ізотопу. Характеристика стійкості ядер щодо розпаду період напіврозпаду, тобто час, протягом якого початкова кількість ядер зменшується вдвічі:

Зв'язок між і :

, .

При радіоактивному розпаді виконується закон збереження заряду:

,

де – заряд «осколків», що розпалися або вийшли (утворилися); і правило збереження масових чисел:

де – масове число «уламків», що утворилися (розпалися).

5.4.1. α та β-розпад

α-розпадє випромінювання ядер гелію. Характерний для «важких» ядер із великими масовими числами A> 200 та зарядом z > 82.

Правило усунення при α-розпаді має такий вигляд (відбувається утворення нового елемента):

.

; .

Зазначимо, що α-розпад (випромінювання) має найбільшу іонізуючу здатність, але найменшу проникність.

Розрізняють такі види β-розпаду:

- електронний β-розпад (β - -розпад);

- позитронний β-розпад (β + -розпад);

- Електронне захоплення (k-захоплення).

β - -розпадвідбувається при надлишку нейтронів з виділенням електронів та антинейтрино:

.

β + -розпадвідбувається при надлишку протонів з виділенням позитронів і нейтрино:

.

Для електронного захоплення ( k-захоплення)характерно наступне перетворення:

.

Правило усунення при β-розпаді має такий вигляд (відбувається утворення нового елемента):

для β - -розпаду: ;

для β + -розпаду: .

β-розпад (випромінювання) має найменшу іонізуючу здатність, але найбільшу проникність.

α та β-випромінювання супроводжуються γ-випромінюванням, Яке є випромінювання фотонів і не є самостійним видом радіоактивного випромінювання.

γ-фотони виділяються при зменшенні енергії збуджених атомів та не викликають зміну масового числа Aта зміна заряду Z. γ-випромінювання має найбільшу проникаючу здатність.

Активність радіонуклідів

Активність радіонуклідів– міра радіоактивності, що характеризує кількість розпадів ядер за одиницю часу. Для певної кількості радіонуклідів у певному енергетичному стані в певний момент часу активність Азадається у вигляді:

де – очікуване число спонтанних ядерних перетворень (число розпадів ядер), які у джерелі іонізуючого випромінювання за інтервал часу .

Мимовільне ядерне перетворення називають радіоактивним розпадом.

Одиницею вимірювання активності радіонуклідів є зворотна секунда (), що має спеціальну назву бекерель (Бк).

Беккерель дорівнює активності радіонукліду в джерелі, в якому протягом 1 сек. відбувається одне спонтанне ядерне перетворення.

Позасистемна одиниця активності кюрі (Ku).

Кюрі – активність радіонукліду у джерелі, у якому протягом 1 сек. відбувається 3,7 . 10 10 спонтанних ядерних перетворень, тобто 1 Ku = 3,7 . 10 10 Бк.

Наприклад, приблизно 1 г чистого радію дає активність 3,7 . 10 10 ядерних розпадів за секунду.

Не всі ядра радіонукліду розпадаються одночасно. Кожну одиницю часу мимовільне ядерне перетворення відбувається з певною часткою ядер. Частка ядерних перетворень для різних радіонуклідів є різною. Наприклад, із загальної кількості ядер радію щомиті розпадається 1,38 . частина, а із загальної кількості ядер радону – 2,1 . частина. Частка ядер, що розпадаються в одиницю часу, називається постійною розпаду λ .

З наведених визначень випливає, що активність Апов'язана з кількістю радіоактивних атомів Nу джерелі на даний момент часу співвідношенням:

З часом кількість радіоактивних атомів зменшується за законом:

, (3) – 30 років, радона поверхневої або лінійноїактивністю.

Вибір одиниць питомої активності визначається конкретним завданням. Наприклад, активність повітря виражають у беккерелях на кубічний метр (Бк/м 3) – об'ємна активність. Активність у воді, молоці та інших рідинах також виражається як об'ємна активність, оскільки кількість води та молока вимірюється у літрах (Бк/л). Активність у хлібі, картоплі, м'ясі та інших продуктах виявляється як питома активність (Бк/кг).

Очевидно, що біологічний ефект впливу радіонуклідів на організм людини залежатиме від їхньої активності, тобто від кількості радіонукліду. Тому об'ємна та питома активність радіонуклідів у повітрі, воді, продуктах харчування, будівельних та інших матеріалах нормуються.

Оскільки протягом певного часу людина може опромінюватися різними шляхами (від надходження радіонуклідів в організм до зовнішнього опромінення), всі фактори опромінення пов'язують певною величиною, яка називається дозою опромінення.