Курс лекций Ставрополь, 2015 содержание стр. Введение лекция Введение в радиобиологию. Тема физические основы радиоэкологии лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер
Скачать 2.7 Mb.
|
| Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ Лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер.
1. Строение атома. Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона [Белов А.Д., 1999]. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален. В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома. Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т.д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода (12С). 1 а.е.м. = 1,67*10-27 кг Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт. 1эВ = 1,602*10-19Кл Кроме этого массу часто выражают в энергетических эквивалентах (это энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а.е.м., составляет 931,5МэВ (106 эВ). Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (АZX). Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева: q = Ze Ядерные силы. Протоны и нейтроны внутри атомного ядра удерживаются ядерными силами. Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра. Установлено, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра, из чего следует, что для разделения ядра на его составляющие нужно затратить энергию. Минимальная энергия, необходимая для этого называется энергией связи ядра. Такая же картина наблюдается, если сложить массы нуклонов, составляющих ядро атома. Расчетная масса ядра окажется больше фактической масса ядра. Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы. Ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у нуклонов, действуют только на очень малых расстояниях (10-13см) и с увеличением расстояния между ядерными частицами очень быстро ослабевают. Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа. Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы π-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные π-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер. Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а.е.м. или 938,27 МэВ. Число протонов в ядре (атомный номер) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы Д.И. Менделеева. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов. Нейтрон (n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента [Белов А.Д., 1999]. Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а.е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10-28кг. Энергетический эквивалент а.е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10-19Кл. Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P,Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением: m=2n2, где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее. Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней. Переход отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии (поглощается или испускается квант энергии). Согласно постулатам Бора атомная система находится в стационарном состоянии, которое характеризуется определенной энергией. Бесконечно долго каждый атом может находиться только в стационарном состоянии с минимальной энергией, которое называется основным или нормальным. Все остальные стационарные состояния атома с большими энергиями называются возбужденными. Переход электрона с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра (с большей энергией) называется процессом возбуждения. В результате соударения с другими атомами, с любой заряженной частицей или при поглощении фотона электромагнитного излучения атом может перейти из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает 10-7-10-9с. Из любого возбужденного состояния атом самопроизвольно переходит в основное состояние, этот процесс сопровождается излучением фотонов (квантов). В зависимости от разности энергий атома в двух состояниях, между которыми совершается переход, испускаемый квант электромагнитного излучения может принадлежать диапазону радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. При сильных электрических воздействиях электроны могут вырываться за пределы атома. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Изотопы, изотоны, изобары. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число (3919К, 4019К, 4119К). Поскольку заряды ядер этих атомов одинаковые, элементарные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам. Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь изотопов. Обычно в смеси изотопов одного определенного элемента преобладает один изотоп, а остальные составляют только небольшой процент (например, калий состоит из: 39К – 93,08%; 40К – 0,0119%; 41К – 6,91%) (4). Чтобы отличить изотопы одного химического элемента друг от друга, перед названием элемента сверху приписывают массовое число, равное сумме всех частиц ядра данного изотопа, а снизу – заряд ядра (число протонов), соответствующий порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Так, наиболее распространенный в природе легкий водород 11Н (протий) содержит 1 протон, редко встречающийся среди атомов водорода 21Н (дейтерий) -1 протон и 1 нейтрон, а никогда не встречающийся в природе 31Н (тритий) – 1 протон и 2 нейтрона (тритий получают искусственным путем, облучая дейтерий медленными нейтронами) [Люцко А.М. и др., 1996]. Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами. В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных. Условие устойчивости атомных ядер: устойчивыми являются лишь те из атомных ядер, которые обладают минимальной энергией по сравнению со всеми ядрами, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться. Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. Например 136С имеет шесть протонов и семь нейтронов, 147N имеет семь протонов и тоже семь нейтронов. Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т.е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами. Например: 104Be, 105B, 106C и т.д. Различие в энергии атомных ядер изобаров определяется наличием у протонов электрического заряда и существованием различия в массах протона и нейтрона. Так ядра, содержащие значительно больше протонов, чем нейтронов, оказываются нестабильными, так как обладают избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра же, имеющие больше нейтронов, чем протонов, нестабильны из-за того, что масса нейтрона больше массы протона, а увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии. От избыточной энергии ядра могут освобождаться двумя путями:
Элементарные частицы. Элементарные частицы не являются молекулами, атомами или ядрами. Они имеют радиус (R) равный 10-14 – 10-15м и энергию (W) около 106 – 108 эВ. Сейчас общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны или квазистабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это электроны, входящие в состав атомов, их античастицы – позитроны; протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер; фотоны γ, являющиеся квантами электромагнитного поля. Сюда же можно отнести электронные (анти)нейтрино νе, рождающиеся в процессах бета-превращений и в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории. К ним относятся мюоны (мю-мезоны) μ– – тяжелый аналог электрона (mμ ≈ 200mе) зарегистрированы в космических лучах; пионы (пи-мезоны) π+, π0, π– – переносчики ядерного взаимодействия и другие. У каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением «тильды, ~ » над ним. Массы, время жизни и спины частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку. 2. Виды радиоактивного распада. Радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление носит название радиоактивный распад. Радиоактивные превращения, происходящие в природе, называются естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), - искусственной радиоактивностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам. Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват (К-захват), внутренняя конверсия, деление ядер. Альфа-распад – это самопроизвольное деление неустойчивого атомного ядра на α-частицу (ядро атома гелия 42Не) и ядро-продукт (дочернее ядро).При этом заряд ядра продукта уменьшается на 2 положительные единицы, а массовое число на 4 единицы. При этом образующийся элемент-продукт смещается влево относительно исходного на две клетки периодической системы Д.И. Менделеева: AZX → 42He + A-4Z-2X например: 23892U → 42He + 23490Th + Q Альфа-радиоактивными являются практически все (за редким исключением) ядра атомов элементов с порядковым номером 82 и больше (те, что в периодической таблице стоят за свинцом 82Pb). Альфа-частица, вылетая из ядра, приобретает кинетическую энергию порядка 4-9 МэВ. |
Похожие:
 | Изучением курса “Введение в специальность” студенты начинают постижение самой, пожалуй, молодой, и в то же время сложной профессии... |  | Лекция №6. Организация и проведение соревнований по легкой атлетике |
| Тема Теория социальной работы как учебная дисциплина; научные основы социальной работы | | Лекция Физическая культура в общекультурной и профессиональной подготовке студента |
| «Черный» pr – неотъемлемая технология любой предвыборной кампании (8 стр) | | Лекция Тема: Современные трактовки предметной области политической философии (4 час.) |
| Лекция Здоровье и здоровый образ жизни. Факторы, способствующие укреплению здоровья | | Лекция Национальная политика советского государства: теория и практика вопроса |
| Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой | | Лекция Инкаминг. Характеристика современного туррынка. Особенности истории развития въездного туризма |