Строение атомного ядра радиоактивность кратко

Обновлено: 05.07.2024

Каждый атом состоит из ядра и атомной оболочки, в состав которых входят различные элементарные частицы – нуклоны и электроны (рис. 5.1). Ядро – центральная часть атома, содержащая практически всю массу атома и обладающая положительным зарядом. Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые являются двухзарядными состояниями одной элементарной частицы – нуклона. Заряд протона +1; нейтрона 0.

Заряд ядра атома равен Z . ē , где Z – порядковый номер элементов (атомный номер) в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре; ē – заряд электрона.

Число нуклонов в ядре называется массовым числом элемента(A):

A = Z + N,

где Z– число протонов; N – число нейтронов в атомном ядре.

Для протонов и нейтронов массовое число принимают равное 1, для электронов равное 0.

Рис. 5.1. Строение атома

Общеприняты следующие обозначения для какого-нибудь химического элемента X: , здесь A – массовое число, Z– атомный номер элемента.

Атомные ядра одного и того же элемента могут содержать разное число нейтронов N. Такие разновидности атомных ядер называются изотопамиданного элемента. Таким образом, изотопы имеют: одинаковый атомный номер, но различные массовые числа A. Большинство химических элементов представляют собой смесь различных изотопов, например изотопы урана:

Атомные ядра различных химических элементов могут иметь одинаковое массовое число А (с разным числом протонов Z). Такие разновидности атомных ядер называются изобарами. Например:

Атомная масса

Для характеристики массы атомов и молекул используют понятие атомной массы M– это относительная величина, которая определяется по отношению
к массе атома углерода и принимается равной mа = 12,000 000. Для
абсолютного определения атомной массы была введена атомная единица
массы (а.е.м.), которая определяется по отношению к массе атома углерода в следующем виде:

Тогда атомную массу элемента можно определить как:

где М – атомная масса изотопов рассматриваемого элемента. Это выражение облегчает определение массы ядер элементов, элементарных частиц, частиц – продуктов радиоактивных превращений и т. д.

Дефект массы ядра и энергия связи ядра

Нуклоны связаны в ядре благодаря ядерным силам, которые значительно превосходят силы электростатического отталкивания, действующие между протонами. Для расщепления ядра необходимо преодолеть эти силы, т. е. затратить энергию. Соединение нуклонов с образованием ядра, напротив, сопровождается высвобождением энергии, которую называют энергией связи ядраΔWсв:

где – так называемый дефект массы ядра; с ≈ 3 . 10 8 м/с – скорость света в вакууме.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы, т. е. масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов, эта разница называется дефектом массΔm:

где mp – масса протона; mn – масса нейтрона; mядр – масса ядра.

При переходе от массы ядра mядр к атомным массам элемента mа, это выражение можно записать в следующем виде:

где mH – масса водорода; mn –масса нейтрона и mа – атомная масса элемента, определенные через атомную единицу массы (а.е.м.).

Критерием устойчивости ядра является строгое соответствие в нем числа протонов и нейтронов. Для устойчивости ядер справедливо следующее соотношение:

где Z – число протонов; A – массовое число элемента.

Из известных к настоящему времени примерно 1700 видов ядер, только около 270 являются стабильными. Причем в природе преобладают четно­-четные ядра (т. е. с четным числом протонов и нейтронов), которые являются особенно стабильными.

Радиоактивность

Радиоактивность– превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого химического элемента с выделением некоторых элементарных частиц. Различают: естественную и искусственную радиоактивность.

К основным видам относят:

– спонтанное деление ядра.

Ядро распадающегося элемента называется материнским, а ядро образующегося элемента – дочерним. Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется следующему закону радиоактивного распада:

При радиоактивном распаде выполняется закон сохранения заряда:

5.4.1. α и β-распад

Правило смещения при α-распаде имеет следующий вид (происходит образование нового элемента):

Отметим, что α-распад (излучение) обладает наибольшей ионизирующей способностью, но наименьшей проницаемостью.

Различают следующие виды β-распада:

– электронный β-распад (β – -распад);

– позитронный β-распад (β + -распад);

– электронный захват (k-захват).

β – -распад происходит при избытке нейтронов с выделением электронов и антинейтрино :

β + -распад происходит при избытке протонов с выделением позитронов и нейтрино :

Для электронного захвата (k-захвата) характерно следующее превра­щение:

Правило смещения при β-распаде имеет следующий вид (происходит образование нового элемента):

для β – -распада: ;

для β + -распада: .

β-распад (излучение) обладает наименьшей ионизирующей способностью, но наибольшей проницаемостью.

α и β-излучения сопровождаются γ-излучением, которое представляет собой излучение фотонов и не является самостоятельным видом радиоактивного излучения.

γ-фотоны выделяются при уменьшении энергии возбужденных атомов и не вызывают изменение массового числа A и изменение заряда Z. γ-излучение обладает наибольшей проникающей способностью.

Активность радионуклидов

Активность радионуклидов– мера радиоактивности, характеризующая число распадов ядер в единицу времени. Для определенного количества радионуклидов в определенном энергетическом состоянии в заданный момент времени активность А задается в виде:

где – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений (число распадов ядер), происходящих в источнике ионизирующего излучения за интервал времени .

Самопроизвольное ядерное превращение называют радиоактивным распадом.

Единицей измерения активности радионуклидов является обратная секунда ( ), имеющая специальное название беккерель (Бк).

Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время 1 сек. происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемная единица активности – кюри (Ku).

Кюри – активность радионуклида в источнике, в котором за время 1 сек. происходит 3,7 . 10 10 спонтанных ядерных превращений, т. е. 1 Ku = 3,7 . 10 10 Бк.

Например, примерно 1 г чистого радия дает активность 3,7 . 10 10 ядерных распадов в секунду.

Не все ядра радионуклида распадаются одновременно. В каждую единицу времени самопроизвольное ядерное превращение происходит с определенной долей ядер. Доля ядерных превращений для разных радионуклидов различна. Например, из общего числа ядер радия ежесекундно распадается 1,38 . часть, а из общего количества ядер радона – 2,1 . часть. Доля ядер, распадающихся в единицу времени, называется постоянной распада λ.

Из приведенных определений следует, что активность А связана с числом радиоактивных атомов N в источнике в данный момент времени соотношением:

С течением времени число радиоактивных атомов уменьшается по закону:

где – число оставшихся радиоактивных атомов по прошествии времени t; – число радиоактивных атомов радионуклида в начальный момент времени: t = 0.

Отсюда следует, что и активность радионуклида также уменьшается за время t по экспоненциальному закону:

где – активность радионуклида в начальный момент времени t = 0.

По прошествии определенного времени число радиоактивных атомов радионуклида уменьшается вдвое – время называется периодом полураспада. Между периодом полураспада и постоянной распада существует следующая зависимость:

У различных радионуклидов период полураспада варьируется в очень широких пределах: от миллиардов лет до миллионных долей секунды. Например, период полураспада урана равен 4,5 млрд лет, радия – 1622 года, цезия – 30 лет, радона – 3,8 дня и т. д.

После подстановки выражения (5) в формулы (3) и (4) получим:

Различают также следующие разновидности радионуклида.

Отношение активности радионуклида в источнике к его массе или объему (для объемных источников) называется удельной или объемной активностью, соответственно:

где , – удельная и объемная активность вещества; А – активность радионуклида в источнике; m, V – масса и объем вещества, носителя радионуклида.

Если отношение активности берется к площади поверхности или к длине источника, то эти отношения называют соответственно поверхностной или линейной активностью.

Выбор единиц удельной активности определяется конкретной задачей. Например, активность в воздухе выражают в беккерелях на кубический метр (Бк/м 3 ) – объемная активность. Активность в воде, молоке и других жидкостях также выражается как объемная активность, так как количество воды и молока измеряется в литрах (Бк/л). Активность в хлебе, картофеле, мясе и других продуктах выражается как удельная активность (Бк/кг).

Очевидно, что биологический эффект воздействия радионуклидов на организм человека будет зависеть от их активности, т. е. от количества радионуклида. Поэтому объемная и удельная активность радионуклидов в воздухе, воде, продуктах питания, строительных и других материалах нормируются.

Поскольку в течение определенного времени человек может облучаться различными путями (от поступления радионуклидов в организм до внешнего облучения), то все факторы облучения связывают определенной величиной, которая называется дозой облучения.

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. Ядро представляет собой центральную часть атома (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ). В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10 –15 –10 –14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10 –14 м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.

На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект, рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.

Ядра большинства атомов оказались не только очень малы – на них никак не действовали такие средства возбуждения оптических явлений, как дуговой искровой разряд, пламя и т.п. Указанием на наличие некой внутренней структуры ядра явилось открытие в 1896 А.Беккерелем радиоактивности. Оказалось, что уран, а затем и радий, полоний, радон и т.п. испускают не только коротковолновое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение и электроны (бета-лучи), но и более тяжелые частицы (альфа-лучи), а они могли исходить лишь из массивной части атома. Резерфорд использовал альфа-частицы радия в своих опытах по рассеянию, которые послужили основой формирования представлений о ядерном атоме. (В то время было известно, что альфа-частицы – это атомы гелия, лишенные своих электронов; но на вопрос – почему некоторые тяжелые атомы спонтанно испускают их, ответа еще не было, как не было и точного представления о размерах ядра.)

Открытие изотопов.

Сравнивая на своем масс-спектрографе массу атома неона с известными массами других элементов, Томсон в 1912 неожиданно обнаружил, что неону вместо одной соответствуют две параболы. Расчеты масс частиц показали, что одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая – с массой 22. Это явилось первым свидетельством того, что атомы определенного химического элемента могут иметь различные массовые числа. Поскольку измеренное (среднее) массовое число оказалось равным 20,2, Томсон высказал предположение, что неон состоит из атомов двух типов, на 90% с массой 20 и на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона оказывается равным 20,2.

Наличие двух типов атомов неона наводило на мысль о том, что и другие элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов. Атомы одного и того же элемента с различной массой называют изотопами. У некоторых элементов существует только один изотоп, что требовало теоретического объяснения, как и факт разной распространенности элементов, а также существование радиоактивности лишь у определенных веществ.

Отметим, что в атомную единицу массы входит масса одного электрона, а масса самого легкого изотопа водорода почти на 1% больше 1 а.е.м.

Открытие нейтрона.

Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А - Z электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером Z.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 4 2He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рис. 2 схематически показана структура нескольких легких ядер.

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

Ядерная связь.

Первоначальное предположение Праута о том, что все атомные массы должны быть целыми кратными массы атома водорода, очень близко к истине, в частности, применительно к изотопам. Отклонения крайне малы, всегда не более 1%, а в большинстве случаев не более 0,1%. Детальное изучение масс изотопов доведено до высочайшей степени совершенства: погрешность измерения в настоящее время, как правило, не превышает нескольких миллионных.

Установлено, что число нейтронов примерно совпадает с числом протонов в атоме, т.е.

В действительности в более тяжелых ядрах имеется некоторый избыток нейтронов. Поскольку нейтрон не заряжен, силы, удерживающие нейтроны и протоны в ядре, по своей природе не являются электростатическими; кроме того, одноименные заряды отталкиваются. То обстоятельство, что ядра очень трудно расщепить, указывает на существование больших сил ядерного притяжения. Несмотря на малость расстояний, гравитационное притяжение между нуклонами все же слишком слабо, чтобы обеспечить стабильность ядра.

Согласно Эйнштейну, полная энергия изолированной системы сохраняется, а масса является одной из форм энергии: E = mc 2 . Чтобы расщепить такую связанную систему, как ядро стабильного атома, на составляющие ее нейтроны и протоны, ей необходимо сообщить энергию. Это означает, что масса нейтронов и протонов превышает массу ядра на величину

где Mp и Mn – массы свободного протона и нейтрона, а MA,Z – масса ядра с зарядом Z и массовым числом А. Эта разница масс, выраженная в единицах энергии, называется энергией связи. Коэффициент для пересчета таков:

1 а.е.м. = 931,14 МэВ,

где 1 МэВ = 10 6 эВ. Таким образом, энергия связи EB = D Mc 2 есть энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нейтроны и протоны.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, EB/A, довольно регулярно изменяется с увеличением числа нуклонов в ядре (рис. 3). Самым легким ядром после протона является дейтрон 2 1H, расщепление которого требует энергии 2,2 МэВ, т.е. 1,1 МэВ на нуклон. Альфа-частица 4 2He связана гораздо сильнее, чем ее соседи: ее энергия связи составляет 28 МэВ. У ядер с массовым числом, превышающим 20, средняя энергия связи, приходящаяся на нуклон, остается почти постоянной, равной примерно 8 МэВ.

Энергия связи ядер на много порядков величины превышает энергию связи валентных электронов в атоме и атомов в молекуле. Чтобы удалить из атома водорода его единственный электрон, достаточно энергии 13,5 эВ; для удаления же внутренних электронов в свинце, связанных наиболее прочно, необходима энергия, равная 0,1 МэВ. Следовательно, все ядерные процессы связаны с энергиями, значительно превышающими те, с которыми мы имеем дело в обычных химических реакциях или при обычных температурах и давлениях.

Естественная радиоактивность.

С явления естественной радиоактивности началась ядерная физика. Альфа-, бета- и гамма-излучения, испускаемые ураном, имеют ядерное происхождение, тогда как оптические и рентгеновские спектры соответствуют электронной структуре атома. Альфа-частицы оказались ядрами гелия. Бета-частицы по своему заряду и массе идентичны электронам оболочки атома, однако их ядерное происхождение было четко продемонстрировано изменением заряда распадающегося ядра. Кроме того, энергия гамма-излучения значительно превышает энергию, которую могут излучать электроны из внешней оболочки атома, следовательно, это проникающее излучение имеет ядерное происхождение.

Важная роль радиоактивности в физике ядра связана с тем, что радиоактивное излучение несет информацию о типах частиц и энергетических уровней ядра. Например, испускание альфа-частиц из ядра и относительная устойчивость образования из двух протонов и двух нейтронов косвенно указывает на возможность существования альфа-частиц внутри ядра.

Различие между естественной и искусственно наведенной радиоактивностью не очень существенно для понимания строения ядра, однако изучение естественных радиоактивных рядов позволило сделать важные выводы относительно возраста Земли и использовать такие элементы в качестве источников бомбардирующих частиц задолго до того, как были изобретены ускорители частиц.

Искусственные превращения ядер.

Опыты с естественно радиоактивными элементами показали, что на скорость радиоактивного распада нельзя повлиять обычными физическими средствами: теплом, давлением и т.п. Таким образом, поначалу казалось, что нет какого-либо эффективного метода исследования структуры естественно стабильных изотопов. Однако в 1919 Резерфорд обнаружил, что ядра можно расщеплять, бомбардируя их альфа-частицами. Первым расщепленным элементом был азот, который в виде газа заполнял камеру Вильсона. Альфа-частицы, испускаемые ториевым источником, сталкивались с ядрами азота, поглощались ими, в результате чего испускались быстрые протоны. При этом происходила реакция

В результате такой реакции атом азота превращается в атом кислорода. В этом примере энергии связи ядер аналогичны теплу, которое выделяется при химической реакции, хотя и значительно превышают его. Впоследствии аналогичные результаты были получены и с многими другими элементами. Используя различные методы, можно измерить энергии и углы вылета испускаемых заряженных частиц, что обеспечивает проведение количественных экспериментов.

Следующим шагом явилось открытие, сделанное Дж.Кокрофтом и Э.Уолтоном в 1932. Они установили, что искусственно ускоренные пучки протонов с энергией 120 кэВ (т.е. значительно меньшей, чем у альфа-частиц в опытах Резерфорда) способны вызывать расщепление атомов лития в процессе

Два ядра гелия (альфа-частицы) одновременно вылетают в противоположные стороны. Причина, по которой эта реакция протекает при низкой энергии, заключается в прочной связи альфа-частиц; при добавлении протона к массе ядра 7 Li сообщается энергия, которая почти равнозначна массам двух альфа-частиц. Остальная энергия, необходимая для протекания реакции, черпается из кинетической энергии бомбардирующих протонов.

Энергетические уровни ядер и ядерные модели.

Изучение ядерных реакций убедительно продемонстрировало существование энергетических уровней ядер. Эти уровни представляют собой состояния ядра с определенной энергией, которым приписаны определенные квантовые числа, как и энергетическим уровням атома (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ). По аналогии с оптической спектроскопией исследование излучений, испускаемых ядром при переходах между энергетическими уровнями, называется ядерной спектроскопией. Однако, как можно видеть из рис. 4, расстояние между энергетическими уровнями ядер значительно больше, чем между электронными уровнями атомов, а к ядерным излучениям, кроме электромагнитного, относятся также излучения электронов, протонов, альфа-частиц и частиц других типов.

О существовании у ядра дискретных энергетических уровней свидетельствует то, что возбуждение ядра, приводящее к испусканию излучения, происходит лишь при определенных энергиях бомбардирующих частиц, а также то, что энергии испускаемых частиц соответствуют переходам между определенными уровнями. Например, можно измерить число протонов, образующихся при бомбардировке бора-10 моноэнергетическими дейтронами в результате реакции

В 1932 Дж.Бартлетт заметил, что все стабильные ядра, расположенные между 4 He и 16 О, относятся к последовательности

4 He + n + p + n + p +.

тогда как между 16 О и 36 Аr аналогичная последовательность приобретает вид

16 O + n + n + p + p + n + n +.

Составное ядро и модель капли.

Размеры и форма ядра.

Впервые размеры ядра правильно оценил Резерфорд, использовав для этой цели рассеяние альфа-частиц. Его первые эксперименты показали, что размеры заряженной части ядра – порядка 10 –14 м. Более поздние и более точные эксперименты позволили установить, что радиус ядра приблизительно пропорционален А 1/3 и, следовательно, плотность ядерного вещества почти постоянна. (Она колоссальна: 100 000 т/мм 3 .)

С открытием нейтрона стало ясно, что он представляет собой идеальное средство исследования ядра, поскольку нейтральные частицы, проходя на значительном удалении от ядра, не испытывают отклонения под действием заряда ядра. Другими словами, нейтрон сталкивается с ядром, если расстояние между их центрами оказывается меньше суммы их радиусов, а в противном случае не отклоняется. Опыты по рассеянию пучка нейтронов показали, что радиус ядра (в предположении сферической формы) равен:

R = r0A 1/3 ,

Ядерные силы и мезоны.

Хотя существование пи-мезонов и ободрило сторонников теории Юкавы, на ее основе оказалось весьма трудно правильно предсказать такие детальные свойства ядерных сил, как их насыщение, энергии связи и энергии ядерных уровней. Трудности математического характера не позволили точно установить, что именно предсказывает эта теория. Ситуация еще более усложнилась после открытия новых типов мезонов, которые, как считается, имеют отношение к ядерным силам. См. также МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР; УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; РАДИОАКТИВНОСТЬ.

Айзенбуд Л., Вигнер Е. Структура ядра. М., 1959
Престон М. Физика ядра. М., 1964
Кук Ш. Структура атомных ядер. М., 1967
Лейн А. Теория ядра. М., 1967
Федянин В. К. Электромагнитная структура ядер и нуклонов. М., 1967
Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М., 1980
Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М., 1985

Физика атома и атомного ядра весьма сложна ввиду базирования на законах квантовой механики, основы которой начали формироваться только в первой половине 20-го века. Поэтому мы ограничимся кратким описанием современных представлений о строении атома и атомного ядра, а также некоторых установленных к настоящему времени закономерностей.

Известно, что вещество состоит из молекул, представляющих собой комбинации атомов различных химических элементов.

До 19 века считалось, что атом представляет собой наименьшую неделимую частицу вещества. Благодаря исследованию явления протекания электрического тока через растворы щелочей, кислот и солей стало известно, что модуль заряда, переносимого ионом, кратен некоторому минимальному заряду.

Модуль этого минимального заряда с точностью до второго знака равен минимальному заряду 1,6×10-19 Кл. В 1897 году Джозеф Томсон опытным путем установил, что электрон — частица в составе атома, имеющая отрицательный заряд, модуль которого равен минимальному заряду. Томсон предположил, что электроны в атоме располагаются внутри положительно заряженной области, как изюм в булочке.

Размер атома в модели Томсона — это размер положительно заряженной области, который равен примерно 10-10 м. Дальнейшие исследования показали несостоятельность данной модели, однако проведение этих исследований стало возможным только после открытия явления радиоактивности.

Резерфорд предложил исследовать ядро атома, бомбардируя вещество альфа-частицами. Масса такой частицы в несколько тысяч раз больше массы электрона, ее заряд положителен и равен удвоенному элементарному заряду.

Идея опытов Резерфорда состояла в невозможности легкими электронами существенно изменить характер движения налетающей на атом тяжелой альфа-частицы. Поэтому по изменению характера движения альфа-частицы, которая взаимодействовала с атомом, можно сделать выводы о размерах положительно заряженной части атома.

Эксперимент показал, что большинство альфа-частиц, вылетая из контейнера К, проходит сквозь фольгу, практически не изменяя направления движения. Небольшая доля частиц отклонялась на углы порядка 50°, и только одна из примерно 20 000 альфа-частиц отклонялась на угол, близкий к 180°, т.е. возвращалась назад.

В ходе экспериментов был сделан вывод, что размер положительно заряженной области в атоме значительно меньше — 10-15м.

Результаты экспериментов позволили Резерфорду предложить ядерную (планетарную) модель атома. Согласно ей атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. Ядро занимает 10-15 объема всего атома. При этом на ядро приходится 99,9 % массы атома. Плотность вещества в ядре атома колоссальна: ~ 1017 кг/м3.

Предложенную Резерфордом планетарную модель до сих пор используют при объяснении многих явлений и свойств вещества.

Атом состоит из атомного ядра, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома и практически вся его масса. Вокруг положительно заряженного ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Заряд атомного ядра равен с обратным знаком суммарному заряду всех его электронов.

Радиоактивность. Излучения. Распад

Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем. Он установил, что соли урана испускают невидимое глазу излучение, засвечивающее даже завернутую в темную плотную бумагу фотопластинку.

Аналогичные свойства были обнаружены французским физиком Пьером Кюри и его супругой Марией Склодовской-Кюри у выделенных ими из урановой руды двух новых химических элементов — радия и полония. Поэтому явление испускания некоторыми веществами излучения было названо радиоактивностью.

Исследования британского физика Эрнеста Резерфорда и его учеников показали, что излучение радиоактивных веществ имеет сложный состав. Это удалось установить, пропустив излучение радия через магнитное поле. Оказалось, что в магнитном поле излучение радия разделяется на три части. При этом две части отклоняются в разные стороны, а одна не изменяет направление своего распространения. Такие виды излучения назвали альфа-, бета- и гамма-лучами.

Последующие эксперименты показали, что при излучении радия происходят процессы, приводящие к появлению в излучении других компонентов.

Для объяснения поведения разных видов радиоактивного излучения радия в магнитном поле, достаточно вспомнить о действии магнитного поля на проводник, по которому течет электрический ток. При этом направление силы, действующей на проводник, зависит от направления тока, следовательно — от направления упорядоченного движения заряженных частиц.

Поэтому можно предложить, что альфа- и бета-лучи, отклоняющиеся в магнитном поле в разные стороны, представляют собой потоки движущихся частиц с зарядами разного знака. Из направлений отклонения альфа- и бета-лучей следует, что альфа-частицы имеют положительный заряд, а бета-частицы — отрицательный. Поскольку гамма-лучи не отклоняются в магнитном поле, можно сделать выводы, что они состоят из незаряженных частиц.

Позднее было экспериментально установлено, что альфа-частицы — это положительно заряженные ядра гелия, бета-частицы — электроны, а гамма-частицы — фотоны (коротковолновое электромагнитное излучение).

Атомы излучают электромагнитные волны только при определенных условиях. Нильс Бор сделал предложение, что электроны, движущиеся вокруг ядра по определенным — стационарным — орбитам, не излучают энергии. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом может излучать или поглощать энергию в виде электромагнитной волны.

При поглощении атомом электромагнитного излучения (фотона) его электрон переходит с орбиты, характеризуемой меньшей энергией En атома, на орбиту, характеризуемую большей энергией Em. Напротив, при переходе электрона с орбиты, характеризуемой большей энергией Em атома, на орбиту, характеризуемую меньшей энергией En, атом излучает фотон. При этом уносимая или излучаемая энергия излучения (энергия фотона) равна разности Em— En.

Эксперименты показали, что эта энергия прямо пропорциональна частоте υ излучения (фотона). Согласно теории Бора она равна h × υ, где h = 6.63 × 10-34 (Дж × с) — постоянная Планка. Таким образом, Em— En= h × υ.

Атом каждого химического элемента имеет свой уникальный набор стационарных орбит. Поэтому атом данного химического элемента может излучать электромагнитные волны строго определенного набора частот.

Набор частот электромагнитных волн (фотонов), излучаемых атомом данного химического элемента, называют спектром излучения этого элемента.

Спектр излучения уединенного атома (не взаимодействующего с другими) на шкале электромагнитных волн представляет собой определенный набор линий. Поэтому такой спектр называют линейчатым.

Набор частот электромагнитных волн (фотонов), поглощаемых атомом данного химического элемента, называют спектром поглощения этого элемента.

Движение и взаимодействие атомов друг с другом приводит к изменению спектров излучения и поглощения. Наблюдаемые в спектре уединенного атома линии становятся шире. Это связано с движением и взаимодействием с соседями каждого атома по-разному.

Поэтому разность энергий для каждого из атомов данного химического элемента несколько отличается от других. Результатом этого будет наблюдаемое расширение спектральных линий, получаемых от набора атомов данного химического элемента. При больших скоростях движений атомов и молекул, а также сильном взаимодействии их друг с другом, расширенные линии в спектре сливаются. Спектр становится сплошным.

Различие в спектрах излучения и поглощения разных атомов и молекул позволяет не только обнаружить наличие атомов определенного химического элемента, содержащегося в исследуемом объекте, но и изучить особенности их движения и взаимодействия как между собой, так и с окружающими их атомами и молекулами.

Минимальную энергию, которую надо сообщить атомному ядру для разделения его на отдельные нуклоны, называют энергией связи атомного ядра.

Чтобы найти энергию связи атомного ядра, нужно умножить его дефект масс на квадрат скорости света в вакууме:

E с в = Δ M × c 2 = ( Z × m p + N × m n — M я ) × с 2 .

Удельной энергией связи атомного ядра называют отношение энергии связи этого ядра к числу нуклонов в нем: Е у д = E с в / А .

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение атомных ядер, которое сопровождается испусканием различных частиц (электронов, протонов, фотонов и пр.).

То, что энергия образовавшихся ядер меньше, чем энергия исходного ядра, объясняет, почему явление радиоактивности сопровождается выделением энергии. Например, эксперимент показывает, что 1 г радия выделяет за час около 580 Дж энергии.

В процессе радиоактивного распада с течением времени число оставшихся неизменными радиоактивных ядер уменьшается. Поэтому интенсивность излучения тоже должна уменьшаться. Иногда интенсивность регистрируемого излучения может и увеличиваться. Это происходит в случае, если при распаде образуются ядра, так же способные к распаду.

Периодом полураспада данного изотопа называют промежуток времени, по истечении которого распадается половина от начального числа ядер.

Данная величина зависит от свойств вещества.

Закон радиоактивного распада:

Формула показывает, сколько радиоактивных ядер данного изотопа останется к моменту времени t, если в начальный момент времени их число было равно N0.

Вид зависимости N(t)

Стоит отметить, что закон радиоактивного распада справедлив лишь при наличии достаточно большого количества радиоактивных ядер. Это связано с вероятностным характером распада каждого ядра.

Альфа- и бета-распады. Правила смещения

Как уже известно, в радиоактивном излучении присутствуют альфа- и бета-частицы. Альфа-частицы — ядра гелия, имеющие положительный заряд. Ясно, что ядро гелия вылетает из распадающегося радиоактивного ядра. При этом в породившем альфа-частицу ядре число протонов и нейтронов уменьшается на 2. Формула превращения выглядит так:

Где X — радиоактивное ядро, U — новое ядро, получившееся после вылета альфа-частицы из ядра X.

Распадающееся ядро называют материнским, а новое — дочерним.

При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

При альфа-распаде сохраняются общие числа протонов и нейтронов.

Находящиеся в атомном ядре нейтроны могут превращаться в протоны. В результате такого превращения нейтрона получается электрон, протон и еще одна частица — электронное антинейтрино:

Получаемый электрон ничем не отличается от электронов, движущихся в атоме вокруг его ядра. В результате превращения нейтрона в протон атомное ядро покидают электрон и антинейтрино, число протонов Z в атомном ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Общее число нуклонов при этом не изменяется.

Бета-превращение атомного ядра можно записать так:

Получающийся в результате бета-радиоактивности элемент расположен на одну клетку ближе к концу Периодической системы химических элементов таблицы Менделеева, чем исходный. Это правило называется правилом смещения при бета-распаде.

Следует отметить, что при альфа- и бета-распада удельная энергия связи дочерних ядер всегда больше удельной энергии связи распадающегося ядра. Поэтому дочерние ядра оказываются устойчивее по отношению к радиоактивным превращениям.

В результате альфа- или бета-превращения продукты радиоактивного распада движутся ускоренно, что приводит к появлению электромагнитного излучения.

Виды радиоактивного излучения

  • α-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц (ядер гелия). Вследствие положительного заряда α-частицы отклоняются электрическим и магнитным полями;
  • β-излучение — это поток быстрых электронов. Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. Из-за наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическим и магнитным полями в противоположную сторону по сравнению с α-частицами;
  • γ-излучение — это фотоны, т. е. электромагнитное излучение, несущее энергию. Оно не отклоняется электрическим и магнитным полями. Параметры ядра при излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

Примеры применения в технике

В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: технике, медицине, сельском хозяйстве, средствах связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования.

Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом. Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе.

После гибели растений они перестают потреблять углерод, и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Ядерное оружие считается наиболее эффективным в истории человечества по соотношению стоимости и эффективности: годовые затраты на разработку, испытания, изготовление и поддержание в эксплуатации такого оружия составляют от 5 до 10 % военного бюджета России — страны с уже сформированным ядерным производственным комплексом, развитой атомной энергетикой и наличием парка суперкомпьютеров для математического моделирования ядерных взрывов.

1896 г. Французский физик А. Беккерель, изучая явление лю­минесценции солей урана, установил, что урановая соль испу­скает лучи неизвестного типа, которые проходят через бумагу, дерево, тонкие металлические пластины, ионизируют воздух.

1897-98 г. Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, исследуя урановые ру­ды, обнаружила новые химические элементы: полоний, радий. Явление самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии, называется естественной радиоактивностью. Все химические элементы, начиная с порядко­вого номера 83, являются радиоактивными.

Виды радиоактивных излучений

1898 г. подвергая радиоактивное излучение действию магнитного поля, Э. Резерфорд выделил два вида лучей: α-лучи — тяжелые положительно заряженные частицы (ядра атомов гелия) и β-лучи — легкие отрицательно заряженные частицы (тождественны электронам).

В 1900 г. П. Виллард открыл гамма-лучи — нейтральное излучение, где масса покоя равна нулю (аналогично свойствам света, но ). После установления Резерфордом структуры атома стало ясно, что радиоактивность представляет собой ядерный процесс.1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди доказали, что в результате радиоактивного распада происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое испусканием различных частиц и сформулировали правила смещения.

Строение атома

Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше двух тысячелетий тому назад. Сторонники атомистической теории (Демокрит, Левкипп, Анаксагор, Анаксимандр, Эпикур, Лукреций Кар) рассматривали атом как мельчайшую неделимую частицу и считали, что все многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц — атомов. Демокрит: существует предел деления атома. Аристотель: делимость вещества бесконечна. Париж, 1626 г.: учение об атоме запрещено под страхом смерти. Сторонниками атомистической теории были М.В. Ломоносов, Ж. Гей-Люссак, Д. Дальтон и др.

Толчком к подробному изучению строения атома послужили:

- открытие рентгеновского излучения (1895 г., В.К. Рентген);

- открытие радиоактивности и новых радиоактивных элементов (1896 г., А. Беккерель, М. и П. Кюри);

- открытие электрона (1896 г., Дж. Дж. Томсон).

Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил X. Лоренц: электроны входят в состав атома. Опираясь на эти открытия, Дж. Томсон в 1898 г. предложил модель атома в виде положительно заряженного шара радиусом 10 -10 м. в котором плавают электроны, нейтрализующие положительный заряд.

Ядерная модель атома

Экспериментальная проверка модели Томсона была осуществлена в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом.

Идея опыта заключалась в изучении рассеяния α-частиц (заряд +2е, масса 6,64 . 10 -27 кг) на атомах. α-частицы были выбраны, т.к. их кинетическая энергия много больше кинетической энергии электронов (β-лучи) и, в отличие от γ-лучей они имеют электрический заряд.

Пучок α-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано как очень пластичный материал, из которого можно получить фольгу толщиной практически в один атомный слой. Опыты были повторены и на других материалах

Э. Резерфорд и его помощники Г. Гейгер и Э. Марсден обнаружили, что какая-то частьa-частиц отклоняется на довольно значительный угол от своего первоначального направления, а небольшая часть отражается от фольги. Но согласно модели атома Томсона эти a-частицы при взаимодействии с атомами фольги отклоняются на малые углы, порядка 2°.

Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами. Обобщая результаты своих опытов, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:

  1. Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома (~10 -15 м).
  2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.
  3. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома и компенсирует положительный заряд ядра.

Расчеты показали, что a-частицы, которые взаимодействуют с электронами в веществе, почти не отклоняются.

Только некоторые a-частицы проходят вблизи ядра и испытывают резкие отклонения. Если между зарядами действует кулоновская сила или потенциальная энергия системыa-частица - ядро и , то α-частица будет отброшена назад.

При расчете учитывают, что , где e - заряд электрона; , где Z - зарядовое число, равное количеству электронов в атоме; диаметр ядра 10 -15 - 10 -14 м, атома 10 -10 м.

Однако предложенная модель строения атома не позволила объяснить устойчивость атома:

- ускоренное движение электрона согласно теории Максвелла сопровождается электромагнитным излучением, поэтому энергия электрона уменьшается, и он движется по спирали, приближаясь к ядру. Казалось бы, электрон должен упасть на ядро (расчет показывает, что это должно произойти за 10 -8 с), так как при движении по спирали уменьшается энергия электрона, в действительности атомы являются устойчивыми системами;

- спектр излучения при этом должен быть непрерывным (должны присутствовать все длины волн). На опыте спектр получается линейчатым;

- нет ответа на вопрос о строении ядра. Если в него входят только положительные частицы, то почему они не отталкиваются?

Читайте также: