§1 Carga e massa, núcleos atômicos
As características mais importantes de um núcleo são sua carga e massa. M.
Z- a carga do núcleo é determinada pelo número de cargas elementares positivas concentradas no núcleo. Um portador de uma carga elementar positiva R= 1,6021 10 -19 C no núcleo é um próton. O átomo como um todo é neutro e a carga do núcleo simultaneamente determina o número de elétrons no átomo. A distribuição de elétrons em um átomo sobre camadas e subcamadas de energia depende essencialmente de seu número total no átomo. Portanto, a carga do núcleo determina em grande parte a distribuição dos elétrons sobre seus estados no átomo e a posição do elemento no sistema periódico de Mendeleev. A carga nuclear éqEU = z· e, Onde z- o número de carga do núcleo, igual ao número ordinal do elemento no sistema de Mendeleev.
A massa do núcleo atômico praticamente coincide com a massa do átomo, porque a massa dos elétrons de todos os átomos, exceto do hidrogênio, é de aproximadamente 2,5 10 -4 massas de átomos. A massa dos átomos é expressa em unidades de massa atômica (u.m.a.). Para a.u.m. aceito 1/12 massa de átomo de carbono.
1 amu \u003d 1,6605655 (86) 10 -27 kg.
mEU = m a -Z Eu.
Isótopos são variedades de átomos de um determinado elemento químico que têm a mesma carga, mas diferem em massa.
O inteiro mais próximo da massa atômica, expresso em a.u. m . chamado o número de massa m e indicado pela letra MAS. Designação de um elemento químico: MAS- número de massa, X - símbolo de um elemento químico,Z-número de carregamento - número de série na tabela periódica ():
Berílio; Isótopos: , ", .
Raio do Núcleo:
onde A é o número de massa.
§2 Composição do núcleo
O núcleo de um átomo de hidrogêniochamado próton
mpróton= 1,00783 amu , 
.
Diagrama de átomo de hidrogênio
Em 1932, foi descoberta uma partícula chamada nêutron, que tem massa próxima à do próton (mnêutron= 1,00867 a.m.u.) e não possui carga elétrica. Então D. D. Ivanenko formulou uma hipótese sobre a estrutura próton-nêutron do núcleo: o núcleo consiste em prótons e nêutrons e sua soma é igual ao número de massa MAS. 3 números ordinaisZdetermina o número de prótons no núcleo, o número de nêutronsN \u003d A - Z.
Partículas elementares - prótons e nêutrons entrando no núcleo, são conhecidos coletivamente como núcleons. Núcleos de núcleos estão em estados, significativamente diferentes de seus estados livres. Entre os núcleons existe um especial eu de r nova interação. Eles dizem que um núcleon pode estar em dois "estados de carga" - um estado de próton com uma carga+ e, e nêutron com carga 0.
§3 Energia de ligação do núcleo. defeito de massa. forças nucleares
Partículas nucleares - prótons e nêutrons - são mantidas firmemente dentro do núcleo, portanto, forças atrativas muito grandes atuam entre elas, capazes de resistir às enormes forças repulsivas entre prótons de mesma carga. Essas forças especiais que surgem em pequenas distâncias entre os núcleons são chamadas de forças nucleares. As forças nucleares não são eletrostáticas (Coulomb).
O estudo do núcleo mostrou que as forças nucleares que atuam entre os núcleons têm as seguintes características:
a) são forças de curto alcance - manifestadas em distâncias da ordem de 10 -15 m e diminuindo acentuadamente mesmo com um ligeiro aumento na distância;
b) as forças nucleares não dependem se a partícula (núcleo) tem carga - independência de carga das forças nucleares. As forças nucleares que atuam entre um nêutron e um próton, entre dois nêutrons, entre dois prótons são iguais. Próton e nêutron em relação às forças nucleares são os mesmos.
A energia de ligação é uma medida da estabilidade de um núcleo atômico. A energia de ligação do núcleo é igual ao trabalho que deve ser feito para dividir o núcleo em seus núcleos constituintes sem transmitir energia cinética a eles
eu< Σ( m p + m n)
Eu - a massa do núcleo
A medição das massas dos núcleos mostra que a massa restante do núcleo é menor que a soma das massas restantes de seus núcleos constituintes.
Valor
serve como uma medida da energia de ligação e é chamada de defeito de massa.
A equação de Einstein na relatividade especial relaciona a energia e a massa de repouso de uma partícula.
No caso geral, a energia de ligação do núcleo pode ser calculada pela fórmula
Onde Z - número de carga (número de prótons no núcleo);
MAS- número de massa (número total de nucleons no núcleo);
m p, , m n e eu- massa do próton, nêutron e núcleo
Defeito de massa (Δ m) são iguais a 1 u.a. m. (a.m.u. - unidade de massa atômica) corresponde à energia de ligação (E St) igual a 1 a.u.e. (a.u.e. - unidade atômica de energia) e igual a 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.
Mudanças nos núcleos durante sua interação com partículas individuais e entre si são geralmente chamadas de reações nucleares.
Existem as seguintes, as reações nucleares mais comuns.
- Reação de transformação . Nesse caso, a partícula incidente permanece no núcleo, mas o núcleo intermediário emite alguma outra partícula, de modo que o núcleo produto difere do núcleo alvo.
- Reação de captura radiativa . A partícula incidente fica presa no núcleo, mas o núcleo excitado emite excesso de energia, emitindo um fóton γ (usado na operação de reatores nucleares)
Um exemplo de uma reação de captura de nêutrons por cádmio
ou fósforo
- Espalhamento. O núcleo intermediário emite uma partícula idêntica à
com o voado, podendo ser:
dispersão elástica nêutrons com carbono (usado em reatores para moderar nêutrons):
Dispersão inelástica :
- reação de fissão. Esta é uma reação que sempre ocorre com a liberação de energia. É a base para a produção técnica e uso da energia nuclear. Durante a reação de fissão, a excitação do núcleo composto intermediário é tão grande que ele se divide em dois fragmentos aproximadamente iguais, com a liberação de vários nêutrons.
Se a energia de excitação for baixa, a separação do núcleo não ocorre e o núcleo, tendo perdido o excesso de energia ao emitir um γ - fóton ou nêutron, retornará ao seu estado normal (Fig. 1). Mas se a energia introduzida pelo nêutron for grande, então o núcleo excitado começa a se deformar, uma constrição se forma nele e, como resultado, é dividido em dois fragmentos que se separam a velocidades tremendas, enquanto dois nêutrons são emitidos
(Figura 2).
Reação em cadeia- reação de fissão autodesenvolvida. Para implementá-lo, é necessário que dos nêutrons secundários produzidos durante um evento de fissão, pelo menos um possa causar o próximo evento de fissão: (já que alguns nêutrons podem participar de reações de captura sem causar fissão). Quantitativamente, a condição para a existência de uma reação em cadeia expressa fator de multiplicação
k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - reações em cadeia com um número constante de nêutrons (em um reator nuclear),k > 1 (m > m kr ) são bombas nucleares.
§1 Radioatividade natural
A radioatividade é a transformação espontânea de núcleos instáveis de um elemento em núcleos de outro elemento. radioatividade natural chamado de radioatividade observada nos isótopos instáveis que existem na natureza. A radioatividade artificial é chamada de radioatividade de isótopos obtidos como resultado de reações nucleares.
Tipos de radioatividade:
- α-decaimento.
Emissão pelos núcleos de alguns elementos químicos do sistema α de dois prótons e dois nêutrons conectados entre si (partícula a - o núcleo de um átomo de hélio)
O decaimento α é inerente a núcleos pesados com MAS> 200 eZ > 82. Ao se mover em uma substância, as partículas α produzem forte ionização dos átomos em seu caminho (ionização é o desprendimento de elétrons de um átomo), agindo sobre eles com seu campo elétrico. A distância pela qual uma partícula α voa na matéria até parar completamente é chamada gama de partículas ou poder de penetração(denotadoR, [R] = m, cm). . Em condições normais, uma partícula α se forma dentro ar 30.000 pares de íons por caminho de 1 cm. A ionização específica é o número de pares de íons formados por 1 cm do comprimento do caminho. A partícula α tem um forte efeito biológico.
Regra de mudança para decaimento alfa:
2. Decaimento β.
a) eletrônico (β -): o núcleo emite um elétron e um elétron antineutrino
b) pósitron (β+): o núcleo emite um pósitron e um neutrino
Esses processos ocorrem convertendo um tipo de núcleo em um núcleo em outro: um nêutron em um próton ou um próton em um nêutron.
Não há elétrons no núcleo, eles são formados como resultado da transformação mútua de núcleons.
pósitron - uma partícula que difere de um elétron apenas no sinal de carga (+e = 1,6 10 -19 C)
Segue-se do experimento que durante o decaimento β, os isótopos perdem a mesma quantidade de energia. Portanto, com base na lei de conservação de energia, W. Pauli previu que outra partícula de luz, chamada antineutrino, é ejetada. Um antineutrino não tem carga nem massa. As perdas de energia pelas partículas β durante sua passagem pela matéria são causadas principalmente por processos de ionização. Parte da energia é perdida para os raios X durante a desaceleração das partículas β pelos núcleos da substância absorvente. Como as partículas β têm uma massa pequena, uma carga unitária e velocidades muito altas, sua capacidade de ionização é pequena (100 vezes menor que a das partículas α), portanto, o poder de penetração (quilometragem) das partículas β é significativamente maior do que partículas α.
Rβ ar = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm
O decaimento β - - ocorre em núcleos radioativos naturais e artificiais. β + - apenas com radioatividade artificial.
Regra de deslocamento para β - - decaimento:
c) K - captura (captura eletrônica) - o núcleo absorve um dos elétrons localizados na camada K (com menos frequênciaeuou M) de seu átomo, pelo que um dos prótons se transforma em nêutron, ao emitir um neutrino
Esquema K - captura:
O espaço no invólucro de elétrons desocupado pelo elétron capturado é preenchido com elétrons das camadas sobrepostas, resultando em raios-X.
- raios γ.
Normalmente, todos os tipos de radioatividade são acompanhados pela emissão de raios γ. Os raios γ são radiação eletromagnética com comprimentos de onda de um a centésimos de angstrom λ'=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. A energia dos raios γ atinge milhões de eV.
W γ ~ MeV
1eV=1,6 10 -19 J
Um núcleo em decaimento radioativo, via de regra, acaba sendo excitado, e sua transição para o estado fundamental é acompanhada pela emissão de um fóton γ. Neste caso, a energia do fóton γ é determinada pela condição
onde E 2 e E 1 é a energia do núcleo.
E 2 - energia no estado excitado;
E 1 - energia no estado fundamental.
A absorção dos raios γ pela matéria se deve a três processos principais:
- efeito fotoelétrico (com hv < l MэB);
- a formação de pares elétron-pósitron;
ou
- dispersão (efeito Compton) -
A absorção de raios γ ocorre de acordo com a lei de Bouguer:
onde μ é um coeficiente de atenuação linear, dependendo das energias dos raios γ e das propriedades do meio;
І 0 é a intensidade do feixe paralelo incidente;
EUé a intensidade do feixe depois de passar por uma substância de espessura x cm.
Os raios γ são uma das radiações mais penetrantes. Para os raios mais duros (hvmax) a espessura da camada de meia absorção é de 1,6 cm no chumbo, 2,4 cm no ferro, 12 cm no alumínio e 15 cm na terra.
§2 Lei básica do decaimento radioativo.
Número de núcleos decaídosdN proporcional ao número original de núcleos N e tempo de decadênciadt, dN~ N dt. A lei básica do decaimento radioativo na forma diferencial:
O coeficiente λ é chamado de constante de decaimento para um dado tipo de núcleo. O sinal "-" significa quedNdeve ser negativo, pois o número final de núcleos não decaídos é menor que o inicial.
portanto, λ caracteriza a fração de núcleos decaindo por unidade de tempo, ou seja, determina a taxa de decaimento radioativo. λ não depende de condições externas, mas é determinado apenas pelas propriedades internas dos núcleos. [λ]=s -1 .
A lei básica do decaimento radioativo na forma integral
Onde N 0 - o número inicial de núcleos radioativos emt=0;
N- o número de núcleos não decaídos de cada vezt;
λ é a constante de decaimento radioativo.
A taxa de decaimento na prática é julgada usando não λ, mas T 1/2 - a meia-vida - o tempo durante o qual metade do número original de núcleos decai. Relação T 1/2 e λ
T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 anos, T 1/2 Ra = 1590 anos, T 1/2 Rn = 3,825 dias O número de decaimentos por unidade de tempo A \u003d -dN/ dté chamado de atividade de uma determinada substância radioativa.
A partir de
segue,
[A] \u003d 1 Becquerel \u003d 1 desintegração / 1 s;
[A] \u003d 1Ci \u003d 1Curie \u003d 3,7 10 10 Bq.
Lei da mudança de atividade
onde A 0 = λ N 0 - atividade inicial no tempot= 0;
A - atividade por vezt.
O núcleo do átomo mais simples - o átomo de hidrogênio - consiste em uma partícula elementar chamada próton. Os núcleos de todos os outros átomos consistem em dois tipos de partículas, prótons e nêutrons. Essas partículas são chamadas de núcleons. Próton. O próton tem uma carga e uma massa
Para comparação, indicamos que a massa de um elétron é igual a
Da comparação de (66.1) e (66.2) segue-se que o -próton tem um spin igual à metade e seu próprio momento magnético
Uma unidade de momento magnético chamada magneton nuclear. Da comparação com (33.2) segue-se que 1836 vezes menos que o magneton de Bohr. Conseqüentemente, o momento magnético intrínseco do próton é aproximadamente 660 vezes menor que o momento magnético do elétron.
Nêutron. O nêutron foi descoberto em 1932 pelo físico inglês D. Chadwick. Sua carga elétrica é zero e sua massa
muito próximo da massa do próton.
A diferença entre as massas do nêutron e do próton é de 1,3 MeV, ou seja, .
O nêutron tem um spin igual à metade e (apesar da ausência de carga elétrica) seu próprio momento magnético
(o sinal de menos indica que as direções dos momentos mecânicos e magnéticos intrínsecos são opostas). Uma explicação desse fato surpreendente será dada no § 69.
Observe que a proporção de valores experimentais com alto grau de precisão é -3/2. Isso só foi percebido depois que tal valor foi obtido teoricamente.
No estado livre, o nêutron é instável (radioativo) - decai espontaneamente, transformando-se em próton e emitindo um elétron e outra partícula chamada antineutrino (ver § 81). A meia-vida (ou seja, o tempo que leva para metade do número original de nêutrons decair) é de aproximadamente 12 minutos. O esquema de decaimento pode ser escrito da seguinte forma:
A massa do antineutrino é zero. A massa de um nêutron é maior que a massa de um próton em Portanto, a massa do nêutron excede a massa total das partículas que aparecem no lado direito da equação (66,7), ou seja, em 0,77 MeV. Essa energia é liberada durante o decaimento de um nêutron na forma de energia cinética das partículas resultantes.
Características do núcleo atômico. Uma das características mais importantes do núcleo atômico é o número de carga Z. É igual ao número de prótons que compõem o núcleo e determina sua carga, que é igual a O número Z determina o número ordinal do elemento químico na tabela periódica de Mendeleev. Portanto, também é chamado de número atômico do núcleo.
O número de núcleons (isto é, o número total de prótons e nêutrons) em um núcleo é indicado pela letra A e é chamado de número de massa do núcleo. O número de nêutrons no núcleo é
O símbolo usado para designar os núcleos
onde X é o símbolo químico do elemento. O número de massa é colocado no canto superior esquerdo, o número atômico no canto inferior esquerdo (o último ícone é frequentemente omitido).
Às vezes, o número de massa é escrito não à esquerda, mas à direita do símbolo do elemento químico
Núcleos com o mesmo Z, mas diferentes A são chamados de isótopos. A maioria dos elementos químicos tem vários isótopos estáveis. Assim, por exemplo, o oxigênio tem três isótopos estáveis: o estanho tem dez e assim por diante.
O hidrogênio tem três isótopos:
O prótio e o deutério são estáveis, o trítio é radioativo.
Núcleos com o mesmo número de massa A são chamados isóbaros. Núcleos com o mesmo número de nêutrons são chamados de isótonos, por exemplo.Finalmente, existem núcleos radioativos com o mesmo Z e A, que diferem em sua meia-vida. Eles são chamados de isômeros. Por exemplo, existem dois isômeros do núcleo, um deles tem meia-vida de 18 minutos, o outro tem meia-vida de 4,4 horas.
Cerca de 1500 núcleos são conhecidos, diferindo em Z, A ou ambos. Aproximadamente 1/5 desses núcleos são estáveis, o restante é radioativo. Muitos núcleos foram obtidos artificialmente usando reações nucleares.
Na natureza, existem elementos com número atômico Z de 1 a 92, excluindo o tecnécio e o promécio.O plutônio, depois de obtido artificialmente, foi encontrado em quantidades insignificantes em um mineral natural - uma mistura de resina. O restante dos elementos transurânicos (isto é, transurânicos) (com Z de 93 a 107) foram obtidos artificialmente por meio de várias reações nucleares.
Os elementos transurânicos cúrio, einstênio, férmio) e mendelévio) foram nomeados em homenagem aos destacados cientistas P. e M. Curie, A. Einstein, E. Fermi e D. I. Mendeleev. Lawrencium é nomeado após o inventor do ciclotron E. Lawrence. Kurchatovy) recebeu esse nome em homenagem ao notável físico soviético I. V. Kurchatov.
Alguns elementos transurânicos, incluindo kurchatovium e elementos com os números 106 e 107, foram obtidos no Laboratório de Reações Nucleares do Joint Institute for Nuclear Research em Dubna pelo cientista soviético G. N. Flerov e seus colaboradores.
Tamanhos do kernel. Na primeira aproximação, o núcleo pode ser considerado uma esfera, cujo raio é determinado com bastante precisão pela fórmula
(Fermi é o nome da unidade de comprimento usada na física nuclear, igual a cm). Da fórmula (66.8) segue-se que o volume do núcleo é proporcional ao número de núcleons no núcleo. Assim, a densidade da matéria em todos os núcleos é aproximadamente a mesma.
Rotação do núcleo. Os spins dos núcleons se somam ao spin resultante do núcleo. O spin do núcleon é Portanto, o número quântico do spin do núcleo l será meio inteiro para um número ímpar de núcleons A e um número inteiro ou zero para um número par A. Os spins dos núcleos l não excedem várias unidades. Isso indica que os spins da maioria dos núcleons no núcleo se anulam, sendo antiparalelos. Todos os núcleos pares (isto é, núcleos com um número par de prótons e um número par de nêutrons) têm spin zero.
Cada átomo é formado por núcleos e invólucro atômico, que incluem várias partículas elementares - nucleons e elétrons(Fig. 5.1). O núcleo é a parte central do átomo, contendo quase toda a massa do átomo e tendo uma carga positiva. O núcleo é formado por prótons e nêutrons, que são estados duplamente carregados de uma partícula elementar - o núcleon. Carga de prótons +1; nêutron 0.
Carga principalátomo é Z . ē , Onde Z– número de série dos elementos (número atômico) no sistema periódico de Mendeleev, igual ao número de prótons no núcleo; ē é a carga de um elétron.
O número de nucleons em um núcleo é chamado o número de massa do elemento(UMA):
UMA = Z + N,
Onde Zé o número de prótons; Né o número de nêutrons no núcleo atômico.
Para prótons e nêutrons, o número de massa é igual a 1, para elétrons é igual a 0.
Arroz. 5.1. A estrutura do átomo
As seguintes designações são geralmente aceitas para qualquer elemento químico x: , aqui UMA- Número de massa, Zé o número atômico do elemento.
Núcleos atômicos do mesmo elemento podem conter um número diferente de nêutrons. N. Esses tipos de núcleos atômicos são chamados isótopos este elemento. Assim, os isótopos têm: o mesmo número atômico, mas diferentes números de massa UMA. A maioria dos elementos químicos é uma mistura de diferentes isótopos, por exemplo, isótopos de urânio:
.
Núcleos atômicos de diferentes elementos químicos podem ter o mesmo número de massa MAS(com número diferente de prótons Z). Esses tipos de núcleos atômicos são chamados isóbaras. Por exemplo:
– – – ; –
Massa atômica
Para caracterizar a massa de átomos e moléculas, o conceito é usado massa atômica Mé um valor relativo, que é determinado pela razão
à massa do átomo de carbono e é igual a m a = 12.000.000. Para
A definição absoluta de massa atômica foi introduzida unidade atômica
massas(a.m.u.), que é definido em relação à massa de um átomo de carbono na seguinte forma:
.
Então a massa atômica de um elemento pode ser definida como:
Onde Mé a massa atômica dos isótopos do elemento em consideração. Essa expressão facilita a determinação da massa dos núcleos dos elementos, partículas elementares, partículas - produtos de transformações radioativas, etc.
Defeito de massa nuclear e energia de ligação nuclear
Energia de ligação do núcleo- uma quantidade física numericamente igual ao trabalho que deve ser feito para remover um nucleon do núcleo sem transmitir energia cinética a ele.
Os núcleons estão ligados ao núcleo por forças nucleares, que são muito maiores do que as forças de repulsão eletrostática que atuam entre os prótons. Para dividir o núcleo, é necessário vencer essas forças, ou seja, gastar energia. A união de nucleons para formar um núcleo, ao contrário, é acompanhada pela liberação de energia, que é chamada energia de ligação nuclearΔ C Rua:
,
onde está o chamado defeito de massa nuclear; Com ≈ 3 . 10 8 m/s é a velocidade da luz no vácuo.
Energia de ligação do núcleo- uma quantidade física igual ao trabalho que precisa ser feito para dividir o núcleo em núcleos individuais sem transmitir energia cinética a eles.
Quando um núcleo é formado, sua massa diminui, ou seja, a massa do núcleo é menor que a soma das massas de seus núcleos constituintes, essa diferença é chamada defeito de massaΔ m:
Onde m pé a massa do próton; m né a massa do nêutron; m núcleo é a massa do núcleo.
Na transição da massa do núcleo m núcleo em massas atômicas de um elemento m a, esta expressão pode ser escrita da seguinte forma:
Onde m H é a massa de hidrogênio; m né a massa do nêutron e m a é a massa atômica do elemento, determinada por unidade de massa atômica(a.u.m.).
O critério para a estabilidade do núcleo é a estrita correspondência entre o número de prótons e nêutrons nele. Para a estabilidade dos núcleos, vale a seguinte relação:
,
Onde Zé o número de prótons; UMAé o número de massa do elemento.
Dos aproximadamente 1.700 tipos de núcleos conhecidos até agora, apenas cerca de 270 são estáveis. Além disso, núcleos pares (isto é, com um número par de prótons e nêutrons), que são especialmente estáveis, predominam na natureza.
radioatividade
radioatividade- transformação de isótopos instáveis de um elemento químico em isótopos de outro elemento químico com a liberação de algumas partículas elementares. Distinga: radioatividade natural e artificial.
Os principais tipos incluem:
– radiação α (decaimento);
– radiação β (decaimento);
- fissão nuclear espontânea.
O núcleo de um elemento em decomposição é chamado materno, e o núcleo do elemento resultante é filho. O decaimento espontâneo dos núcleos atômicos obedece à seguinte lei do decaimento radioativo:
Onde N 0 é o número de núcleos em um elemento químico no momento inicial do tempo; Né o número de núcleos por vez t; - a chamada "constante" de decaimento, que é a fração de núcleos que decaiu por unidade de tempo.
O recíproco do decaimento "constante" caracteriza o tempo de vida médio do isótopo. Uma característica da estabilidade dos núcleos em relação ao decaimento é meia-vida, ou seja, o tempo durante o qual o número inicial de núcleos é reduzido à metade:
Relação entre e:
Durante o decaimento radioativo, lei de conservação de carga:
,
onde está a carga dos "fragmentos" deteriorados ou resultantes (formados); e regra de conservação de massa:
onde é o número de massa de “fragmentos” formados (decompostos).
5.4.1. decaimento α e β
α-decaimentoé a radiação dos núcleos de hélio. Característica de núcleos "pesados" com grandes números de massa UMA> 200 e carga z > 82.
A regra de deslocamento para α-decaimento tem a seguinte forma (um novo elemento é formado):
.
; 
.
Observe que o decaimento α (radiação) tem a maior capacidade de ionização, mas a menor permeabilidade.
Existem os seguintes tipos β-decaimento:
– β-decaimento eletrônico (β – decaimento);
– decaimento β do pósitron (β + -decaimento);
– captura eletrônica (k-capture).
β - - decaimento ocorre com excesso de nêutrons com liberação de elétrons e antineutrinos:
.
β + -decaimento ocorre com excesso de prótons com liberação de pósitrons e neutrinos:
Para captura eletrônica ( k-capturar) caracterizada pela seguinte transformação:
.
A regra de deslocamento para o decaimento β tem a seguinte forma (um novo elemento é formado):
por β - -decaimento: 
;
por β + -decaimento: .
O decaimento β (radiação) tem a menor capacidade ionizante, mas a maior permeabilidade.
As radiações α e β são acompanhadas radiação y, que é a radiação dos fótons e não é um tipo independente de radiação radioativa.
Os fótons γ são liberados com uma diminuição na energia dos átomos excitados e não causam uma mudança no número de massa UMA e mudança de carga Z. A radiação γ tem o maior poder de penetração.
Atividade de radionuclídeos
Atividade de radionuclídeosé uma medida de radioatividade que caracteriza o número de decaimentos nucleares por unidade de tempo. Para uma certa quantidade de radionuclídeos em um determinado estado de energia em um determinado momento, a atividade MASé dado na forma:
onde é o número esperado de transformações nucleares espontâneas (o número de decaimentos nucleares) ocorrendo na fonte de radiação ionizante durante o intervalo de tempo .
A transformação nuclear espontânea é chamada decaimento radioativo.
A unidade de medida da atividade dos radionuclídeos é o segundo recíproco (), que tem um nome especial bequerel (Bq).
Becquerel é igual à atividade do radionuclídeo na fonte, em que por 1 seg. ocorre uma transformação nuclear espontânea.
Unidade de atividade fora do sistema - Curie (Ku).
Curie - a atividade do radionuclídeo na fonte, na qual por um tempo de 1 seg. acontecendo 3.7 . 10 10 transformações nucleares espontâneas, ou seja, 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.
Por exemplo, aproximadamente 1 g de rádio puro dá uma atividade de 3,7 . 10 10 desintegrações nucleares por segundo.
Nem todos os núcleos de um radionuclídeo decaem simultaneamente. Em cada unidade de tempo, a transformação nuclear espontânea ocorre com uma determinada fração de núcleos. A parcela de transformações nucleares para diferentes radionuclídeos é diferente. Por exemplo, do número total de núcleos de rádio, 1,38 decai a cada segundo . parte, e do número total de núcleos de radônio - 2,1 . papel. A fração de núcleos que decaem por unidade de tempo é chamada de constante de decaimento λ .
Das definições acima, segue-se que a atividade MAS relacionado ao número de átomos radioativos N na fonte em um determinado momento pela razão:
Com o tempo, o número de átomos radioativos diminui de acordo com a lei:
, (3) – 30 anos, radônio de superfície ou linear atividade.
A escolha de unidades de atividade específica é determinada por uma tarefa específica. Por exemplo, a atividade no ar é expressa em becquerel por metro cúbico (Bq / m 3) - atividade volumétrica. A atividade em água, leite e outros líquidos também é expressa como atividade volumétrica, pois a quantidade de água e leite é medida em litros (Bq/L). A atividade no pão, batata, carne e outros produtos é expressa como atividade específica (Bq/kg).
Obviamente, o efeito biológico da exposição aos radionuclídeos no corpo humano dependerá de sua atividade, ou seja, da quantidade de radionuclídeo. Portanto, o volume e a atividade específica de radionuclídeos no ar, água, alimentos, construção e outros materiais são padronizados.
Como uma pessoa pode ser irradiada por um certo tempo de várias maneiras (desde a entrada de radionuclídeos no corpo até a exposição externa), todos os fatores de exposição estão associados a um determinado valor, que é chamado de dose de radiação.
Um próton é um átomo de hidrogênio do qual um único elétron foi removido. Essa partícula já havia sido observada nos experimentos de J. Thomson (1907), que conseguiu medir sua razão e/m. Em 1919, E. Rutherford descobriu os núcleos do átomo de hidrogênio nos produtos de fissão dos núcleos de átomos de muitos elementos. Rutherford chamou essa partícula de próton. Ele sugeriu que os prótons fazem parte de todos os núcleos atômicos.
O esquema dos experimentos de Rutherford é apresentado.
Uma descrição da instalação com a qual foi possível registrar um nêutron pode ser visualizada.
Ao contrário dos elétrons, prótons e nêutrons estão sujeitos a forças nucleares específicas. As forças nucleares são um caso especial das interações mais fortes da natureza. Devido às forças nucleares, prótons e nêutrons podem se combinar, formando vários núcleos atômicos.
As propriedades do próton e do nêutron em relação às interações fortes são exatamente as mesmas, o que, aparentemente, explica a proximidade de suas massas. Portanto, na física nuclear, o termo núcleon é frequentemente usado, denotando qualquer partícula que faça parte do núcleo, tanto o próton quanto o nêutron. Podemos dizer que o próton e o nêutron são dois estados da mesma partícula - o núcleon.
O átomo é eletricamente neutro. Portanto, o número de prótons no núcleo de um átomo deve ser igual ao número de elétrons na camada atômica, ou seja, número atômico Z. O número total de núcleons (ou seja, prótons e nêutrons) em um núcleo é denotado por UMA e é chamado de número de massa. Números Z e UMA caracterizam completamente a composição do núcleo. Por definição:
| A=Z+N. |
Para denotar diferentes núcleos, a notação da forma Z é geralmente usada x A, onde x- símbolo químico correspondente ao elemento com o dado Z. Por exemplo, a expressão 4 Be 9 denota o núcleo do átomo de berílio com Z = 4, UMA= 9, com 4 prótons e 5 nêutrons. O subscrito à esquerda não é necessário porque o número atômico Z identificado exclusivamente pelo nome do elemento. Portanto, o tipo de abreviação Be 9 é frequentemente usado ( lê "berílio nove").
núcleos com o mesmo Z e diferente UMA são chamados de isótopos. Por exemplo, urânio Z= 92) existem os isótopos 92 U 236 , 92 U 238 . Às vezes, os termos isobar são usados (para núcleos com o mesmo UMA e diferente Z) e isótonos (para núcleos com o mesmo N e diferente Z). O termo nuclídeo é usado para designar os átomos de um determinado isótopo.
O elemento mais pesado encontrado na natureza é o isótopo de urânio 92 U 238 . Elementos com números atômicos maiores que 92 são chamados de transurânicos. Todos eles são obtidos artificialmente como resultado de várias reações nucleares.
Em termos de suas propriedades puramente nucleares, vários isótopos, via de regra, têm pouco em comum. Mas na esmagadora maioria dos casos, os átomos de diferentes isótopos têm as mesmas propriedades químicas e físicas quase idênticas, uma vez que o núcleo afeta a estrutura da camada eletrônica de um átomo praticamente apenas por sua carga elétrica. Portanto, o isolamento de qualquer isótopo, por exemplo, U 235 de sua própria mistura com 92 U 238, é um problema tecnológico complexo, que utiliza pequenas diferenças nas taxas de evaporação, difusão e alguns outros processos que surgem devido à diferença em massas de isótopos.
número atômico Zé igual à carga elétrica do núcleo em unidades do valor absoluto da carga do elétron. A carga elétrica é um valor inteiro, estritamente conservado para quaisquer interações (incluindo não eletromagnéticas). A totalidade dos dados experimentais disponíveis sobre as transformações mútuas de núcleos atômicos e partículas elementares mostra que, além da lei de conservação da carga elétrica, existe uma lei estrita semelhante de conservação da carga dos bárions. Ou seja, cada partícula pode receber um certo valor da carga do bárion, e a soma algébrica das cargas do bárion de todas as partículas permanece inalterada sob qualquer processo.
As cargas de bárions de todas as partículas são inteiras. A carga bariônica de um elétron e um γ-quântico é igual a zero, e as cargas bariônicas de um próton e um nêutron são iguais a um. Então o número de massa MASé a carga bariônica do núcleo. A lei de conservação de carga dos bárions garante a estabilidade dos núcleos atômicos. Por exemplo, esta lei proíbe a transformação energeticamente vantajosa de dois nêutrons do núcleo em um par das partículas mais leves de γ-quanta, o que é permitido por todas as outras leis de conservação.
Núcleos atômicos podem existir apenas em uma faixa limitada de valores das quantidades UMA, Z. Fora desta região, se o núcleo correspondente surgir, então ele instantaneamente (ou seja, durante o tempo nuclear característico τ ≤ 10 −21 s) decai em núcleos menores ou emite um próton ou nêutron. Dentro da região de possível existência, nem todos os núcleos são estáveis.
 Figura 2.1. Diagrama próton-nêutron de núcleos atômicos. |
Os núcleos conhecidos até o momento são plotados no diagrama de fluxo de nêutrons (Figura 2.1). Nele, linhas contínuas e suaves indicam o limite teórico da região de possível existência de núcleos. A determinação experimental desta fronteira é complicada pelo facto de, ao abordá-la (por dentro), os tempos de vida dos núcleos, embora excedam significativamente os característicos (~10 −21 Com), mas muito pequeno para técnicas experimentais modernas. Núcleos estáveis formam uma trilha de estabilidade no diagrama próton-nêutron. Os seguintes fatos empíricos e regularidades em relação a UMA e Z para kernels estáveis:
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COMPOSIÇÃO DO NUCLEAR DO ÁTOMO. ENERGIA DE COMUNICAÇÃO
1. A composição do núcleo atômico. Logo após a descoberta do nêutron (1932), o físico soviético D. D. Ivanenko e um pouco mais tarde o físico alemão W. Heisenberg sugeriram que o núcleo atômico consiste em prótons e nêutrons. Essas partículas são chamadas de núcleons. Número de prótons Z, que fazem parte do núcleo, determina sua carga, que é igual a +ze. Número Zé chamado de número atômico (determina o número ordinal do elemento químico na Tabela Periódica de Mendeleev) ou o número de carga do núcleo.
O número de núcleons A (ou seja, o número total de prótons e nêutrons) no núcleo é chamado de número de massa do núcleo. O número de nêutrons no núcleo é N=A-Z.
O símbolo usado para designar os núcleos
onde X é o símbolo químico do elemento. No topo está o seu número de massa, no fundo está o seu número atômico.
2. Isótopos. Sabe-se desde 1906 que nem todos os átomos do mesmo elemento químico têm a mesma massa. Por exemplo, entre os átomos de cloro, existem átomos com massa próxima a 35 e massa próxima a 37. Entre os átomos de urânio, existem átomos com massa de 234, 235, 238 e 239. Existem diferenças de massa e átomos de outras substâncias .
Todos os isótopos do mesmo elemento têm propriedades químicas muito semelhantes, o que indica a mesma estrutura de suas camadas eletrônicas e, consequentemente, as mesmas cargas nucleares e igual número de prótons nos núcleos. É daí que vem o nome deles - da palavra grega "isos" - o mesmo e "topos" - lugar: o mesmo lugar na Tabela Periódica de Elementos Químicos de D. I. Mendeleev.
A diferença de massa entre os isótopos é causada pelo número diferente de nêutrons neles. Assim, os isótopos são chamados de variedades de um determinado elemento químico, diferindo na massa de seus núcleos.
A lei do decaimento radioativo foi estabelecida por F. Soddy. Empiricamente, E. Rutherford descobriu que a atividade do decaimento radioativo diminui com o tempo. Para cada substância radioativa, há um intervalo de tempo durante o qual a atividade diminui 2 vezes, ou seja, meia-vida T desta substância. Seja o número de átomos radioativos N, tempo t =0. Até t 1 \u003d T, o número de núcleos não decaídos N 1 \u003d N 0 / 2, após t 2 \u003d 2T permanecerá
Depois que o tempo passou t=nT, ou seja mais tarde n meias-vidas T, os átomos radioativos permanecerão:
Porque o n=t/T,
Esta é a lei fundamental radioativo decair.
4. Forças nucleares. Fatos simples atestam a força dos núcleos atômicos: os objetos ao nosso redor existem por muito tempo sem se desintegrar em partículas. Mas como explicar esses fatos? Afinal, os prótons fazem parte dos núcleos atômicos e as forças eletrostáticas repulsivas deveriam tê-los "separado". Isso implica a conclusão de que dentro dos núcleos entre os núcleons existem algumas forças que excedem as forças de repulsão eletrostática. Essas forças são chamadas de forças nucleares. As forças nucleares atuam entre quaisquer núcleons (entre prótons, entre nêutrons e entre prótons e nêutrons). Uma característica das forças nucleares é seu curto alcance: a distâncias de 10 -15 m elas são aproximadamente 100 vezes maiores que as forças de interação eletrostática, mas já a distâncias de 10 -14 m elas se tornam insignificantes.
5. Energia de comunicação. Para remover um próton ou nêutron do núcleo, deve-se trabalhar para superar as forças nucleares de curto alcance. Como resultado, a energia do sistema "núcleo remanescente - núcleo removido" aumenta em ∆E igual ao trabalho das forças externas.
A energia necessária para a separação completa do núcleo em prótons e nêutrons separados é chamada de energia de ligação do núcleo.
De acordo com a lei da relação entre massa e energia, neste caso, a massa das partículas também aumenta em
Conseqüentemente, a massa do núcleo é sempre menor que a soma das massas de suas partículas constituintes tomadas separadamente. Na física nuclear, a massa das partículas é expressa em unidades de massa atômica. A unidade de massa atômica é igual a 1/12 da massa de um átomo do isótopo de carbono-12.
1 amu = 1,6605655 10 -27 kg
A tabela mostra as massas de alguns núcleos estáveis e partículas elementares.
Mesa
| símbolo do kernel | Massa, A. comer. | símbolo do kernel | Massa, A. comer. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
regra de deslocamento. As transformações dos núcleos obedecem à chamada regra do deslocamento, formulada pela primeira vez por Soddy: durante o decaimento a, o núcleo perde sua carga positiva 2e e sua massa diminui em aproximadamente quatro unidades de massa atômica. Como resultado, o elemento é deslocado duas células para o início da tabela periódica. Simbolicamente, isso pode ser escrito da seguinte forma:
Aqui, o elemento é denotado, como na química, por símbolos convencionais: a carga do núcleo é escrita como um índice na parte inferior esquerda do símbolo, e a massa atômica é escrita como um índice na parte superior esquerda do símbolo. Por exemplo, o hidrogênio é representado pelo símbolo . Por uma- partícula, que é o núcleo de um átomo de hélio, a designação é usada, etc. No decaimento β, um elétron voa para fora do núcleo. Como resultado, a carga do núcleo aumenta em um, enquanto a massa permanece quase inalterada:
Aqui denota um elétron: o índice "0" no topo significa que sua massa é muito pequena em comparação com a unidade de massa atômica. Após β - decaimento, o elemento se move uma célula mais perto do final da tabela periódica. A radiação gama não é acompanhada por uma mudança de carga; a massa do núcleo muda desprezivelmente pouco.
As regras de deslocamento mostram que durante o decaimento radioativo a carga elétrica é conservada e a massa atômica relativa dos núcleos é aproximadamente conservada.
Novos núcleos formados durante o decaimento radioativo, por sua vez, geralmente também são radioativos.
Exemplo. Usando os dados desta tabela, calculamos a energia de ligação do núcleo do átomo de hélio:
A massa do núcleo de hélio é 4,002603 a.m.u.
Massa de núcleons individuais
Diferença de massa: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) amu =0,030377 amu, e a energia de ligação:
Como: 1 amu \u003d 1,660566 * 10 -27 kg e c \u003d 3 * 10 8 m / s, então ∆ E \u003d 0,030377 * 1,660566 * 10 -27 kg * 9 10 16 m 2 / s 2 ou ∆ E \u003d 0,030377 * 1,660566 9 10 -11 J.
Na física nuclear, a energia é geralmente expressa em elétron-volts. Como 1 eV = 1,60219 10 -19 J, então
É fácil ver que a fração
não depende da condição do problema. Portanto, no futuro, os cálculos em reações atômicas serão realizados da seguinte forma:
∆E = ∆m a.m.u. 931 MeV/a.m.u.
Assim, a energia de ligação do núcleo de um átomo de hélio:
Ao dividir a energia de ligação total do núcleo de um átomo pelo número de núcleons nele, pode-se obter a chamada energia de ligação específica. Para o núcleo de um átomo de hélio, a energia de ligação específica é MeV por núcleon.
Responda: a energia de ligação específica para o núcleo de um átomo de hélio é de aproximadamente 7 MeV por núcleo.
