§1 Sarcina si masa, nucleele atomice
Cele mai importante caracteristici ale unui nucleu sunt sarcina și masa acestuia. M.
Z- sarcina nucleului este determinata de numarul de sarcini elementare pozitive concentrate in nucleu. Un purtător al unei sarcini elementare pozitive R= 1,6021 10 -19 C în nucleu este un proton. Atomul ca întreg este neutru și sarcina nucleului determină simultan numărul de electroni din atom. Distribuția electronilor într-un atom peste învelișuri și subînvelișuri energetice depinde în esență de numărul lor total în atom. Prin urmare, sarcina nucleului determină în mare măsură distribuția electronilor asupra stărilor lor în atom și poziția elementului în sistemul periodic al lui Mendeleev. Sarcina nucleară esteqeu = z· e, Unde z- numărul de sarcină al nucleului, egal cu numărul ordinal al elementului din sistemul Mendeleev.
Masa nucleului atomic coincide practic cu masa atomului, deoarece masa electronilor tuturor atomilor, cu exceptia hidrogenului, este de aproximativ 2,5 10 -4 mase de atomi. Masa atomilor este exprimată în unități de masă atomică (a.m.u.). Pentru a.u.m. acceptat 1/12 masa atomului de carbon.
1 amu \u003d 1,6605655 (86) 10 -27 kg.
meu = m a - Z pe mine.
Izotopii sunt varietăți de atomi ai unui element chimic dat care au aceeași sarcină, dar diferă ca masă.
Numărul întreg cel mai apropiat de masa atomică, exprimat în a.u. m . numită număr de masă m și notat cu litera DAR. Denumirea unui element chimic: DAR- numărul de masă, X - simbolul unui element chimic,Z-numar de incarcare -numar de serie in tabelul periodic ():
Beriliu; Izotopi: , ", .
Raza miezului:
unde A este numărul de masă.
§2 Compunerea miezului
Nucleul unui atom de hidrogennumit proton
mproton= 1,00783 amu , 
.
Diagrama atomului de hidrogen
În 1932, a fost descoperită o particulă numită neutron, care are o masă apropiată de cea a unui proton (mneutroni= 1,00867 a.m.u.) și nu are sarcină electrică. Apoi D.D. Ivanenko a formulat o ipoteză despre structura proton-neutron a nucleului: nucleul este format din protoni și neutroni, iar suma lor este egală cu numărul de masă DAR. 3 număr ordinalZdetermină numărul de protoni din nucleu, numărul de neutroniN \u003d A - Z.
Particule elementare - protoni și neutroni care intrăîn miez, sunt cunoscuți colectiv ca nucleoni. Nucleonii nucleilor sunt în stări, semnificativ diferit de stările lor libere. Între nucleoni există o specială i de r interacțiune nouă. Ei spun că un nucleon poate fi în două „stări de încărcare” - o stare de proton cu o sarcină+ e, și neutron cu sarcina 0.
§3 Energia de legare a nucleului. defect de masă. forte nucleare
Particulele nucleare - protoni și neutroni - sunt ținute ferm în interiorul nucleului, astfel încât forțe atractive foarte mari acționează între ele, capabile să reziste forțelor de respingere uriașe dintre protonii cu încărcare similară. Aceste forțe speciale care apar la distanțe mici între nucleoni se numesc forțe nucleare. Forțele nucleare nu sunt electrostatice (Coulomb).
Studiul nucleului a arătat că forțele nucleare care acționează între nucleoni au următoarele caracteristici:
a) sunt forțe cu rază scurtă de acțiune - manifestate la distanțe de ordinul 10 -15 m și în scădere bruscă chiar și cu o ușoară creștere a distanței;
b) forțele nucleare nu depind de faptul dacă particula (nucleonul) are o sarcină - independență de sarcină a forțelor nucleare. Forțele nucleare care acționează între un neutron și un proton, între doi neutroni, între doi protoni sunt egale. Protonii și neutronii în raport cu forțele nucleare sunt aceleași.
Energia de legare este o măsură a stabilității unui nucleu atomic. Energia de legare a nucleului este egală cu munca care trebuie făcută pentru a împărți nucleul în nucleonii săi constituenți fără a le conferi energie cinetică.
M I< Σ( m p + m n)
Eu - masa nucleului
Măsurarea maselor de nuclee arată că masa de repaus a nucleului este mai mică decât suma maselor de repaus ale nucleonilor săi constitutivi.
Valoare
servește ca măsură a energiei de legare și se numește defect de masă.
Ecuația lui Einstein în relativitatea specială raportează energia și masa în repaus a unei particule.
În cazul general, energia de legare a nucleului poate fi calculată prin formula
Unde Z - numărul de sarcină (numărul de protoni din nucleu);
DAR- numărul de masă (numărul total de nucleoni din nucleu);
m p, , m n și M i- masa de proton, neutron și nucleu
Defect de masă (Δ m) sunt egale cu 1 a.u. m. (a.m.u. - unitate de masă atomică) corespunde energiei de legare (E St) egală cu 1 a.u.e. (a.u.e. - unitate atomică de energie) și egală cu 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.
Modificările nucleelor în timpul interacțiunii lor cu particulele individuale și între ele sunt de obicei numite reacții nucleare.
Există următoarele, cele mai comune reacții nucleare.
- Reacția de transformare . În acest caz, particula incidentă rămâne în nucleu, dar nucleul intermediar emite o altă particule, astfel încât nucleul produs diferă de nucleul țintă.
- Reacție de captare radiativă . Particula incidentă rămâne blocată în nucleu, dar nucleul excitat emite energie în exces, emițând un foton γ (utilizat în funcționarea reactoarelor nucleare)
Un exemplu de reacție de captare a neutronilor de către cadmiu
sau fosfor
- Risipirea. Nucleul intermediar emite o particulă identică cu
cu cel zburat și poate fi:
Imprăștire elastică neutroni cu carbon (utilizați în reactoare pentru a modera neutroni):
Imprăștire inelastică :
- reacție de fisiune. Aceasta este o reacție care continuă întotdeauna cu eliberarea de energie. Este baza pentru producția tehnică și utilizarea energiei nucleare. În timpul reacției de fisiune, excitația nucleului compus intermediar este atât de mare încât este împărțit în două fragmente, aproximativ egale, cu eliberarea mai multor neutroni.
Dacă energia de excitație este scăzută, atunci separarea nucleului nu are loc, iar nucleul, după ce a pierdut excesul de energie prin emiterea unui γ - foton sau neutron, va reveni la starea sa normală (Fig. 1). Dar dacă energia introdusă de neutron este mare, atunci nucleul excitat începe să se deformeze, se formează o constricție în el și, ca urmare, este împărțit în două fragmente care zboară separat cu viteze extraordinare, în timp ce doi neutroni sunt emiși.
(Fig. 2).
Reacție în lanț- reacție de fisiune de auto-dezvoltare. Pentru a-l implementa, este necesar ca dintre neutronii secundari produși în timpul unui eveniment de fisiune, cel puțin unul poate provoca următorul eveniment de fisiune: (deoarece unii neutroni pot participa la reacții de captare fără a provoca fisiune). Cantitativ, condiția existenței unei reacții în lanț exprimă factor de multiplicare
k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - reacții în lanț cu un număr constant de neutroni (într-un reactor nuclear),k > 1 (m > m kr ) sunt bombe nucleare.
§1 Radioactivitatea naturală
Radioactivitatea este transformarea spontană a nucleelor instabile ale unui element în nuclee ale altui element. radioactivitate naturală numită radioactivitate observată în izotopii instabili care există în natură. Radioactivitatea artificială se numește radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare.
Tipuri de radioactivitate:
- α-degradare.
Emiterea de către nuclee a unor elemente chimice ale sistemului α a doi protoni și doi neutroni conectați între ele (particulă a - nucleul unui atom de heliu)
Dezintegrarea α este inerentă nucleelor grele cu DAR> 200 șiZ > 82. Când se deplasează într-o substanță, particulele α produc ionizare puternică a atomilor pe drumul lor (ionizarea este desprinderea electronilor dintr-un atom), acționând asupra lor cu câmpul lor electric. Se numește distanța pe care o particulă α zboară în materie până când se oprește complet gama de particule sau putere de pătrundere(notatR, [R] = m, cm). . În condiții normale, se formează o particulă αîn aer 30.000 de perechi de ioni pe cale de 1 cm. Ionizarea specifică este numărul de perechi de ioni formate pe 1 cm din lungimea căii. Particula α are un efect biologic puternic.
Regula de schimbare pentru dezintegrarea alfa:
2. β-degradare.
a) electronică (β -): nucleul emite un electron și un electron antineutrin
b) pozitron (β +): nucleul emite un pozitron și un neutrin
Aceste procese apar prin conversia unui tip de nucleon într-un nucleu în altul: un neutron într-un proton sau un proton într-un neutron.
Nu există electroni în nucleu, ei se formează ca urmare a transformării reciproce a nucleonilor.
Pozitron - o particulă care diferă de un electron doar prin semnul sarcinii (+e = 1,6 10 -19 C)
Din experiment rezultă că în timpul dezintegrarii β, izotopii pierd aceeași cantitate de energie. Prin urmare, pe baza legii conservării energiei, W. Pauli a prezis că o altă particulă de lumină, numită antineutrino, este ejectată. Un antineutrino nu are sarcină sau masă. Pierderile de energie de către particulele β în timpul trecerii lor prin materie sunt cauzate în principal de procesele de ionizare. O parte din energie este pierdută în raze X în timpul decelerării particulelor β de către nucleii substanței absorbante. Deoarece particulele β au o masă mică, o sarcină unitară și viteze foarte mari, capacitatea lor de ionizare este mică (de 100 de ori mai mică decât cea a particulelor α), prin urmare, puterea de penetrare (kilometrajul) a particulelor β este semnificativ mai mare decât particule α.
Rβ aer = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm
Dezintegrarea β - - are loc în nucleele radioactive naturale și artificiale. β + - numai cu radioactivitate artificială.
Regula deplasării pentru dezintegrarea β - -:
c) K - captare (captură electronică) - nucleul absoarbe unul dintre electronii aflați pe învelișul K (mai rarLsau M) atomului său, în urma căruia unul dintre protoni se transformă într-un neutron, în timp ce emite un neutrin
Schema K - captare:
Spațiul din învelișul de electroni eliberat de electronul capturat este umplut cu electroni din straturile de deasupra, rezultând raze X.
- razele γ.
De obicei, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de raze γ. Razele γ sunt radiații electromagnetice cu lungimi de undă de la una la sutimi de angstrom λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. Energia razelor γ atinge milioane de eV.
W γ ~ MeV
1eV=1,6 10 -19 J
Un nucleu care suferă dezintegrare radioactivă, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția lui la starea fundamentală este însoțită de emisia unui foton γ. În acest caz, energia fotonului γ este determinată de condiție
unde E 2 și E 1 este energia nucleului.
E 2 - energie în stare excitată;
E 1 - energie în starea fundamentală.
Absorbția razelor γ de către materie se datorează a trei procese principale:
- efect fotoelectric (cu hv < l MэB);
- formarea perechilor electron-pozitron;
sau
- împrăștiere (efect Compton) -
Absorbția razelor γ are loc conform legii lui Bouguer:
unde μ este un coeficient de atenuare liniar, în funcție de energiile razelor γ și de proprietățile mediului;
І 0 este intensitatea fasciculului paralel incident;
eueste intensitatea fasciculului după trecerea printr-o substanță de grosime X cm.
Razele γ sunt una dintre cele mai penetrante radiații. Pentru cele mai dure raze (hvmax) grosimea stratului de semiabsorbție este de 1,6 cm în plumb, 2,4 cm în fier, 12 cm în aluminiu și 15 cm în pământ.
§2 Legea fundamentală a dezintegrarii radioactive.
Numărul de nuclee degradatedN proporțional cu numărul inițial de nuclee Nși timpul de dezintegraredt, dN~ N dt. Legea de bază a dezintegrarii radioactive în formă diferențială:
Coeficientul λ se numește constantă de dezintegrare pentru un anumit tip de nuclee. Semnul „-” înseamnă cădNtrebuie să fie negativ, deoarece numărul final de nuclee nedezintegrate este mai mic decât cel inițial.
prin urmare, λ caracterizează fracția de nuclee care se descompun pe unitatea de timp, adică determină rata dezintegrarii radioactive. λ nu depinde de condițiile externe, ci este determinat doar de proprietățile interne ale nucleelor. [λ]=s -1.
Legea de bază a dezintegrarii radioactive în formă integrală
Unde N 0 - numărul inițial de nuclee radioactive lat=0;
N- numărul de nuclee nedegradate la un moment datt;
λ este constanta dezintegrarii radioactive.
Rata de dezintegrare în practică este apreciată folosind nu λ, ci T 1/2 - timpul de înjumătățire - timpul în care jumătate din numărul inițial de nuclee se descompune. Relația T 1/2 și λ
T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 ani, T 1/2 Ra = 1590 ani, T 1/2 Rn = 3,825 zile Numărul de dezintegrari pe unitatea de timp A \u003d -dN/ dtse numește activitatea unei substanțe radioactive date.
Din
urmează,
[A] \u003d 1 Becquerel \u003d 1 dezintegrare / 1 s;
[A] \u003d 1Ci \u003d 1Curie \u003d 3,7 10 10 Bq.
Legea schimbarii activitatii
unde A 0 = λ N 0 - activitatea iniţială la timpt= 0;
A - activitate la un moment datt.
Nucleul celui mai simplu atom - atomul de hidrogen - este format dintr-o particulă elementară numită proton. Nucleele tuturor celorlalți atomi constau din două tipuri de particule, protoni și neutroni. Aceste particule se numesc nucleoni. Proton. Protonul are o sarcină și o masă
Pentru comparație, indicăm că masa unui electron este egală cu
Din comparația dintre (66.1) și (66.2) rezultă că -protonul are un spin egal cu jumătate și propriul său moment magnetic
O unitate de moment magnetic numită magneton nuclear. Din comparație cu (33.2) rezultă că de 1836 de ori mai puțin decât magnetonul Bohr. În consecință, momentul magnetic intrinsec al protonului este de aproximativ 660 de ori mai mic decât momentul magnetic al electronului.
Neutroni. Neutronul a fost descoperit în 1932 de către fizicianul englez D. Chadwick. Sarcina sa electrică este zero și masa sa
foarte aproape de masa protonului.
Diferența dintre masele de neutroni și protoni este de 1,3 MeV, adică .
Neutronul are un spin egal cu jumătate și (în ciuda absenței unei sarcini electrice) propriul său moment magnetic
(semnul minus indică faptul că direcțiile momentelor intrinseci mecanice și magnetice sunt opuse). O explicație a acestui fapt uimitor va fi dată în § 69.
Rețineți că raportul valorilor experimentale cu un grad ridicat de precizie este -3/2. Acest lucru s-a observat abia după ce o asemenea valoare a fost obținută teoretic.
În stare liberă, neutronul este instabil (radioactiv) - se descompune spontan, transformându-se într-un proton și emițând un electron și o altă particulă numită antineutrin (vezi § 81). Timpul de înjumătățire (adică timpul necesar pentru ca jumătate din numărul inițial de neutroni să se descompună) este de aproximativ 12 minute. Schema de dezintegrare poate fi scrisă după cum urmează:
Masa antineutrinului este zero. Masa neutronului este mai mare decât masa protonului cu. Prin urmare, masa neutronului depășește masa totală a particulelor care apar în partea dreaptă a ecuației (66.7), adică cu 0,77 MeV. Această energie este eliberată în timpul dezintegrarii unui neutron sub forma energiei cinetice a particulelor rezultate.
Caracteristicile nucleului atomic. Una dintre cele mai importante caracteristici ale nucleului atomic este numărul de sarcină Z. Este egal cu numărul de protoni care alcătuiesc nucleul și determină sarcina acestuia, care este egală cu Numărul Z determină numărul de serie al elementului chimic în tabelul periodic al lui Mendeleev. Prin urmare, se mai numește și numărul atomic al nucleului.
Numărul de nucleoni (adică numărul total de protoni și neutroni) dintr-un nucleu este notat cu litera A și se numește numărul de masă al nucleului. Numărul de neutroni din nucleu este
Simbolul folosit pentru a desemna nucleele
unde X este simbolul chimic al elementului. Numărul de masă este plasat în stânga sus, numărul atomic în stânga jos (ultima pictogramă este adesea omisă).
Uneori, numărul de masă este scris nu în stânga, ci în dreapta simbolului elementului chimic
Nucleii cu același Z dar A diferit se numesc izotopi. Majoritatea elementelor chimice au mai mulți izotopi stabili. Deci, de exemplu, oxigenul are trei izotopi stabili: staniul are zece și așa mai departe.
Hidrogenul are trei izotopi:
Protiul și deuteriul sunt stabili, tritiul este radioactiv.
Nucleii cu același număr de masă A se numesc izobare. Nucleii cu același număr de neutroni se numesc izotone de exemplu.În cele din urmă, există nuclee radioactive cu același Z și A, care diferă în timpul lor de înjumătățire. Se numesc izomeri. De exemplu, există doi izomeri ai nucleului, unul dintre ei are un timp de înjumătățire de 18 minute, celălalt are un timp de înjumătățire de 4,4 ore.
Sunt cunoscuți aproximativ 1500 de nuclee, care diferă fie prin Z, fie A, sau ambele. Aproximativ 1/5 din aceste nuclee sunt stabile, restul sunt radioactive. Multe nuclee au fost obținute artificial folosind reacții nucleare.
In natura, exista elemente cu numarul atomic Z de la 1 la 92, cu exceptia tehnetiului si prometiului.Plutoniul, dupa ce a fost produs artificial, a fost gasit in cantitati neglijabile intr-un mineral natural - amestec de rasini. Elementele transuraniu rămase (adică transuraniu) (cu Z de la 93 la 107) au fost obținute artificial prin diferite reacții nucleare.
Elementele transuranium curiu, einsteiniu, fermiu) și mendeleviu) au fost denumite în onoarea savanților remarcabili P. și M. Curie, A. Einstein, E. Fermi și D. I. Mendeleev. Lawrencium este numit după inventatorul ciclotronului E. Lawrence. Kurchatovy) și-a primit numele în onoarea remarcabilului fizician sovietic I. V. Kurchatov.
Unele elemente transuraniu, inclusiv kurchatovium și elemente cu numerele 106 și 107, au fost obținute la Laboratorul de Reacții Nucleare al Institutului Comun de Cercetare Nucleară din Dubna de către omul de știință sovietic G. N. Flerov și colaboratorii săi.
Dimensiunile nucleelor. În prima aproximare, nucleul poate fi considerat o sferă, a cărei rază este determinată destul de precis de formula
(Fermi este numele unității de lungime folosită în fizica nucleară, egală cu cm). Din formula (66.8) rezultă că volumul nucleului este proporțional cu numărul de nucleoni din nucleu. Astfel, densitatea materiei în toate nucleele este aproximativ aceeași.
Spinul nucleului. Spiriile nucleonilor se adună la spinul rezultat al nucleului. Spinul nucleonului este Prin urmare, numărul cuantic al spinului nucleului l va fi jumătate întreg pentru un număr impar de nucleoni A și un întreg sau zero pentru un A par. Spiriurile nucleelor l nu depășesc mai multe unitati. Acest lucru indică faptul că spinurile majorității nucleonilor din nucleu se anulează reciproc, fiind antiparalele. Toate nucleele pare-pare (adică nucleele cu un număr par de protoni și un număr par de neutroni) au spin zero.
Fiecare atom este alcătuit din nucleeși înveliș atomic, care includ diverse particule elementare - nucleoniiși electroni(Fig. 5.1). Nucleul este partea centrală a atomului, conținând aproape întreaga masă a atomului și având o sarcină pozitivă. Miezul este alcătuit din protoniși neutroni, care sunt stări dublu încărcate ale unei particule elementare - nucleonul. Sarcina de protoni +1; neutron 0.
Taxa de bază atomul este Z . ē , Unde Z– numărul de serie al elementelor (numar atomic)în sistemul periodic al lui Mendeleev, egal cu numărul de protoni din nucleu; ē este sarcina unui electron.
Numărul de nucleoni dintr-un nucleu se numește numărul de masă al elementului(A):
A = Z + N,
Unde Z este numărul de protoni; N este numărul de neutroni din nucleul atomic.
Pentru protoni și neutroni, numărul de masă este considerat egal cu 1, pentru electroni este egal cu 0.
Orez. 5.1. Structura atomului
Următoarele denumiri sunt în general acceptate pentru orice element chimic X: , Aici A- numar de masa, Z este numărul atomic al elementului.
Nucleele atomice ale aceluiași element pot conține un număr diferit de neutroni. N. Aceste tipuri de nuclee atomice se numesc izotopi acest element. Astfel, izotopii au: același număr atomic, dar numere de masă diferite A. Majoritatea elementelor chimice sunt un amestec de diferiți izotopi, de exemplu, izotopi ai uraniului:
.
Nucleele atomice ale diferitelor elemente chimice pot avea același număr de masă DAR(cu număr diferit de protoni Z). Aceste tipuri de nuclee atomice se numesc izobare. De exemplu:
– – – ; –
Masă atomică
Pentru a caracteriza masa atomilor și moleculelor, se folosește conceptul masa atomica M este o valoare relativă, care este determinată de raport
la masa atomului de carbon și se ia egal cu m a = 12 000 000. Pentru
a fost introdusă definiția absolută a masei atomice unitate atomică
mase(a.m.u.), care este definită în raport cu masa unui atom de carbon sub următoarea formă:
.
Atunci masa atomică a unui element poate fi definită astfel:
Unde M este masa atomică a izotopilor elementului luat în considerare. Această expresie facilitează determinarea masei nucleelor elementelor, particulelor elementare, particulelor - produse ale transformărilor radioactive etc.
Defect de masă nucleară și energie nucleară de legare
Energia de legare a unui nucleon- o mărime fizică egală numeric cu munca care trebuie făcută pentru a îndepărta un nucleon din nucleu fără a-i conferi energie cinetică.
Nucleonii sunt legați în nucleu de forțe nucleare, care sunt mult mai mari decât forțele de repulsie electrostatică care acționează între protoni. Pentru a diviza nucleul, este necesar să depășim aceste forțe, adică să consumăm energie. Unirea nucleonilor pentru a forma un nucleu, dimpotrivă, este însoțită de eliberarea de energie, care se numește energie nucleară de legareΔ W Sf:
,
unde este așa-numitul defect de masă nucleară; cu ≈ 3 . 10 8 m/s este viteza luminii în vid.
Energia de legare a miezului- o mărime fizică egală cu munca care trebuie făcută pentru a împărți nucleul în nucleoni individuali fără a le conferi energie cinetică.
Când se formează un nucleu, masa acestuia scade, adică masa nucleului este mai mică decât suma maselor nucleonilor săi constituenți, această diferență se numește defect de masăΔ m:
Unde m p este masa protonilor; m n este masa neutronilor; m nucleul este masa nucleului.
În trecerea de la masa nucleului m nucleul la masele atomice ale unui element m a, această expresie poate fi scrisă sub următoarea formă:
Unde m H este masa hidrogenului; m n este masa neutronului și m a este masa atomică a elementului, determinată prin unitate de masă atomică(a.u.m.).
Criteriul de stabilitate a nucleului este corespondența strictă dintre numărul de protoni și neutroni din acesta. Pentru stabilitatea nucleelor, următoarea relație este adevărată:
,
Unde Z este numărul de protoni; A este numărul de masă al elementului.
Din cele aproximativ 1700 de tipuri de nuclee cunoscute până acum, doar aproximativ 270 sunt stabile. Mai mult, în natură predomină nucleele pare-pare (adică cu un număr par de protoni și neutroni), care sunt deosebit de stabile.
Radioactivitate
Radioactivitate- transformarea izotopilor instabili ai unui element chimic în izotopi ai altui element chimic cu eliberarea unor particule elementare. Distingeți: radioactivitate naturală și artificială.
Principalele tipuri includ:
– radiația α (dezintegrare);
– radiația β (dezintegrare);
- fisiune nucleară spontană.
Nucleul unui element în descompunere se numește maternă, iar nucleul elementului rezultat este copil. Dezintegrarea spontană a nucleelor atomice respectă următoarea lege a dezintegrarii radioactive:
Unde N 0 este numărul de nuclee dintr-un element chimic la momentul inițial de timp; N este numărul de nuclee la un moment dat t; - așa-numita „constantă” a dezintegrarii, care este fracția de nuclee care s-a dezintegrat pe unitatea de timp.
Reciproca „constantei” de dezintegrare caracterizează durata medie de viață a izotopului. O caracteristică a stabilității nucleelor în raport cu degradarea este jumătate de viață, adică timpul în care numărul inițial de nuclee este înjumătățit:
Relația dintre și:
În timpul dezintegrarii radioactive, legea conservarii taxelor:
,
unde este sarcina „fragmentelor” degradate sau rezultate (formate); și regula de conservare în masă:
unde este numărul de masă al „fragmentelor” formate (degradate).
5.4.1. dezintegrarea α și β
α-degradare este radiația de la nucleele de heliu. Caracteristic pentru nucleele „grele” cu numere de masă mari A> 200 și încărcați z > 82.
Regula deplasării pentru dezintegrarea α are următoarea formă (se formează un nou element):
.
; 
.
Rețineți că dezintegrarea α (radiația) are cea mai mare capacitate de ionizare, dar cea mai scăzută permeabilitate.
Există următoarele tipuri β-degradare:
– β-decay electronic (β – decay);
– dezintegrarea pozitronului β (β + -decay);
– captura electronică (k-capture).
β - -degradare apare cu un exces de neutroni cu eliberarea de electroni și antineutrini:
.
β + -degradare apare cu un exces de protoni cu eliberarea de pozitroni și neutrini:
Pentru captura electronică ( k-captură) caracterizată prin următoarea transformare:
.
Regula deplasării pentru dezintegrarea β are următoarea formă (se formează un nou element):
pentru β - - dezintegrare: 
;
pentru β + -degradare: .
Dezintegrarea β (radiația) are cea mai scăzută capacitate de ionizare, dar cea mai mare permeabilitate.
radiațiile α și β sunt însoțite radiația γ, care este radiația fotonilor și nu este un tip independent de radiație radioactivă.
Fotonii γ sunt eliberați cu o scădere a energiei atomilor excitați și nu provoacă o modificare a numărului de masă Ași schimbarea taxei Z. Radiația γ are cea mai mare putere de penetrare.
Activitatea radionuclizilor
Activitatea radionuclizilor este o măsură a radioactivității care caracterizează numărul de dezintegrari nucleare pe unitatea de timp. Pentru o anumită cantitate de radionuclizi într-o anumită stare de energie la un moment dat, activitatea DAR este dat sub forma:
unde este numărul așteptat de transformări nucleare spontane (numărul de dezintegrari nucleare) care au loc în sursa de radiații ionizante în intervalul de timp .
Se numește transformare nucleară spontană dezintegrare radioactivă.
Unitatea de măsură pentru activitatea radionuclizilor este secunda reciprocă (), care are o denumire specială becquerel (Bq).
Becquerel este egal cu activitatea radionuclidului din sursă, în care timp de 1 sec. are loc o transformare nucleară spontană.
Unitate de activitate în afara sistemului - curie (Ku).
Curie - activitatea radionuclidului din sursă, în care timp de 1 sec. se întâmplă 3.7 . 10 10 transformări nucleare spontane, adică 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.
De exemplu, aproximativ 1 g de radiu pur dă o activitate de 3,7 . 10 10 dezintegrari nucleare pe secunda.
Nu toți nucleii unui radionuclid se descompun simultan. În fiecare unitate de timp, se produce transformarea nucleară spontană cu o anumită fracțiune de nuclee. Ponderea transformărilor nucleare pentru diferiți radionuclizi este diferită. De exemplu, din numărul total de nuclee de radiu, 1,38 se descompun în fiecare secundă . parte, iar din numărul total de nuclee de radon - 2.1 . parte. Fracția de nuclee care se descompun pe unitatea de timp se numește constantă de dezintegrare λ .
Din definiţiile de mai sus rezultă că activitatea DAR raportat la numărul de atomi radioactivi Nîn sursă la un moment dat prin raportul:
În timp, numărul de atomi radioactivi scade conform legii:
, (3) – 30 ani, radon de suprafață sau liniar activitate.
Alegerea unităților de activitate specifică este determinată de o sarcină specifică. De exemplu, activitatea în aer este exprimată în becquereli pe metru cub (Bq / m 3) - activitate volumetrică. Activitatea în apă, lapte și alte lichide este, de asemenea, exprimată ca activitate volumetrică, deoarece cantitatea de apă și lapte se măsoară în litri (Bq/l). Activitatea în pâine, cartofi, carne și alte produse este exprimată ca activitate specifică (Bq/kg).
Evident, efectul biologic al expunerii la radionuclizi asupra corpului uman va depinde de activitatea acestora, adică de cantitatea de radionuclid. Prin urmare, volumul și activitatea specifică a radionuclizilor din aer, apă, alimente, clădiri și alte materiale sunt standardizate.
Deoarece pentru un anumit timp o persoană poate fi iradiată în diferite moduri (de la intrarea radionuclizilor în organism până la expunerea externă), toți factorii de expunere sunt asociați cu o anumită valoare, care se numește doza de radiație.
Un proton este un atom de hidrogen din care a fost îndepărtat un singur electron. Această particulă a fost deja observată în experimentele lui J. Thomson (1907), care a reușit să-și măsoare raportul e/m. În 1919, E. Rutherford a descoperit nucleele atomului de hidrogen din produsele de fisiune ale nucleelor atomilor multor elemente. Rutherford a numit această particulă proton. El a sugerat că protonii fac parte din toate nucleele atomice.
Este prezentată schema experimentelor lui Rutherford.
Se poate vizualiza o descriere a instalației cu care a fost posibilă înregistrarea unui neutron.
Spre deosebire de electroni, protonii și neutronii sunt supuși unor forțe nucleare specifice. Forțele nucleare sunt un caz special al celor mai puternice interacțiuni din natură. Datorită forțelor nucleare, protonii și neutronii se pot combina între ei, formând diverse nuclee atomice.
Proprietățile protonului și neutronului în ceea ce privește interacțiunile puternice sunt exact aceleași, ceea ce, aparent, explică apropierea maselor lor. Prin urmare, în fizica nucleară, termenul de nucleon este adesea folosit, desemnând orice particulă care face parte din nucleu, atât proton, cât și neutron. Putem spune că protonul și neutronul sunt două stări ale aceleiași particule - nucleonul.
Atomul este neutru din punct de vedere electric. Prin urmare, numărul de protoni din nucleul unui atom trebuie să fie egal cu numărul de electroni din învelișul atomic, adică. numar atomic Z. Numărul total de nucleoni (adică protoni și neutroni) dintr-un nucleu este notat cu Ași se numește număr de masă. Numerele Zși A caracteriza pe deplin compoziția nucleului. Prioritate A:
| A=Z+N. |
Pentru a desemna nuclee diferite, se folosește de obicei notația formei Z X A , unde X- simbol chimic corespunzător elementului cu dat Z. De exemplu, expresia 4 Be 9 denotă nucleul atomului de beriliu cu Z = 4, A= 9, având 4 protoni și 5 neutroni. Indicele din stânga nu este necesar deoarece numărul atomic Z identificate în mod unic prin numele elementului. Prin urmare, tipul de abreviere Be 9 este adesea folosit ( citește „beriliu nouă”).
sâmburi cu aceleași Z si diferita A se numesc izotopi. De exemplu, uraniu Z= 92) există izotopi 92 U 236 , 92 U 238 . Uneori se folosesc termenii izobar (pentru nuclee cu același A si diferita Z) și izotone (pentru nucleele cu același N si diferita Z). Termenul nuclid este folosit pentru a desemna atomii unui anumit izotop.
Cel mai greu element găsit în natură este izotopul de uraniu 92 U 238 . Elementele cu numere atomice mai mari de 92 se numesc transuranice. Toate sunt obținute artificial ca urmare a diferitelor reacții nucleare.
În ceea ce privește proprietățile lor pur nucleare, diferiți izotopi, de regulă, au puține în comun. Dar, în majoritatea covârșitoare a cazurilor, atomii diferiților izotopi au aceleași proprietăți chimice și aproape aceleași fizice, deoarece structura învelișului de electroni a atomului este afectată de nucleu practic doar de sarcina sa electrică. Prin urmare, izolarea oricărui izotop, de exemplu, U 235 din propriul amestec cu 92 U 238, este o problemă tehnologică complexă, care utilizează mici diferențe în ratele de evaporare, difuzie și alte câteva procese care apar datorită diferenței. în mase izotopice.
numar atomic Z este egală cu sarcina electrică a nucleului în unități ale valorii absolute a sarcinii electronilor. Sarcina electrică este o valoare întreagă, strict conservată pentru orice interacțiune (inclusiv neelectromagnetică). Totalitatea datelor experimentale disponibile privind transformările reciproce ale nucleelor atomice și ale particulelor elementare arată că, pe lângă legea conservării sarcinii electrice, există o lege similară, strictă, de conservare a sarcinii barionice. Și anume, fiecărei particule i se poate atribui o anumită valoare a sarcinii barionului, iar suma algebrică a sarcinilor barionului tuturor particulelor rămâne neschimbată în orice proces.
Sarcinile barione ale tuturor particulelor sunt întregi. Sarcina barionică a unui electron și a unui cuantic γ este egală cu zero, iar sarcinile barionului unui proton și unui neutron sunt egale cu unu. Deci numărul de masă DAR este sarcina barionică a nucleului. Legea de conservare a sarcinii barionului asigură stabilitatea nucleelor atomice. De exemplu, această lege interzice transformarea avantajoasă din punct de vedere energetic a doi neutroni ai nucleului într-o pereche de particule cele mai ușoare de γ-quanta, ceea ce este permis de toate celelalte legi de conservare.
Nucleele atomice pot exista doar într-un interval limitat de valori ale cantităților A, Z. În afara acestei regiuni, dacă apare nucleul corespunzător, atunci acesta instantaneu (adică în timpul caracteristic al timpului nuclear τ ≤ 10 -21 s) fie se descompune în nuclee mai mici, fie emite un proton sau neutron. În regiunea de existență posibilă, nu toate nucleele sunt stabile.
 Figura 2.1. Diagrama proton-neutron a nucleelor atomice. |
Nucleii cunoscuți până în prezent sunt reprezentați grafic pe diagrama fluxului de neutroni (Figura 2.1). Pe ea, linii netede și continue indică limita teoretică a regiunii de posibilă existență a nucleelor. Determinarea experimentală a acestei limite este complicată de faptul că, la apropierea acesteia (din interior), duratele de viață ale nucleelor, deși acestea le depășesc semnificativ pe cele caracteristice (~10 −21). cu), dar prea mic pentru tehnicile experimentale moderne. Nucleele stabile formează o cale de stabilitate pe diagrama proton-neutron. Următoarele fapte empirice și regularități în legătură cu Ași Z pentru miezuri stabile:
|
COMPOZIȚIA NUCLEARULUI ATOMULUI. ENERGIE DE COMUNICARE
1. Compoziția nucleului atomic. La scurt timp după descoperirea neutronului (1932), fizicianul sovietic D. D. Ivanenko și ceva mai târziu fizicianul german W. Heisenberg au sugerat că nucleul atomic este format din protoni și neutroni. Aceste particule se numesc nucleoni. Numărul de protoni Z, care fac parte din nucleu, determină sarcina acestuia, care este egală cu +ze. Număr Z se numește număr atomic (determină numărul ordinal al elementului chimic din Tabelul Periodic Mendeleev) sau numărul de sarcină al nucleului.
Numărul de nucleoni A (adică numărul total de protoni și neutroni) din nucleu se numește numărul de masă al nucleului. Numărul de neutroni din nucleu este N=A-Z.
Simbolul folosit pentru a desemna nucleele
unde X este simbolul chimic al elementului. În partea de sus este numărul său de masă, în partea de jos este numărul său atomic.
2. Izotopi. Din 1906 se știe că nu toți atomii aceluiași element chimic au aceeași masă. De exemplu, printre atomii de clor există atomi cu o masă apropiată de 35 și o masă apropiată de 37. Printre atomii de uraniu sunt atomi cu masa de 234, 235, 238 și 239. Există diferențe de masă și atomi de alte substanțe .
Toți izotopii aceluiași element au proprietăți chimice foarte asemănătoare, ceea ce indică aceeași structură a învelișului lor de electroni și, în consecință, aceleași sarcini nucleare și un număr egal de protoni în nuclee. De aici provine numele lor - din cuvântul grecesc "isos" - același și "topos" - loc: același loc în Tabelul periodic al elementelor chimice al lui D. I. Mendeleev.
Diferența de masă dintre izotopi este cauzată de numărul diferit de neutroni din ei. Astfel, izotopii sunt numiți varietăți ale unui element chimic dat, care diferă prin masa nucleelor lor.
Legea dezintegrarii radioactive a fost stabilită de F. Soddy. Din punct de vedere empiric, E. Rutherford a descoperit că activitatea dezintegrarii radioactive scade cu timpul. Pentru fiecare substanță radioactivă există un interval de timp în care activitatea scade de 2 ori, adică. timpul de înjumătățire T a acestei substante. Fie numărul de atomi radioactivi N, timpul t =0. Prin t 1 \u003d T, numărul de nuclee nedezintegrate N 1 \u003d N 0 / 2, după t 2 \u003d 2T va rămâne
După ce timpul a trecut t=nT, adică mai tarziu n timpi de înjumătățire T, atomii radioactivi vor rămâne:
În măsura în care n=t/T,
Aceasta este legea fundamentală radioactiv descompunere.
4. Forțe nucleare. Fapte simple mărturisesc puterea nucleelor atomice: obiectele din jurul nostru există de mult timp fără a se dezintegra în particule. Dar cum pot fi explicate aceste fapte? La urma urmei, protonii fac parte din nucleele atomice, iar forțele de repulsie electrostatice ar fi trebuit să le „împingă” în afară. Aceasta implică concluzia că în interiorul nucleelor dintre nucleoni există unele forțe care depășesc forțele de repulsie electrostatică. Aceste forțe se numesc forțe nucleare. Forțele nucleare acționează între orice nucleoni (între protoni, între neutroni și între protoni și neutroni). O trăsătură caracteristică a forțelor nucleare este raza lor scurtă: la distanțe de 10 -15 m sunt de aproximativ 100 de ori mai mari decât forțele de interacțiune electrostatică, dar deja la distanțe de 10 -14 m se dovedesc a fi neglijabile.
5. Energie de comunicare. Pentru a elimina un proton sau un neutron din nucleu, trebuie depusă eforturi pentru a depăși forțele nucleare cu rază scurtă de acțiune. Ca urmare, energia sistemului „nucleu rămas - nucleon îndepărtat” crește cu ∆E egală cu munca forțelor externe.
Energia necesară pentru separarea completă a nucleului în protoni și neutroni separati se numește energia de legare a nucleului.
Conform legii relației dintre masă și energie, în acest caz, și masa particulelor crește cu
În consecință, masa nucleului este întotdeauna mai mică decât suma maselor particulelor sale constitutive luate separat. În fizica nucleară, masa particulelor este exprimată în unități de masă atomică. Unitatea de masă atomică este egală cu 1/12 din masa unui atom al izotopului de carbon-12.
1 amu = 1,6605655 10 -27 kg
Tabelul prezintă masele unor nuclee stabile și particule elementare.
Masa
| Simbolul nucleului | Liturghie, a. mânca. | Simbolul nucleului | Liturghie, a. mânca. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
regula deplasării. Transformările nucleelor se supun așa-numitei reguli de deplasare și formulată mai întâi de Soddy: în timpul dezintegrarii a, nucleul își pierde sarcina pozitivă 2e și masa sa scade cu aproximativ patru unități de masă atomică. Ca rezultat, elementul este mutat cu două celule la începutul tabelului periodic. În mod simbolic, aceasta poate fi scrisă după cum urmează:
Aici, elementul este notat, ca și în chimie, prin simboluri convenționale: sarcina nucleului este scrisă ca index în stânga jos a simbolului, iar masa atomică este scrisă ca index în stânga sus a simbolului. De exemplu, hidrogenul este reprezentat de simbolul . Pentru A- particulă, care este nucleul unui atom de heliu, se folosește denumirea etc. În dezintegrarea β, un electron zboară din nucleu. Ca urmare, sarcina nucleului crește cu unu, în timp ce masa rămâne aproape neschimbată:
Aici denotă un electron: indicele „0” din partea de sus înseamnă că masa sa este foarte mică în comparație cu unitatea de masă atomică. După dezintegrarea β, elementul se deplasează cu o celulă mai aproape de sfârșitul tabelului periodic. Radiația gamma nu este însoțită de o schimbare a sarcinii; masa nucleului se modifică neglijabil.
Regulile de deplasare arată că în timpul dezintegrarii radioactive sarcina electrică este conservată și masa atomică relativă a nucleelor este aproximativ conservată.
Nucleele noi formate în timpul dezintegrarii radioactive, la rândul lor, sunt de obicei și radioactive.
Exemplu. Folosind datele acestui tabel, calculăm energia de legare a nucleului atomului de heliu:
Masa nucleului de heliu este de 4,002603 a.m.u.
Masa nucleonilor individuali
Diferența de masă: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) amu = 0,030377 amu, iar energia de legare:
Deoarece: 1 amu \u003d 1,660566 * 10 -27 kg și c \u003d 3 * 10 8 m / s, atunci ∆ E \u003d 0,030377 * 1,660566 * 10 -27 kg * 9 10 / 10 m / ∆ 10 m / s E \u003d 0,030377 * 1,660566 9 10 -11 J.
În fizica nucleară, energia este de obicei exprimată în electronvolți. Deoarece 1 eV = 1,60219 10 -19 J, atunci
Este ușor de observat că fracția
nu depinde de starea problemei. Prin urmare, în viitor, calculele în reacțiile atomice vor fi efectuate după cum urmează:
∆E = ∆m a.m.u. 931 MeV/a.m.u.
Astfel, energia de legare a nucleului unui atom de heliu:
Prin împărțirea energiei totale de legare a nucleului unui atom la numărul de nucleoni din acesta, se poate obține așa-numita energie de legare specifică. Pentru nucleul unui atom de heliu, energia de legare specifică este MeV per nucleon.
Răspuns: energia de legare specifică pentru nucleul unui atom de heliu este de aproximativ 7 MeV per nucleon.
