РАДИОАКТИВНОСТЬ. Строение атома

Вещество состоит из атомов, следовательно, свойства вещества зависят от свойств атомов. К концу XІX столетия в результате различных экспериментов накопилось множество доказательств того, что атомы имеют более сложное строение. Эти представления особенно изменились после открытия электрона Томсоном в 1897 году, а также после экспериментального определения им отношения заряда к массе электрона e/m. B результате объединения этих данных с данными Милликена по определению заряда на одиночной заряженной капельке был найден заряд электрона 1,6·10^-19 кулона. Томсон предложил модель для описания внутренней структуры атома. Эта модель стала известной как модель сливового пирога Томсона. По этой модели атом представляется сферическим положительно заряженным "пирогом" с радиусом 10^-8см, внутри которого находятся отрицательные электроны-"сливы", занимающие определенные равновесные положения. Положительный заряд нейтрального атома равен отрицательному суммарному заряду всех его электронов. Если какое-либо внешнее возмущение выводит электроны из равновесного положения, они начинают совершать колебательные движения подобно шарикам, подвешенным на пружинках. Таким возмущением может быть столкновение атомов или поглощение атомом света. При колебательном движении электронов атом испускает электромагнитное излучение соответствующей частоты.

В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд предложил путь экспериментального исследования структуры атома. Идею Резерфорда можно пояснить, представив мысленно следующий гипотетический эксперимент. Представим себе два одинаковых картонных ящика. Один из ящиков заполнен опилками. В другом по всему объему развешаны стальные шары, суммарный вес которых равен весу опилок в первом ящике. По предположению Резерфорда ящик с шарами можно опознать, стреляя в него пулями из винтовки и изучая траектории пуль, вылетающих из ящика. При стрельбе по этому ящику большинство пуль будет выходить через заднюю стенку ящика, однако пули, попавшие в шары, могут значительно отклонятся от первоначального направления и выходить наружу через боковые стенки ящика. При стрельбе же по ящику, заполненному опилками, пули могут только слегка замедлиться, но отклоняться не будут. По модели Томсона атом представлял собой ящик с опилками, равномерно распределенными по всему объему. Если бы были найдены достаточно мелкие "пули" для исследования атома, то можно было бы проверить предположение Резерфорда.

Хорошо известный теперь эксперимент по "резерфордовскому рассеянию", был проведен Гейгером и Марсденом. Они использовали альфа-частицы, испускаемые радиоактивным источником — радием. Исследовалось рассеяние альфа-частиц на атомах золота. Для этого перед источником устанавливалась мишень в форме листка из тонкой золотой фольги. Толщина мишени не превышала нескольких диаметров атома для исключения двойного рассеяния. Атомный вес золота равен 200, атомный вес альфа-частицы 4. Сзади за мишенью помещался сцинтилляционный экран из сульфида цинка ZnS. Каждый раз, когда альфа-частицы проходили через фольгу и ударялись в экран, они вызывали на экране небольшую вспышку света, которая наблюдалась через микроскоп. Места вспышек на экране показывали, что большинство альфа-частиц проходит через фольгу так, как если бы ее вообще не было. Резерфорд вычислил, что если бы была справедлива модель Томсона, то максимальный угол отклонения альфа-частиц при рассеянии не превышал бы 1/100000 градуса, т.е. практически все альфа-частицы должны пролетать фольгу без отклонения. Однако некоторые частицы отклонялись в сторону, а некоторые отклонялись на угол больше 90° и даже отскакивали назад от фольги. Используя полученные результаты. Резерфорд вычислил, что большая часть массы атома, названная ядром, должна сосредоточиться в размере около 10^-12см, что в 10000 раз меньше, чем размер атома. Согласно модели Резерфорда каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого на расстоянии вращаются электроны. Опыты Резерфорда показали, что атом, подобно нашей Солнечной системе, почти пуст. Чтобы понять масштаб его размеров нужно представить себе атом диаметром в несколько километров, тогда ядро будет величиной с яблоко.

В 1913 году датский физик Нильс Бор, исходя из планетарной модели Резерфорда, разработал первую квантовую теорию атома, в которой впервые применил идею о квантовании физических величин. Бор постулировал, что движение электрона в атоме происходит по определенным стационарным орбитам и не сопровождается излучением энергии (излучение или поглощение имеет место, когда электрон переходит из одной орбиты на другую). Такими "разрешенными" орбитами считались те, для которых момент количества движения электрона равнялся целому числу η (номер орбиты, или главное квантовое число, n=1,2,3...) умноженному на h (постоянная Планка, h= 1,05· 10^-27 эрг. сек). Отсюда Бор определял радиусы "разрешенных" орбит, которые оказались пропорциональными п². Внутренняя орбита с наименьшим диаметром называется К-орбита, следующая, большая L-орбитой и т.д. Частота излучаемого кванта энергии определяется разницей энергий состояний, между которыми происходит квантовый переход.

Хотя боровская модель на сегодня не является исчерпывающей (в дальнейшем модель атома Бора усовершенствовал А.Зоммерфельд, который предположил существование в атоме не только круговых орбит, но и эллиптических), но она поясняет структуру атома с достаточной точностью для нужд радиационной зашиты. Существование характеристического излучения объясняется переходами электронов с верхней орбиты на нижнюю. Так как каждая орбита в атоме имеет строго определенное энергетическое состояние, то разности энергий при переходах электронов будут иметь одни и те же значения для данного конкретного элемента (характеристический спектр для каждого элемента). Измеряя характеристический спектр можно определить элементный состав в образце.

Структура ядра

Ввиду того, что атомное ядро является носителем индивидуальности каждого атома, то, изменив структуру ядра, можно превратить один химический элемент в другой. Эту идею впервые осуществил Резерфорд в 1919 году. Использовав успешно проведенный им эксперимент по рассеянию для исследования структуры атома, он вновь применил этот эксперимент для исследования структуры ядра. При облучении альфа-частицами, испускаемыми ²¹⁴Po, газовой мишени из азота, было замечено, что на каждые 50000 актов взаимодействия регистрируется ядро водорода, которое было предложено назвать протоном. Таким образом, было подтверждено, что протон является, по крайней мере, одной из составных частей ядра.

Принимая во внимание, что уравнения ядерных реакций должны быть сбалансированы подобно химическим уравнениям, стало ясно, что Резерфорд наблюдал новое явление — ядерную реакцию, в результате которой первоначальные ядра и превращаются в другие ядра и , то есть впервые наблюдалось искусственное превращение ядер — расщепление ядра азота на ядро водорода (протон) и ядро кислорода. Реакция может быть записана таким образом:

+ → + (1.7)

Нижние индексы означают атомный номер или количество положительных зарядов в ядре, а верхние индексы — массовое число ядра.

В 1930 году Боте и Беккер при облучении альфа-частицами бериллиевой мишени обнаружили, что из бериллия исходят какие-то лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Проницаемость альфа-частиц, рентгеновских и гамма-лучей, по сравнению с ними была очень малой.

В 1932 году английский физик Дж. Чедвик и французские физики Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри показали, что возникающее при столкновении ядер гелия с ядрами бериллия жесткое излучение представляет собой поток частиц, не имеющих электрического заряда и обладающих массой, почти равной массе протона. Эти частицы были названы нейтронами. Стала понятной высокая проникающая способность нейтрона. Реакцию Боте и Беккера можно записать таким образом:

(1.8)

Это также реакция искусственного превращения ядер — расщепление ядра бериллия на ядро углерода и нейтрон.

С открытием нейтрона было получено достаточно данных о структуре ядра и ядерных реакциях, что позволило понять и объяснить большинство проблем радиационной защиты. Составные частицы ядра и их свойства приведены в таблице 1.3.