Тема 8. Строение атома и атомного ядра. Радиоактивность.

«Атом» по-гречески «неделимый». Однако к концу XIX века физикам стало ясно, что он имеет сложное строение и способен делиться. В начале XX века в науке утвердилась планетарная модель атома, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого, как планеты вокруг солнца, по орбитам вращаются электроны. У нейтрального атома число электронов равно числу положительных зарядов ядра.

Простейшим атомом является атом водорода. У него вокруг ядра вращается один электрон. Размер атома водорода порядка см. Размер ядра в 100000 раз меньше, т.е. 10^{-13 см.}

Между электронами и ядром существует два типа сил взаимодействия: электромагнитные и гравитационные, причём гравитационные пренебрежимо малы из-за малости массы электрона.

Планетарная модель атома не укладывалась в рамки законов классической физики.

Проблема в том, что с точки зрения классической теории, атом водорода должен излучать электромагнитные волны непрерывно изменяющихся частот, т.е. спектр излучения водорода должен быть сплошным.Излучая всевозможные частоты, атом непрерывно теряет энергию. Поэтому электрон, двигаясь по спирали вокруг ядра и приближаясь к нему, должен в конце концов упасть на ядро. Атом водорода должен прекратить своё существование за доли секунды. Между тем известно, что спектр излучения атома водорода линейчатый, а сам атом стабилен.

Чтобы устранить возникшие противоречия, датский физик Бор создал квантовую гипотезу строения атома водорода. Она основывается на трёх постулатах (постулаты Бора).

1. Электрон в атоме может двигаться не по любым орбитам, а только по стационарным орбитам, которые разрешены главным квантовым

числом n (n=1;2;3;4;5;6.)

2. Пока электрон движется по стационарным орбитам, атом неизлучает и непоглощает энергию.

3. Если электрон перескакивает с одной стационарной орбиты на другую, то атом излучает или поглощает квант (фотон), энергия которого равна разности энергий стационарных состояний, т.е.

или ,

где и – частота и длина волны,

с=3 ^. 10⁸ - скорость электромагнитных волн,

h=6,625 ^. 10^-34 Дж ^. с – постоянная Планка,

- энергии атома в стационарных состояниях, которые заданы квантовыми числами n=1 и n=2.

Самый устойчивый энергетический уровень тот, что ближе к ядру. Для него n=1. Когда на нём находится электрон, запас энергии атома наименьший. При поглощенииатомом кванта (фотона) электрон спонтанно (самопроизвольно) перескакивает на удалённый от ядра уровень. При возвращении электрона с удалённого уровня на ближний к ядру атом излучает фотон.

Атом с электроном на нижнем уровне называют нормальным (невозбуждённым). Атом с электроном на удалённом от ядра уровне называют возбуждённым. Энергия возбуждённого атома больше энергии нормального. Возбуждённый атом нестабилен. Он «сваливается» в нормальное состояние, излучая фотон. Это излучение самопроизвольное или спонтанное.

Кроме самопроизвольного (спонтанного) излучения существует вынужденное(индуцированное) излучение, которое осуществляется в оптических квантовых генераторах – лазерах.

Лазерное излучение дают не атомы водорода, а более сложные атомы с большим числом электронов. Лазеры бывают кристаллические, газовые и жидкостные.

Принцип работы лазера следующий. Атомы рабочего вещества лазера сначала возбуждают, переводя их с нормального уровня (1) на возбуждённый (3). С этого уровня (3) они через очень короткое время самопроизвольно перескакивают на метастабильный промежуточный уровень(2), где могут находиться долго. Но если рядом извне пролетит фотонс энергией ( ), то он спровоцирует лавину фотонов, потому что все атомы с уровня обрушатся на уровень . Это и есть индуцированное излучение лазера. Оно оказывается пространственно когерентным, мощным, ярким и с малой угловой расходимостью (10^-4рад). Эти свойства обеспечивают широкое применение лазера в науке и практике.

Лазер можно использовать в термоядерных реакциях, т.к. он может доводить плазму до нужной температуры. Им сверлят сверхтвёрдые материалы. Он ускоряет химические реакции, помогает исследовать внутриклеточные структуры. Лазер используют как хирургический инструмент. Луч лазера разрушает онкологические опухоли, он приваривает отслоившуюся сетчатку глаза и т. д.

Принцип работы лазера

Ядро атома состоит из нуклонов(протонов и нейтронов). Протоны – положительно заряженные частицы. Нейтроны не имеют электрического заряда. Масса протона приблизительно равна массе нейтрона.

Обозначим число протонов в ядре Z, а число нейтронов N, массу ядра А.

А – означает также число нуклонов, тогда:

A=Z+N.

С помощью этой формулы можно определить число протонов и нейтронов в ядре.

Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, называютизотопами. Например, существуют изотопы урана и . Их ядра содержат Z=92 протона и N₁=235-92=143, N₂=238-92=146 нейтронов.

Из электродинамики известно, что одноимённые заряды отталкиваются. Казалось бы, протоны, отталкиваясь друг от друга, должны разлететься и ядро существовать не сможет. На самом деле существует множество стабильных ядер. Нуклоны в ядре удерживаются благодаря сильному взаимодействию, которое проявляется на малых расстояниях в пределах размера ядра, т.е. 10^-13см. Самыми устойчивыми являются ядра лёгких элементов Периодической системы, состоящие из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов. Ядра тяжёлых элементов, перегруженные нейтронами, нестабильны и могут самопроизвольно распадаться. Самопроизвольный распад ядер называется естественной радиоактивностью. Радиоактивность также бывает искусственной.

Распад ядра сопровождается тремя видами радиоактивных излучений –

α, β, γ.

α – излучение – это ядра гелия (они имеют положительный заряд)

β – излучение – это поток электронов, т.е. заряд отрицательный

γ – излучение – поток фотонов, которые не имеют заряда, т.к. это электромагнитные волны.

Заряженные частицы отклоняются электрическим и магнитным полем.

Наибольшую проникающую способность имеет γ– излучение. Оно задерживается слоем свинца толщиной 5см.

α– излучение задерживает листок тонкой бумаги или биологическая ткань толщиной 0,12мм.

Электроны в состав ядра не входят. Откуда тогда берётся β – излучение? Оно получается благодаря превращению частиц внутри ядра, когда нейтроны превращаются в протоны.

Взаимное превращение – это свойство элементарных частиц. Между элементарными частицами существует слабое взаимодействие, которое проявляется на расстояниях, меньших размеров ядра(~10^-15см).

В природе существует четыре вида фундаментального взаимодействия:

1) гравитационное;

2) электромагнитное;

3) сильное;

Слабое.

Гравитационное – это взаимодействие масс по закону всемирного тяготения. Оно существует между всеми телами и частицами.

Электромагнитное – существует только между заряженными телами (частицами).

Сильное – между ядерными частицами в пределах ядра.

Слабое – между всеми частицами (кроме фотонов) на расстояниях, меньших размера ядра.

При радиоактивном распаде количество целых (не распавшихся) ядер с течением времени убывает по закону:

N=N₀ ^. e^–λt - формула закона радиоактивного распада,

где N₀ – количество целых ядер в момент времени t=0.

N – количество оставшихся целыми ядер для момента t.

e – основание натурального логарифма (е=2,73…).

λ – постоянная распада.

Время, за которое половина ядер распадается, а половина остаётся, называется периодом полураспада Т (см. график)

Постоянная распада:

- среднее время жизни ядра

Число ядерных распадов за 1 секунду называют активностью химического элемента α.

α = N ^. λ или α = α

В СИ единица активности 1 Кюри (сокращённо 1 Ки)

1Ки=3,7 ^.10¹⁰

Превращение ядер одних химических элементов в другие происходит в результате ядерных реакций, при которых выполняются два закона:

1) закон сохранения массового числа A;

2) закон сохранения зарядового числа Z.

Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами (сильное взаимодействие). Для полного разобщения нуклонов надо затратить энергию, которую называют энергией связи ядра ΔЕ_св.

ΔЕ_св.= Δm ^. c² – формула энергии связи ядра

где с =3 ^. 10⁸ - скорость электромагнитного излучения в вакууме,

Δm – дефект массы ядра.

Дефект массы Δm ядра равен разности суммы масс нуклонов, составляющих ядро, и массы самого ядра:

Δm=Zm_p+(A-Z)m_n-m_я

При распаде тяжёлых ядер энергия связи выделяется. При синтезе лёгких ядерона выделяется тоже. Энергия связи выделяется в ядерных реакторах и при взрыве ядерного заряда или термоядерного заряда.

Рассмотрим биологическое действие радиоактивных излучений.

К радиоактивным излучениям относят: α,β,γ, рентгеновское излучение, протоны и ионы тяжёлых элементов. Его называют также ионизирующим излучением, т.к., проходя через живую ткань, оно вызывает ионизацию атомов. Характер действия ионизирующего излучения зависит от дозы поглощённого излучения и его вида.

Доза поглощённого излучения Д равна отношению энергии излученияЕ_u, поглощённой телом, к массе этого тела m.

Единица дозы поглощённого излучения в СИ называется 1 Грей.

1 Гр = 1

При одной и той же дозе Д разные виды излучения вызывают неодинаковый биологический эффект.

Различие биологического эффекта разных видов излучения характеризуют коэффициентом относительной биологической активности (КОБА) или коэффициентом качестваК. Коэффициент качества рентгеновского и гамма излучений принят за единицу К=1. (см. таблицу)

Таблица

Коэфф. качества	Рентген и γ-излучен.	Электроны β	Нейтроны	Протоны	α-частицы
медлен.	быстрые
К		1-1,5	3-5

Для оценки действия излучения на живые организмы введена эквивалентная доза поглощённого излученияH.

Эквивалентная доза поглощённого излучения равна произведению дозы поглощённого излученияДи коэффициента качестваК:

Н=Д ^. К

Единицей эквивалентной дозы является 1 Зиверт (1 Зв.).