Изотопы и изобары. Составление уравнений ядерных реакций
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
Химический элемент однозначно характеризуется атомным номером Z
, совпадающим с числом протонов в ядре.
Ядро с данным числом протонов Z
может иметь разное число нейтронов N
. Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. Конкретное ядро с данными Z, N
называется нуклидом.
Массовым числом называется полное число нуклонов в ядре: A = Z + N
.
Так как массы протонов и нейтронов очень близки (mn/mp = 1,0014
)
Ядерные силы. Существование ядер возможно только в том случае, если между нуклонами действуют силы особой природы, противодействующие электростатическому отталкиванию протонов и сжимающие все нуклоны в малой области пространства. Такие силы не могут иметь ни электростатическую природу (наоборот, эти силы должны сильно притягивать протоны), ни гравитационную природу (численно сила гравитационного притяжения слишком мала, чтобы воспрепятствовать значительному электростатическому отталкиванию). Эти новые силы получили название ядерных сил, а порождающее эти силы взаимодействие называется сильным.
Экспериментально установлены следующие свойства ядерных сил.
1. Эти силы одинаковы по величине, независимо от того, действуют ли они между двумя протонами, протоном и нейтроном или двумя нейтронами (зарядовая независимость ядерных сил).
2. Эти силы имеют короткодействующий характер, т.е. обращаются в нуль, если расстояние между нуклонами превышает размер ядра.
3. В области действия ядерных сил эти силы очень велики (по сравнению с электромагнитными или, тем более, гравитационными силами) и являются силами притяжения вплоть до расстояний порядка R0 , где они сменяются силами отталкивания. Таким образом, нуклоны в ядрах удерживаются в области пространства радиусом R > R0 , однако атомные ядра невозможно сжать до меньших размеров.
Изотопы – атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа
Атомы изотопов одного элемена имеют одинаковое число протонов, и отличаютсядруг от друга числом нейтронов
например: водород имеет три изотопа: протий 1 1 Н, дейтирий 2 1 Н, тритий 3 1 Н
Изобары - нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются 40 Ar, 40 K, 40 Ca.
Билет 11. Природа и виды внутримолекулярной химической связи. Примеры соединений с различными видами хим.связи
Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную.
Ионная химическая связь - это связь, образовавшаяся за счет электростатического притяжения катионов к анионам.
Ковалентная химическая связь - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи рассмотрим на классическом примере образования иона аммония NH4+:
Металлическая связь
Связь в металлах и сплавах, которую выполняют относительно свободные электроны между ионами металлов в металлической кристаллической решетке, называют металлической.Такая связь ненаправленная, ненасыщенная, характеризуется небольшим числом валентных электронов и большим числом свободных орбиталей, что характерно для атомов металлов. Схема образования металлической связи (М - металл):
_
М 0 - nе <-> М n+
Водородная связь
Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов, имеющих неподеленные электронные пары другой молекулы (или ее части), называют водородной.
В биополимерах - белках (вторичная структура) имеется внутримолекулярная водородная связь между карбонильным кислородом и водородом аминогруппы.
Молекулы полинуклеотидов - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляют собой двойные спирали, в которых две цепи нуклеотидов связаны друг с другом водородными связями. При этом действует принцип комплементарности, то есть эти связи образуются между определенными парами, состоящими из пуринового и пиримидинового оснований: против аденинового нуклеотида (А) располагается тиминовый (Т), а против гуанинового (Г) - цитозиновый (Ц).
Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.
Билет 12. основные положения метода ВС на примере образования катиона NH 4
Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ
Лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер.
Строение атома. Элементарные частицы. Виды радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада.
1. Строение атома.
Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона . Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.
В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.
Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т. д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а. е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода (12С).
1 а. е.м. = 1,67*10-27 кг
Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.
1эВ = 1,602*10-19Кл
Кроме этого массу часто выражают в энергетических эквивалентах (это энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а. е.м., составляет 931,5МэВ (106 эВ).
Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон . Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.
Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером . Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (АZX).
Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы:
Ядерные силы.
Протоны и нейтроны внутри атомного ядра удерживаются ядерными силами . Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра. Установлено, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра, из чего следует, что для разделения ядра на его составляющие нужно затратить энергию. Минимальная энергия, необходимая для этого называется энергией связи ядра .
Такая же картина наблюдается, если сложить массы нуклонов, составляющих ядро атома. Расчетная масса ядра окажется больше фактической масса ядра. Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.
Ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у нуклонов, действуют только на очень малых расстояниях (10-13см) и с увеличением расстояния между ядерными частицами очень быстро ослабевают.
Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.
Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы π-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные π-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.
Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а. е.м. или 938,27 МэВ.
Число протонов в ядре (атомный номер ) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.
Нейтрон ( n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а. е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента (1).
Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а. е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10-28кг. Энергетический эквивалент а. е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10-19Кл.
Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P, Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:
m=2 n2 ,
где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее.
Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.
Переход отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии (поглощается или испускается квант энергии). Согласно постулатам Бора атомная система находится в стационарном состоянии, которое характеризуется определенной энергией. Бесконечно долго каждый атом может находиться только в стационарном состоянии с минимальной энергией, которое называется основным или нормальным . Все остальные стационарные состояния атома с большими энергиями называются возбужденными . Переход электрона с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра (с большей энергией) называется процессом возбуждения .
В результате соударения с другими атомами, с любой заряженной частицей или при поглощении фотона электромагнитного излучения атом может перейти из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает с. Из любого возбужденного состояния атом самопроизвольно переходит в основное состояние, этот процесс сопровождается излучением фотонов (квантов). В зависимости от разности энергий атома в двух состояниях, между которыми совершается переход, испускаемый квант электромагнитного излучения может принадлежать диапазону радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.
При сильных электрических воздействиях электроны могут вырываться за пределы атома. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией . В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.
Изотопы, изотоны, изобары.
Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами . Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице, но разное массовое число (3919К, 4019К, 4119К). Поскольку заряды ядер этих атомов одинаковые, элементарные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам. Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь изотопов. Обычно в смеси изотопов одного определенного элемента преобладает один изотоп, а остальные составляют только небольшой процент (например, калий состоит из: 39К – 93,08%; 40К – 0,0119%; 41К – 6,91%) (4).
Чтобы отличить изотопы одного химического элемента друг от друга, перед названием элемента сверху приписывают массовое число, равное сумме всех частиц ядра данного изотопа, а снизу – заряд ядра (число протонов), соответствующий порядковому номеру элемента в таблице. Так, наиболее распространенный в природе легкий водород 11Н (протий) содержит 1 протон, редко встречающийся среди атомов водорода 21Н (дейтерий) -1 протон и 1 нейтрон, а никогда не встречающийся в природе 31Н (тритий) – 1 протон и 2 нейтрона (тритий получают искусственным путем, облучая дейтерий медленными нейтронами) (4).
Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные ) изотопы . К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами . В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных.
Условие устойчивости атомных ядер: устойчивыми являются лишь те из атомных ядер, которые обладают минимальной энергией по сравнению со всеми ядрами, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.
Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами . Например 136С имеет шесть протонов и семь нейтронов, 147N имеетсемь протонов и тоже семь нейтронов.
Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т. е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами .
Например: 104Be, 105B, 106C и т. д.
Различие в энергии атомных ядер изобаров определяется наличием у протонов электрического заряда и существованием различия в массах протона и нейтрона. Так ядра, содержащие значительно больше протонов, чем нейтронов, оказываются нестабильными, так как обладают избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра же, имеющие больше нейтронов, чем протонов, нестабильны из-за того, что масса нейтрона больше массы протона, а увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии. От избыточной энергии ядра могут освобождаться двумя путями:
1. путем самопроизвольного деления ядер на более устойчивые части;
2. путем самопроизвольного изменения заряда ядра на единицу (превращение протоны в нейтрон или нейтрона в протон).
Элементарные частицы.
Элементарные частицы не являются молекулами, атомами или ядрами. Они имеют радиус (R) равный 10-14 – 10-15м и энергию (W) около 106 – 108 эВ. Сейчас общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны или квазистабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это электроны , входящие в состав атомов, их античастицы – позитроны ; протоны и нейтроны , входящие в состав атомных ядер; фотоны γ, являющиеся квантами электромагнитного поля. Сюда же можно отнести электронные (анти)нейтрино νе, рождающиеся в процессах бета-превращений и в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории. К ним относятся мюоны (мю-мезоны) μ– – тяжелый аналог электрона (mμ ≈ 200mе) зарегистрированы в космических лучах; пионы (пи-мезоны) π+, π0, π– – переносчики ядерного взаимодействия и другие.
У каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением «тильды» над ним. Массы, время жизни и спины частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку.
2. Виды радиоактивного распада.
Радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением . Само явление носит название радиоактивный распад .
Радиоактивные превращения, происходящие в природе, называются естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), - искусственной радиоактивностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.
Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват (К-захват), внутренняя конверсия, деление ядер.
Альфа-распад – это самопроизвольное деление неустойчивого атомного ядра на α-частицу (ядро атома гелия 42Не) и ядро-продукт (дочернее ядро).При этом заряд ядра продукта уменьшается на 2 положительные единицы, а массовое число на 4 единицы. При этом образующийся элемент-продукт смещается влево относительно исходного на две клетки периодической системы:
Альфа-радиоактивными являются практически все (за редким исключением) ядра атомов элементов с порядковым номером 82 и больше (те, что в периодической таблице стоят за свинцом 82Pb). Альфа-частица, вылетая из ядра, приобретает кинетическую энергию порядка 4-9 МэВ.
Бета-распад – это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер с испусканием β-частицы, при котором их заряд изменяется на единицу. В основе этого процесса лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям.
Если в ядре имеется излишек нейтронов («нейтронная перегрузка» ядра), то происходит электронный β- - распад , при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино (массовое и зарядовое число которой равно 0).
10n → 11p + e – + ν – || AZX → AZ+1Y + β – + ν – +Q || 4019K → 4020Ca + β – + ν – + Q.
При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу (элемент сдвигается в периодической системе на один номер вправо от исходного), а массовое число остается без изменений. Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.
Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный (β+ ) распад , при котором ядро испускает позитрон (частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:
11p → 10n + e+ + ν+ || AZX → AZ-1Y + β+ + ν+ +Q || 3015P → 3014Si + β+ + ν+ +Q
Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе на один номер левее от исходного, массовое число остается без изменения. Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов.
Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е+ и е-) по 0,511 МэВ. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два γ-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение – аннигиляционное . Таким образом, при позитронном распаде за пределы материнского атома влетают не частицы, а два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ.
Энергетический спектр β-частиц любого бета-источника является непрерывным (от сотых долей МэВ – мягкое излучение, до 2-3 МэВ – жесткое).
Электронный захват – самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд уменьшается на единицу за счет захвата одного из орбитальных электронов и превращения протона в нейтрон.
Это происходит, если в ядре имеется излишек протонов, но недостаточно энергии для позитронного распада. Один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему К-слоя (К-захват) или реже L-слоя (L-захват) и превращается в нейтрон с испусканием нейтрино. При этом дочерний элемент, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе на одну клетку влево от исходного.
11p + 0-1е → 10n + ν+ || AZX + 0-1е → AZ-1Y + ν+ + hν || 12352Te + 0-1е → 12351Sb + ν+ + hν
На освободившееся место в К-слое перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего со следующего слоя и т. д. Каждый переход электрона со слоя на слой сопровождается выделением энергии в виде квантов электромагнитного излучения (рентгеновского диапазона).
Позитронный распад и электронных захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов (4).
Деление ядер – это спонтанное деление ядра, при котором оно, без какого либо внешнего воздействия, распадается на две, как правило, неравные части. Так ядро урана может делиться на ядра бария (56Ва) и криптона (36Kr). Этот тип распада характерен для изотопов элементов стоящих в периодической системе за ураном. Под действием сил электростатического отталкивания одноименных зарядов ядра-осколки приобретают кинетическую энергию порядка 165 МэВ и разлетаются в разные стороны с огромными скоростями.
Внутренняя конверсия . Возбужденное ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L-, или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Затем один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.
3. Закон радиоактивного распада.
Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Радиоактивный распад идет непрерывно, скорость этого процесса и его характер определяются строением ядра. Поэтому на этот процесс нельзя повлиять никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Кроме того, распад носит вероятностных характер, то есть нельзя точно определить, когда и какой именно атом распадется, но в каждый промежуток времени распадается в среднем какая то определенная часть атомов.
Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоянная радиоактивного распада λ для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадется в единицу времени. Постоянную распада выражают в обратных единицах времени с-1, мин-1, ч-1 и т. д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер со временем убывает, а не растет.
Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавливает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.
Математическое выражение этого закона, описывающее процесс убывания количества радиоактивных ядер со временем, отображается следующей формулой:
Nt = N0e-λ t , (Nt = N0e-0,693t/Т ) (1),
где, Nt – число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени;
N0 – исходное число радиоактивных ядер в момент времени t=0;
λ – постоянная радиоактивного распада (=0,693/Т);
Т – период полураспада данного радиоизотопа.
Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике пользуются периодом полураспада.
Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т и выражается в единицах времени.
Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от долей секунды до миллионов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различным периодом полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) – 13153I (8,05 суток), 21484Po (1,64*10-4сек.) и долгоживущие (годы) – 23892U (T=4.47 млрд. лет), 13755Cs (30 лет), 9038Sr (29 лет).
Между периодом полураспада и постоянной распада существует обратная зависимость, т. е. чем больше λ, тем меньше Т, и наоборот.
Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой (Рис. 2.1.). Как видно из рисунка, с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаюсь к нулю [ и др., 1999].
Рис. 2.1. Графическое изображение закона радиоактивного распада.
Активность радиоактивного элемента равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного вещества, тем выше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т. е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность.
В системе СИ единицей активности является беккерель (Бк) – распад в секунду (расп/с). Наряду с Бк используется внесистемная единица – кюри (Ки). 1Ки – это активность любого радиоактивного вещества (изотопа) в котором происходит 3,7*1010 актов распада в секунду. Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия.
1Ки = 3,7*1010 Бк; 1мКи = 37МБк 1мкКи = 37 кБк
Активность любого радиоактивного препарата по истечении времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:
At = A0е-0,693 t/Т (2),
где At – активность препарата через время t;
А0 – исходная активность препарата;
е – основание натуральных логарифмов (е=2,72);
t – время, в течение которого распадался радиоизотоп;
Т – период полураспада; значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (мин., сек., часы, дни и т. д.).
(Пример: Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на определенный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента через неделю. Период полураспада Т элемента 32Р составляет 14,3 дня. Активность 32Р через 7 суток. At = 5 * 2,720,693*7/14,3 = 5 * 2,720,34 = 3,55 мКи).
Единицы кюри (Ки) для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этих целей введена другая единица – эквивалент 1 мг радия (мг-экв. радия). Миллиграмм-эквивалент радия – это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона радия РФ при использовании платинового фильтра толщиной 0,5 мм. Единица миллиграмм-эквивалент радия не установлена существующими стандартами, но широко используется на практике.
Точечный источник в 1мг (1мКи) радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации через платиновую пластину толщиной 0,5 мм создает в воздухе на расстоянии 1см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эту величину называют ионизационной гамма-постоянной радия и обозначают буквой Кγ . Гамма-постоянная радия принята за эталон мощности дозы излучания. С ней сравнивают Кγ всех других гамма-излучателей. Существуют таблицы гамма-постоянных для большинства радиоактивных изотопов.
Так, гамма-постоянная 60Со составляет 13,5 Р/ч. Сравнение гамма-постоянных радия и 60Со показывает, что 1 мКи радионуклида 60Со создает дозу излучения, в 1,6 раза большую, чем 1 мКи радия (13,5/8,4=1,6). Иначе говоря, по создаваемой дозе излучения в воздухе 1 мКи радионуклида 60Со эквивалентен 1,6 мКи радия, т. е. гамма-излучение, испускаемое препаратом 60Со активностью 0,625 мКи, создает такую же дозу излучения, что и 1 мКи радия.
Гамма-эквивалент М изотопа связан с его активностью А (мКи) через ионизационную гамма-постоянную Кγ соотношениями:
М = АКγ/8,4 или А = 8,4М/Кγ (3),
которые позволяют перейти от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в мКи и наоборот.
РАЗМЕРЫ ЯДЕР
Первое измерение размеров ядра было выполнено Резерфордом в 1911 году по рассеянию альфа- частиц на ядрах. В дальнейшем были разработаны и другие методы измерений размеров ядра, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) атомными ядрами.
При анализе опытов по рассеянию заряженных частиц или по поглощению нейтронов под радиусом ядра понимается такое расстояние от его центра, на котором помимо сил кулоновского отталкивания, начинают действовать специфические ядерные силы, вызывающие притяжение частицы к ядру . Проведенные измерения показали, что ядра атомов всех элементов имеют размеры порядка 10 -15 ?10 -14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома. Все упомянутые методы позволяют определить то расстояние R от центра ядра, в пределах которого действуют ядерные силы.
R=r 0 МA 1/3 , (2.3)
где А - число нуклонов в ядре, r 0 - постоянная величина равная (1,2-1,5) М10 -15 м. Если считать, что объем ядра приблизительно равен
тогда объем V пропорционален массовому числу -A, стало быть, плотность ядра является константой =A/V, т. е. плотности всех ядер примерно одинаковы. Это указывает на практическую несжимаемость ядерного вещества и плотную упаковку нуклонов в ядре.
ИЗОТОПЫ, ИЗОБАРЫ, ИЗОТОНЫ
Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.
Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” (число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,
В зависимости от содержания нуклонов нуклиды могут быть объединены в различные группы: изотопы, изобары, изотоны.
Изотопными нуклидами (изотопами) называются нуклиды, имеющие одинаковое число протонов. Они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Так, например, изотопы
являются изотопами одного и того же элемента урана (Z= const).
Поскольку изотопы имеют одинаковое число протонов и одинаковое строение электронных оболочек, то они являются атомами близнецами- их химические свойства практически совпадают. Исключение составляют изотопы водорода - протий Н, дейтерий D, тритий Т, которые из-за слишком большого относительного различия атомных масс существенно отличаются по физико-химическим свойствам (таблица 2.1).
Таблица 2.1 Сравнение свойств обычной и тяжелой воды
Химические превращения с тяжелым водородом происходят медленнее, чем с его легким изотопом.
Изотонными нуклидами (изотонами) называют нуклиды с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов. Примеры изотонов: Са и Тi, которые относятся к разным нуклидам. Термин этот употребляется крайне редко.
Изобарами называют разновидность нуклидов, ядра которых имеют разное число и протонов и нейтронов, но имеют одинаковое число нуклонов. Пример изобаров: Тi и Са.
Поэтому можно сказать, что нуклиды с одинаковым числом протонов- это разные изотопы одного элемента; нуклиды с одинаковым числом нуклонов- это изобары; нуклиды с одинаковым числом нейтронов - изотоны.
Атом – одноядерная, неделимая химическим путем частица химического элемента, носитель свойства вещества.
Вещества состоят из атомов. Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью определяется размером его электронного облака, поскольку размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером электронного облака. Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов и N нейтронов, которые не несут на себе заряд. Таким образом, заряд ядра определятся только количеством протонов и равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами (заряд электрона -1 в условных единицах), которые формируют электронное облако. Количество электронов равно количеству протонов. Массы протонов и нейтронов равны. Масса атома определятся массой его ядра, поскольку масса электрона примерно в 1850 раз меньше массы протона и нейтрона и в расчетах редко учитывается.
Нуклиды – вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.
Нуклиды делятся на стабильные и радиоактивные (радионуклиды, радиоактивные изотопы). Стабильные нуклиды не испытывают спонтанных радиоактивных превращений из основного состояния ядра. Радионуклиды путём радиоактивных превращений переходят в другие нуклиды. В зависимости от типа распада, образуются либо другой нуклид того же самого элемента, либо нуклид другого элемента с тем же массовым числом, либо два или несколько новых нуклидов.
Среди радионуклидов выделяются короткоживущие и долгоживущие. Короткоживущие радионуклиды либо являются членами природные радиоактивных рядов, либо непрерывно образуются в результате ядерных реакций, вызываемых космическим излучением. Радионуклиды, существующие на Земле с момента её формирования, часто называют природными долгоживущими , или примордиальными радионуклидами; такие нуклиды имеют период полураспада. Для каждого элемента были искусственно получены радионуклиды; для элементов с атомным номером (т. е. числом протонов), близким к одному из «магических чисел», количество известных нуклидов может доходить до нескольких десятков. Наибольшим количеством известных нуклидов – 46 – обладает ртуть.
Изотопы – разновидности атомов какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов.
Изобары – нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются 40 Ar, 40 K, 40 Ca.
Число нуклонов (массовое число) A = N + Z в ядрах-изобарах одинаково, значит, числа протонов Z и нейтронов N различаются: Z 1 ≠ Z 2 , N 1 ≠ N 2. Совокупность нуклидов с одинаковым A, но разным Z называют изобарической цепочкой.
Радиоактивные семейства (ряды) – генетически связанные последовательным радиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения.
Характеристика основных видов ионизирующего излучения. Единицы радиоактивности. Закон радиоактивного распада. Период радиоактивного распада. Понятие об единицах радиоактивности. Дозовые поля облучения.
Ионизирующее излучение - это излучения, взаимодействие которых с веществом вызывает или приводит к образованию в этой среде ионов.
Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными .
Различные виды ионизирующих излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают различной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма.
Источники радиации бывают искусственными , созданными человеком, и естественными , присутствующими в природе, и не зависящими от человека. Полностью освободиться от воздействия естественных источников радиации космического и земного происхождения практически невозможно.
Опасность ионизирующего излучения ожидает человека не только из окружающей среды, т.е. при внешнем облучении, но внутри него самого, если источники ионизирующего излучения попали при дыхании, питье воды и потреблении пищи внутрь. Такое облучение называется внутренним .
Установлено, что из всех естественных источников радиации наибольшую опасность представляет радон – невидимый тяжелый газ без вкуса и запаха. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация существенно различается для различных точек земного шара. Основное излучение от радона человек получает, находясь в закрытом, изолированном, непроветриваемом помещении.
При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа, бета и гамма.
Альфа-излучение задерживается небольшими препятствиями и практически не
способно проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма. Пути проникновения могут быть разными: через открытую рану, с пищей, водой, с вдыхаемым воздухом или паром. В этом случае они становятся чрезвычайно опасными.
Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-частицами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются позитроны . Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону.
Единицы измерения радиоактивности – это единицы измерения активности радиоактивных элементов в препаратах и в различных средах. Активность радиоактивного препарата в международной системе единиц (СИ) измеряется числом атомов распада в секунду (расп/сек). Допускается применение внесистемных единиц: расп/мин и кюри. Для смеси нескольких радиоактивных элементов (или изотопов) указывается активность каждого из них. Удельная активность измеряется в:
расп/сек ∙ м 3 или расп/сек ∙ кг (внесистемные единицы: Ки/см 3 , Ки/г). С единицами радиоактивности тесно связаны единицы радиоактивных излучений, характеризующие выход излучений из источника и их поле. В этих единицах в системе СИ – измеряются плотность потока частиц – частица/сек ∙ м 2 ; интенсивность излучения – Вт/м 2 , поглощенная доза излучения – Дж/кг; мощность поглощенной дозы излучения – Вт/кг; экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучений – Кл/кг; мощность экспозиционной дозы рентгеновского и γ-излучений – А/кг.
Закон радиоактивного распада – физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией.
Радиоактивный распад – спонтанное изменение состава (заряда Z, массового
числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие ядра (нуклиды, изотопы и химические элементы) радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.
Радиоактивность – неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения – радиацией.
Воздействие радиации на человека называют облучением . Причиной воздействия является передача энергии излучения клеткам организма. Облучение вызывает нарушение обмена веществ, лейкоз и злокачественные опухоли, изменение структуры клеток, лучевое бесплодие, лучевую катаракту, лучевой ожог, лучевую болезнь.
Последствия облучения сильнее сказываются на делящихся клетках, в связи с чем, для детей облучение гораздо опаснее, чем для взрослых.
Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.
Дозовые поля облучения – величина, используемая для оценки степени воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, живые организмы и их ткани. Единица экспозиционной дозы в системе СИ – кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1 кг, производят в воздухе ионы, несущие электрический заряд каждого знака 1 Кл.
В рентгенах измеряют количество генерированного излучения или экспозиционную дозу.
Единица поглощенной дозы в системе СИ – грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж.
6. Радиоактивные превращения. Взаимодействие ˠ-квантов с веществом. Альфа и бета распад радионуклидов. Понятие о РИР и ПИР.
Радиоактивные превращения – самопроизвольные превращения одних ядер в другие ядра. Радиоактивные превращения сопровождаются испусканием различных частиц. Видами радиоактивных превращений являются альфа-распад и бета-распад.
Альфа-распад – вид самопроизвольного радиоактивного превращения тяжелых атомных ядер, который сопровождается испусканием альфа-частиц из ядра. В результате альфа-распада исходный элемент смещается на два номера к началу периодической системы Менделеева.
Бета-распад – тип радиоактивного превращения нестабильных атомных ядер, обусловленный слабым взаимодействием и связанный со взаимным превращением нейтронов и протонов в атомных ядрах. Различают: 1) бета-минус-распад, при котором из ядра вылетает электрон и заряд ядра увеличивается на единицу; 2) бета-плюс-распад, при котором из ядра вылетает позитрон и заряд ядра уменьшается на единицу.
Гамма- и рентгеновское излучения представляют собой электромагнитные волны. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии заряженных частиц с атомами вещества, а гамма-излучение испускается при переходе атомных ядер из возбуждённых состояний в состояние с меньшей энергией. Длина волны гамма-излучения обычно менее 0,2 нанометров. Для этих видов излучения не существует понятий пробега, потерь энергии на единицу пути. Гамма-лучи, проходя через вещество, взаимодействуют как с электронами, так и с ядрами атомов среды (вещества). В результате взаимодействия интенсивность лучей уменьшается.
Поглощение гамма-квантов веществом обусловлено в основном тремя процессами: фотоэффектом, комптоновским рассеянием и рождением в кулоновском поле ядра электрон-позитронных пар.
Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-
Согласно протонно-нейтронной теории ядер, изотопами называют разновидности атомов с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов в ядрах; изобарами - разновидности атомов с различным числом протонов и нейтронов, но одинаковым числом нуклонов. (Такие атомы следовало бы, по предложению С. А. Щукарева, называть изонуклонами, так как при одинаковом массовом числе истинные массы двух изобаров не равны друг другу.)
В 1906 г. были открыты первые радиоактивные изотопы 230 90 Тh и 232 90 Тh, в 1919 г. удалось экспериментально доказать наличие устойчивых изотопов у неона - 20 10 Ne и 22 10 Ne. С каждым годом число открытых изотопов возрастало: в 1921 г. их было известно уже 243, а в настоящее время - свыше 1500 (из которых только 272 являются устойчивыми или стабильными изотопами).
В соответствии с числом протонов, входящих в состав ядра, все элементы можно разделить на четные и нечетные по Z (Z чет и Z нечет). Так как в состав ядер входят также нейтроны, а число их равно или больше числа протонов, т. е. оно может быть также четным или нечетным, то, следовательно, и массовые числа А(= Z + N) могут принимать четные и нечетные значения. Отсюда следует, что возможны четыре варианта ядер атомов:
Так возникло представление о четных типах ядер. Оказалось, что наиболее устойчивыми являются ядра с Z4eT и особенно те, для которых Z чет и А чет - это так называемые четно-четные ядра (с четным Z и четным N). Менее прочными являются ядра с A нечет. Это четно-нечетные ядра (с четным Z и нечетным N) и нечетно-четные (с нечетным Z и четным N). Наименьшей прочностью обладают нечетно-нечетные ядра (с нечетным Z и нечетным N). Известно всего 4 устойчивых нечетно-нечетных ядра: 2 1 Н, 6 3 Li, 10 5 B и 14 7 N.
Из 42 нечетных по Z элементов (до 83-го включительно) два не имеют устойчивых изотопов (43 Тс, 61 Pm), четырнадцать имеют по два устойчивых изотопа, а все остальные - только по одному устойчивому изотопу, причем все устойчивые изотопы характеризуются нечетным массовым числом, кроме четырех изотопов: 2 Н, 6 Li, 10 B и 14 N. Таким образом, нечетные Z элементы являются в основном моноизотопными, состоящими из одного устойчивого изотопа.
Для 41 четного по Z элемента (до 82) известно 213 устойчивых изотопа, причем только один элемент моноизотопен (9 Ве), а все остальные - полиизотопны и имеют от 2 до 10 изотопов (например, у 50 Sn десять устойчивых изотопов с А = 112 ÷ 124). Элементы с четным А имеют 162 устойчивых изотопа, с нечетным - 51.
Устойчивость изотопов определяется отношением квадрата порядкового номера к массовому числу Z 2 /A. Если (Z 2 /A) > 33, то у элемента нет ни одного устойчивого изотопа. Таковыми являются элементы с Z = 84 ÷ 105; у них все изотопы радиоактивны. Последний элемент, для которого еще известен устойчивый изотоп, - это элемент с Z = 83, т. е. висмут - 209 83 Вi.
Для каждого отдельного элемента существует оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов
при котором возможно существование устойчивых изотопов: за пределами этого отношения при избытке протонов и недостатке нейтронов известны β + -радиоактивные изотопы, а при избытке нейтронов и недостатке протонов - β - -радиоактивные изотопы. Например, для кислорода известны семь изотопов:
Природный кислород представляет собой смесь - плеяду из трех устойчивых изотопов: 16 8 O (99,759%), 17 8 O (0,037%) и 18 8 O (0,204%), в которой больше всего легкого изотопа, содержащего в ядре равное число нейтронов и протонов: Σn / Σр = 8:8 = 1. Это отношение является характерным для наиболее устойчивых изотопов всех четных по Z элементов до 40 20 Са включительно. В ядрах изотопов последующих элементов с Z = 21 ÷ 83 в связи с возрастающим числом протонов электростатические силы отталкивания между ними увеличиваются, и ядра стабилизируются за счет "вхождения" большего числа нейтронов. Отношение Σn / Σр постепенно растет, доходя у 209 83 Вi до 1,518.
Из диаграммы устойчивости ядер всех изотопов (рис. 18), составленной в координатах Z - N, видно, что легкие ядра до 40 20 Са группируются вдоль прямой линии N = Z, отвечающей отношению Σn / Σр = 1. Для последующих ядер это отношение возрастает вследствие увеличения числа нейтронов, но остается меньше 2 (прямая N = 2Z). В вертикальном направлении расположены изотопы элементов: черными кружками обозначены - устойчивые, белыми кружками - β - - и β +3 радиоактивные.
