Квиток8. Будова ядра атомів: склад ядра, природа ядерних сил, ізотопи, ізобари

Ще V столітті до н. Усі матеріальні предмети складаються з різноманітних атомів

(Від грец. atomos- "Неподільний", "нерозрізний"). З'єднуючись, різні типи атомів утворюють все нові речовини.

За легендою, Демокріт, сидячи біля моря на камені, тримав у руці яблуко і розмірковував: «Якщо я різатиму це яблуко ножем на все дрібніші частини, чи завжди в мене в руках залишатиметься частина, яка все ще має властивості яблука?» Обдумавши цю гіпотезу, Демокріт дійшов таких висновків: «Початок Всесвіту - атоми і порожнеча, все ж решта існує лише в думці. Світів - безліч, і вони мають початок і кінець у часі. І ніщо не виникає з небуття, не дозволяється у небуття. І атоми незліченні за величиною і безліччю, носяться вони у всесвіті, кружляючи у вихорі, і таким чином народжується все складне: вогонь, вода, повітря, земля... Атоми ж не піддаються ніякому впливу і незмінні внаслідок твердості».

На початок 19 століття припадає становлення теорії атомно-молекулярної будови світу. Довести експериментально, кожен хімічний елемент складається з однакових атомів, вдалося лише 1808 р.

Зробив це англійський хімік та фізик Джон Дальтон, який увійшов до історії як творець хімічного атомізму. Дальтон представляв атоми у вигляді пружних кульок і настільки вірив у їхнє реальне існування, що навіть малював на папері атоми кисню та азоту.

У 1811 р. італійський фізик і хімік Амедео Авогадро висунув гіпотезу, згідно з якою молекули простих газів складаються з одного або кількох атомів. На основі цієї гіпотези Авогадро дав формулювання одного з основних законів ідеальних газів та спосіб визначення атомних та молекулярних мас.

Він відкрив один із газових законів, названий його ім'ям. На його основі було розроблено метод визначення молекулярної та атомної ваги. Отже, всі речовини у природі складаються з атомів. Їх прийнято ділити на прості, що складаються з атомів тих самих елементів (О2, N2, H2 і т.д.), і складні, до складу яких входять атоми різних елементів (H2O, NaCl, H2SO4 та ін.).

Атом - це найменше структурне утворення будь-якої з найпростіших хімічних речовин, які називають елементами.

Хоча поняття атома, як і термін, має давньогрецьке походження, лише ХХ столітті було твердо встановлено істинність атомної гіпотези будови речовин.

Розмір та маса атомів надзвичайно малі. Так, діаметр найлегшого атома (водню) складає всього 0,53. 10-8 см, яке маса 1,67 . 10-24 р.

Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, та квантової теорії – з іншого, призвели до створення квантової моделі атома Резерфорда-Бора. Після відкриття електрона 1897 р. Джозефом Джоном Томсоном він виявив, що з атомів під впливом сильного електричного поля відриваються заряджені частки. За його оцінками, маса «атома електрики» приблизно в тисячу разів менша за масу атома водню, а заряд точно збігається із зарядом іона водню.

Пізніше, вже у 1910 і 1913 р.р., Роберт Міллікен значно підвищив точність вимірів заряду та маси електрона. Так, незважаючи на окремі думки, до кінця XIX століття стало зрозуміло, що частинки, ще менші за атоми, існують реально, і що, швидше за все, вони входять до складу атомів і є носіями деякої найменшої кількості електрики.

Джозеф Томсон, розвиваючи модель У.Томсона, в 1903 р. пропонує свою модель атома («пудингу з родзинками»): у позитивну сферу вкраплені електрони. Вони утримуються всередині позитивно зарядженої сфери пружними силами. Ті з них, які знаходяться на поверхні, можуть досить легко вибиватися, залишаючи іонізований атом рис. 1.

Мал. 1.

У багатоелектронних атомах електрони розташовуються за стійкими конфігураціями, розрахованими Томсоном. Він вважав кожну конфігурацію визначальною хімічні властивості атомів. Дж. Томсон зробив спробу теоретично пояснити періодичну систему елементів Д.І. Менделєєва.

Пізніше Нільс Бор зазначив, що з часу цієї спроби ідея про поділ електронів в атомі на групи стала вихідним пунктом. У 1911 р. Джозеф Томсон розробив так званий метод парабол для вимірювання відношення заряду частки до її маси, який відіграв велику роль у дослідженні ізотопів.

У 1903 р. з ідеєю про планетарної моделі будови атомау Токійському фізико-математичному суспільстві виступив японський теоретик Хантаро Нагаока, який назвав цю модель «сатурноподібною».

Х.Нагаока представив будову атома аналогічним будовою сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якої по встановлених кільцеподібних орбіт рухаються «планети» - електрони. При незначних усуненнях електрони збуджують електромагнітні хвилі. Але його робота, про яку Е. Резерфорд не знав, не набула подальшого розвитку.

Але незабаром виявилося, що нові досвідчені факти заперечують модель Джозефа Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі. Ці факти відкрили видатним англійським фізиком Еге. Резерфордом. Насамперед слід відзначити відкриття ним ядерної будови атома.

Учень Джозефа Томсона Ернест Резерфорд у результаті знаменитих експериментів з розсіяння золотою фольгою б-частинок «розділив» атом на маленьке позитивно заряджене ядро і навколишні електрони (рис. 2).

У 1908-1909 р.р. працювали в університеті Вікторії (Манчестер, Англія) у Резерфорда Ханс Гейгер, який незадовго до цього сконструював спільно з ним лічильник альфа-частинок, і Ернест Марсден встановили, що при проходженні альфа-частинок крізь тонкі пластинки із золотої фольги переважна більшість пролітає на них Проте поодинокі частки відхиляються на кути більше 90о, тобто. повністю відбиваються.

Мал. 2.

Більшість альфа-частинок пролітали крізь фольгу, відбивалася лише їхня мала частина, і Е. Резерфорд зрозумів, що альфа-частинки відбиваються, коли налітають на маленькі масивні об'єкти, і ці об'єкти розташовані далеко друг від друга. Так було відкрито атомні ядра. Обсяг ядра виявився в мільйони мільярдів разів меншим за обсяг атома, і в цьому мізерно малому обсязі знаходилося практично вся речовина атома.

На той час вже знали, що електричний струм є потік частинок, ці частки назвали електронами. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі будови атома.

Відповідно до неї він нагадував мініатюрну сонячну систему, в якій «планети» – електрони обертаються навколо «Сонця» – ядра (рис. 3).

Мал. 3.

Завдяки роботам Резерфорда стало зрозуміло, як влаштовані атоми: в середині атома знаходиться крихітне масивне ядро, а навколо ядра «рояться» електрони та утворюють легку оболонку атома. У цьому електрони, розташовуючись і обертаючись у різних площинах, створюють негативний сумарний заряд, а ядро - позитивний. В цілому атом залишається електронейтральним, так як позитивний заряд ядра повністю компенсується негативним зарядом електронів.

Однак, згідно із законами класичної механіки та електродинаміки, обертання електрона навколо ядра має супроводжуватися електромагнітним випромінюванням з безперервним спектром.

Але це суперечило відомим ще з 1880 р. лінійним спектрам газів та пари хімічних елементів.

Протиріччя дозволив у 1913 р. учень Резерфорда датський фізик Нільс Бор, розробивши квантову модель будови атома на основі квантової теорії випромінювання та поглинання світла, створеної Максом Планком та Альбертом Ейнштейном.

(14 грудня 1900 р.) Планк продемонстрував висновок цієї формули, заснований на припущенні, що енергія осцилятора є ціле кратне величини hv, де v – частота випромінювання, a h – нова універсальна постійна, названа Максом Планком елементарним квантом дії (зараз – це постійна Планка). Введення цієї величини було початком доби нової, квантової фізики.

Нільс Бор висунув припущення, що атом водню (система протон-електрон) може бути лише у певних стаціонарних енергетичних станах (електрон - на певних орбітах), причому одне їх відповідає мінімуму енергії і є основним (невозбужденным). Випускання чи поглинання атомом енергії може відбуватися, згідно з теорією Бора, тільки при переходах електрона з одного енергетичного стану до іншого (з однієї орбіти на іншу).

На підставі цього Бор сформулював свої постулати:

1. Електрон в атомі знаходиться в «стаціонарному» стані (рухається стаціонарною орбітою) і ніякої енергії не випромінює.
2. Будучи виведеним із стаціонарного стану (переведеним на іншу орбіту), електрон, повертаючись, випромінює квант світла hn = Е2 - Е1.
3. Електрон в атомі може перебувати лише на тих «дозволених» орбітах, для яких момент кількості руху (mvr) набуває певних дискретних значень, а саме mvr = nh/2p , де n - ціле число 1, 2, 3…

Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 р. було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента таблиці Менделєєва.

Теорія Бора дозволяла дуже точно обчислити становище ліній спектрі випромінювання атомарного водню. Однак вона не могла передбачити співвідношення інтенсивностей ліній навіть у цій простій системі.

Для систем, що містять більше одного електрона, наприклад, атома гелію, теорія Бора вже не давала точних значень спектральних ліній.

Тож у 1923-26 р.р. Луї де Бройлем (Франція), Вернером Гейзенбергом (Німеччина) та Ервіном Шредінгером (Австрія) була розроблена нова теорія квантової (хвильової) механіки.

Блискуча ідея, висловлена Гейзенбергом, полягала в тому, щоб розглядати квантові події як явища на зовсім іншому рівні, ніж у класичній фізиці. Він підійшов до них як до явищ, що не допускають точного наочного уявлення, наприклад, за допомогою картини електронів, що обертаються по орбітах.

Через кілька місяців Е. Шредінгер запропонував інше формулювання квантової механіки, що описує ці явища мовою хвильових понять.

Підхід Шредінгера брав початок у роботах Луї де Бройля, який висловив гіпотезу про так звані хвилі матерії: подібно до того, як світло, що традиційно вважалося хвилями, може мати корпускулярні властивості (фотони або кванти випромінювання), частки можуть мати хвильові властивості. Пізніше було доведено, що матрична та хвильова механіки, по суті, еквівалентні. Взяті разом вони утворюють те, що нині називається квантовою механікою. Незабаром ця механіка була розширена англійським фізиком-теоретиком XX століття Полем Діраком (Нобелівська премія з фізики, 1933), що включив до хвильового рівняння елементи теорії відносності Ейнштейна з урахуванням спину електрона.

В основі сучасної теорії будови атома лежать такі основні положення:

1). електрон має подвійну (корпускулярно-хвильову) природу. Він може поводитись і як частка, і як хвиля. Подібно до частки, електрон володіє певною масою і зарядом. У той самий час, що рухається електрон виявляє хвильові властивості, тобто. наприклад, характеризується здатністю до дифракції. Довжина хвилі електрона л та його швидкість v пов'язані співвідношенням де Бройля:

де m – маса електрона;

2). для електрона неможливо одночасно точно виміряти координату і швидкість. Чим точніше ми вимірюємо швидкість, тим більша невизначеність у координаті, і навпаки. Математичним виразом принципу невизначеності служить співвідношення: ?x m ?v > ћ/2, де?х - невизначеність положення координати; ?v - похибка вимірювання швидкості;
3). електрон в атомі не рухається за певними траєкторіями, а може

перебувати в будь-якій частині навколоядерного простору, проте ймовірність його знаходження в різних частинах цього простору неоднакова. Простір навколо ядра, у якому ймовірність знаходження електрона досить велика, називають орбіталлю;

4). ядра атомів складаються з протонів та нейтронів (загальна назва – нуклони). Число протонів у ядрі дорівнює порядковому номеру елемента, а сума чисел протонів та нейтронів відповідає його масовому числу.

1932 р. наш вітчизняний фізик Дмитро Дмитрович Іваненко та німецький вчений Вернер Гейзенберг (Хайзенберг) незалежно один від одного висловили припущення, що нейтрон є поряд із протоном структурним елементом ядра.

Проте, протонно-нейтронна модель ядра зустріла більшість фізиків скептично. Навіть Еге. Резерфорд вважав, що нейтрон - це лише складне утворення протона та електрона.

У 1933 р. Дмитро Іваненко виступив із доповіддю про модель ядра, в якій він захищав протонно-нейтронну модель, сформулювавши основну тезу: в ядрі є лише важкі частки. Іваненко відкинув ідею про складну структуру нейтрону та протону. На його думку, обидві частинки повинні мати однаковий рівень елементарності, тобто. і нейтрон, і протон здатні переходити один до одного.

Надалі протон і нейтрон стали розглядатися як два стани однієї частки - нуклону, і ідея Іваненка стала загальноприйнятою, а 1932 р. у складі космічних променів було відкрито ще одну елементарну частинку - позитрон.

В даний час існує гіпотеза про поділення ряду елементарних частинок на субчастинки кварки.

Кварки - це гіпотетичні частки, у тому числі, як передбачається, можуть бути всі відомі елементарні частинки, що у сильних взаємодіях (адрони).

Гіпотеза про існування кварків була висловлена в 1964 р. незалежно один від одного американським фізиком Марі Гелл-Манном та австрійським (а згодом американським) вченим Георгом (Джорджем) Цвейгом з метою пояснення закономірностей, встановлених для адронів.

До речі, термін «кварк» не має точного перекладу. Він має суто літературне походження: був запозичений Гелл-Манном із роману Дж. Джойса «Поминки по Фіннегану», де означав «щось невизначене», «містичне». Така назва для частинок, очевидно, була обрана тому, що кварки виявляли ряд незвичайних властивостей, що виділяють їх з усіх відомих елементарних частинок (наприклад, електричний дробовий заряд) .

На малюнку 4 зображено сучасну модель будови атома.

Мал. 4.

Отже, атоми складаються із трьох видів елементарних частинок. У центрі атома є ядро, утворене протонами та нейтронами. Навколо нього швидко обертаються електрони, утворюючи звані електронні хмари. Кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів, що рухаються навколо нього. Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрону. Маса електрона набагато менша від їх мас (1836 разів).

РОЗМІРИ ЯДЕР

Перший вимір розмірів ядра було виконано Резерфордом в 1911 по розсіянню альфа-частинок на ядрах. Надалі були розроблені й інші методи вимірів розмірів ядра, але вони засновані на спостереженні розсіювання різних частинок (протонів, альфа-часток, нейтронів) атомними ядрами.

При аналізі дослідів з розсіювання заряджених частинок або поглинання нейтронів під радіусом ядра розуміється така відстань від його центру, на якому, крім сил кулонівського відштовхування, починають діяти специфічні ядерні сили, що викликають тяжіння частинки до ядра. Проведені виміри показали, що ядра атомів всіх елементів мають розміри порядку 10 -15 × 10 -14 м, що в десятки тисяч разів менше від розмірів атома. Всі згадані методи дозволяють визначити відстань R від центру ядра, в межах якого діють ядерні сили.

R=r 0 МA 1/3 (2.3)

де А - число нуклонів у ядрі, r 0 - постійна величина дорівнює (1,2-1,5) М10 -15 м. Якщо вважати, що обсяг ядра приблизно дорівнює

тоді обсяг V пропорційний масовому числу -A щільність ядра є константою =A/V, тобто. густини всіх ядер приблизно однакові.Це вказує на практичну стисливість ядерної речовини та щільну упаковку нуклонів у ядрі.

ІЗОТОПИ, ІЗОБАРИ, ІЗОТОНИ

Різновид атомів, ядра яких мають певну кількість нуклонів (протонів та нейтронів), називається нуклідом.

Символічний запис нуклідів включає хімічний символ ядра Хта індекси зліва внизу “ Z”(кількість протонів в ядрі) і “ А”зліва вгорі-повне число нуклонів. Наприклад,

Залежно від вмісту нуклонів, нукліди можуть бути об'єднані в різні групи: ізотопи, ізобари, ізотони.

ІзотопнимиНуклідами (ізотопами) називаються нукліди, що мають однакову кількість протонів. Вони різняться лише числом нейтронів. Тому всі ізотопи належать тому самому хімічному елементу. Так, наприклад, ізотопи

є ізотопами того самого елемента урану (Z= const).

Оскільки ізотопи мають однакову кількість протонів і однакову будову електронних оболонок, вони є атомами близнюками- їх хімічні властивості практично збігаються. Виняток становлять ізотопи водню - протий Н, дейтерій D, тритій Т, які через занадто велику відносну відмінність атомних мас суттєво відрізняються за фізико-хімічними властивостями (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1 Порівняння властивостей звичайної та важкої води

Хімічні перетворення з важким воднем відбуваються повільніше, ніж із його легким ізотопом.

Ізотонниминуклідами (ізотонами) називають нукліди з однаковим числом нейтронів та різним числом протонів. Приклади ізотонів: Са та Тi, які відносяться до різних нуклідів. Термін цей використовується дуже рідко.

Ізобараминазивають різновид нуклідів, ядра яких мають різне число і протонів та нейтронів, але мають однакову кількість нуклонів. Приклад ізобарів: Ті та Са.

Тому можна сказати, що нукліди з однаковим числом протонів це різні ізотопи одного елемента; нукліди з однаковим числом нуклонів - це ізобари; нукліди з однаковим числом нейтронів – ізотони.

Атом складається з позитивно зарядженого ядра і навколишніх електронів. Атомні ядра мають розміри приблизно 10-14 - 10-15 м (лінійні розміри атома приблизно 10-10 м).

Атомне ядро складається з елементарних частинок. протонів та нейтронів

Протон ( р) має позитивний заряд, рівний заряду електрона, і масу спокою т р = 1,6726 * 10 -27 кг? 1836 т e , де т e- Маса електрона. Нейтрон ( n) - нейтральна частка з масою спокою т п = 1,6749 * 10 -27 кг? 1839 т e. Протони та нейтрони називаються нуклонами(Від лат. Nucleus-ядро). Загальна кількість нуклонів в атомному ядрі називається масовим числомА.

Атомне ядрохарактеризується зарядомZe,де Z -зарядове числоядра, що дорівнює кількості протонів в ядрі і збігається з порядковим номером хімічного елемента в Періодичній системі елементів Менделєєва. Відомі нині 107 елементів таблиці Менделєєва мають зарядові числа ядер від Z= 1 до Z= 107.

Ядро позначається тим самим символом, як і нейтральний атом: a z X , де Х - символ хімічного елемента, Zатомний номер (число протонів у ядрі), А -масове число (число нуклонів у ядрі).

Ядра з однаковими Z, але різними А(тобто з різними числами нейтронів N=A-Z) називаються ізотопами, а ядра з однаковими А,але різними Z-ізобарами. Наприклад, водень ( Z=1) має три ізотопи:Н-протий ( Z=1,N=0),Н-дейтерій ( Z=1,N= 1), Н - тритій ( Z=1,N=2), олово-десять, тощо. буд. Прикладом ядер-изобар можуть бути ядраВе,В,С. В даний час відомо більше 2500 ядер, які відрізняються або Z, або А,або тим та іншим.

З великої кількості моделей, кожна з яких обов'язково використовує підібрані довільні параметри, що узгоджуються з експериментом, розглянемо дві: краплинну та оболонкову.

1. Крапельна модель ядра (1936; Н. Бор та Я. І. Френкель). Крапельна модель ядра є першою моделлю. Вона заснована на аналогії між поведінкою нуклонів у ядрі та поведінкою молекул у краплі рідини. Так, в обох випадках сили, що діють між складовими частинками - молекулами в рідині і нуклонами в ядрі, є короткодіючими і їм властиво насичення. Ядра характеризуються практично постійною питомою енергією зв'язку та постійною щільністю, яка залежить від числа нуклонів в ядрі.
2. Оболонкова модель ядра (1949-1950; М. Гепперт-Майєрі X. Єнсен. Оболонкова модель передбачає розподіл нуклонів в ядрі за дискретними енергетичними рівнями (оболонками і пов'язує стійкість ядер із заповненням цих рівнів. Вважається, що ядра з повністю) найбільш стійкими.Оболонкова модель ядра дозволила пояснити спини та магнітні моменти ядер, різну стійкість атомних ядер, а також періодичність змін їх властивостей.

атом – одноядерна, неподільна хімічним шляхом частка хімічного елемента, носій властивості речовини.

Речовини складаються з атомів. Сам атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно зарядженої електронної хмари. Загалом атом електронейтральний. Розмір атома повністю визначається розміром його електронної хмари, оскільки розмір ядра мізерно малий у порівнянні з розміром електронної хмари. Ядро складається з Z позитивно заряджених протонів та N нейтронів, які не несуть на собі заряд. Таким чином, заряд ядра визначаться лише кількістю протонів і дорівнює порядковому номеру елемента таблиці Менделєєва. Позитивний заряд ядра компенсується негативно зарядженими електронами (заряд електрона -1 в умовних одиницях), які формують електронну хмару. Кількість електронів дорівнює кількості протонів. Маси протонів та нейтронів рівні. Маса атома визначаться масою його ядра, оскільки маса електрона приблизно 1850 разів менше маси протона і нейтрона й у розрахунках рідко враховується.

Нукліди – вид атомів, що характеризується певним масовим числом, атомним номером і енергетичним станом ядер і час життя, достатній для спостереження.

Нукліди діляться на стабільні та радіоактивні (радіонукліди, радіоактивні ізотопи). Стабільнінукліди не відчувають спонтанних радіоактивних перетворень із основного стану ядра. Радіонуклідишляхом радіоактивних перетворень переходять на інші нукліди. Залежно від типу розпаду, утворюються або інший нуклід того самого елемента, або нуклід іншого елемента з тим же масовим числом, або два або кілька нових нуклідів.

Серед радіонуклідів виділяються короткоживучі та довгоживучі. Короткоживучірадіонукліди або є членами природних радіоактивних рядів, або безперервно утворюються в результаті ядерних реакцій, що викликаються космічним випромінюванням. Радіонукліди, що існують на Землі з моменту її формування, часто називають природними довгоживучимиабо примордіальними радіонуклідами; такі нукліди мають період напіврозпаду. Для кожного елемента були штучно отримані радіонукліди; для елементів з атомним номером (тобто числом протонів), близьким до одного з магічних чисел, кількість відомих нуклідів може доходити до декількох десятків. Найбільшою кількістю відомих нуклідів – 46 – має ртуть.

Ізотопи - Різновиди атомів будь-якого хімічного елемента, які мають однаковий атомний (порядковий) номер, але при цьому різні масові числа. Назва пов'язана з тим, що всі ізотопи одного атома поміщаються в те саме місце (в одну клітинку) таблиці Менделєєва. Хімічні властивості атома залежить від будови електронної оболонки, що, своєю чергою, визначається переважно зарядом ядра Z (тобто кількістю протонів у ньому) і майже залежить від його масового числа A (тобто сумарного числа протонів Z і нейтронів N). Усі ізотопи одного елемента мають однаковий заряд ядра, відрізняючись лише числом нейтронів.

Ізобаринукліди різних елементів, що мають однакове масове число; наприклад, ізобарами є Ar, 40 K, 40 Ca.

Число нуклонів (масове число) A = N + Z в ядрах-ізобарах однаково, отже, числа протонів Z і нейтронів N різняться: Z 1 ≠ Z 2 , N 1 ≠ N 2. Сукупність нуклідів з однаковим A, але різним Z називають ізобаричним ланцюжком.

Радіоактивні сімейства (ряди)– генетично пов'язані послідовним радіоактивним розпадом ланцюжка (ряди) ядер природного походження.

Характеристика основних видів іонізуючого випромінювання. Одиниці радіоактивності. Закон радіоактивного розпаду. Період радіоактивного розпаду. Поняття про одиниці радіоактивності. Дозові поля опромінення.

Іонізуюче випромінювання - це випромінювання, взаємодія яких із речовиною викликає чи призводить до утворення у цьому середовищі іонів.

Найбільш різноманітні за видами іонізуючих випромінювань звані радіоактивні випромінювання, що утворюються в результаті мимовільного радіоактивного розпаду атомних ядер елементів зі зміною фізичних і хімічних властивостей останніх. Елементи, що мають здатність радіоактивного розпаду, називаються радіоактивними.

Різні види іонізуючих випромінювань супроводжуються вивільненням різної кількості енергії і мають різну проникаючу здатність, тому вони надають неоднаковий вплив на тканини живого організму.

Джерела радіації бувають штучними, створеними людиною, та природними, присутніми у природі, і залежними від людини. Повністю звільнитися від природних джерел радіації космічного і земного походження практично неможливо.

Небезпека іонізуючого випромінювання чекає на людину не тільки з навколишнього середовища, тобто. при зовнішньому опроміненні, але всередині самого, якщо джерела іонізуючого випромінювання потрапили при диханні, питво води і споживанні їжі всередину. Таке опромінення називається внутрішнім.

Встановлено, що з усіх природних джерел радіації найбільшу небезпеку становить радон– невидимий важкий газ без смаку та запаху. Радон вивільняється із земної кори повсюдно, та його концентрація істотно відрізняється до різних точок земної кулі. Основне випромінювання від радону людина отримує, перебуваючи в закритому, ізольованому приміщенні, що не провітрюється.

При радіоактивному розпаді мають місце три основні види іонізуючих випромінювань: альфа, бета та гама.

Альфа-випромінюваннязатримується невеликими перешкодами та практично не

здатне проникнути через зовнішній шар шкіри. Тому воно не становить небезпеки доти, поки радіоактивні речовини, що випускають альфа-частинки, не потраплять усередину організму. Шляхи проникнення можуть бути різними: через відкриту рану, з їжею, водою, з повітрям, що вдихається, або парою. І тут вони стають надзвичайно небезпечними.

Бета-випромінюванняє потік електронів, що утворюються при розпаді ядер як природних, так і штучних радіоактивних елементів. Бета-випромінювання мають більшу проникаючу здатність порівняно з альфа-частинками, тому і для захисту від них потрібні більш щільні та товсті екрани. Різновидом бета-випромінювань, що утворюються під час розпаду деяких штучних радіоактивних елементів, є позитрони. Вони відрізняються від електронів лише позитивним зарядом, тому при вплив на потік променів магнітним полем вони відхиляються у протилежний бік.

Одиниці вимірювання радіоактивності – це одиниці виміру активності радіоактивних елементів у препаратах та у різних середовищах. Активність радіоактивного препарату в міжнародній системі одиниць (СІ) вимірюється числом атомів розпаду за секунду (розп/с). Допускається застосування позасистемних одиниць: розп/хв і кюрі. Для суміші декількох радіоактивних елементів (або ізотопів) зазначається активність кожного з них. Питома активність вимірюється в:

расп/сек ∙ м 3 чи расп/сек ∙ кг (позасистемні одиниці: Кі/см 3 , Кі/г). З одиницями радіоактивності тісно пов'язані одиниці радіоактивних випромінювань, що характеризують вихід випромінювань із джерела та його поле. У цих одиницях у системі СІ – вимірюються щільність потоку частинок – частка/сек ∙ м 2 ; інтенсивність випромінювання – Вт/м2, поглинена доза випромінювання – Дж/кг; потужність поглиненої дози випромінювання – Вт/кг; експозиційна доза рентгенівського та γ-випромінювань – Кл/кг; потужність експозиційної дози рентгенівського та γ-випромінювань – А/кг.

Закон радіоактивного розпаду –фізичний закон, що описує залежність інтенсивності радіоактивного розпаду від часу та кількості радіоактивних атомів у зразку. Відкритий Фредеріком Содді та Ернестом Резерфордом, кожен з яких згодом був нагороджений Нобелівською премією.

Радіоактивний розпад- Спонтанна зміна складу (заряду Z, масового

числа A) або внутрішньої будови нестабільних атомних ядер шляхом випромінювання елементарних частинок, гамма-квантів та ядерних фрагментів. Процес радіоактивного розпаду також називають радіоактивністю, а відповідні ядра (нукліди, ізотопи та хімічні елементи) радіоактивними. Радіоактивними називають речовини, що містять радіоактивні ядра.

Радіоактивність –нестійкість ядер деяких атомів, що виявляється в їх здатності до мимовільних перетворень (розпаду), що супроводжується випромінюванням іонізуючого випромінювання – радіацією.

Вплив радіації на людину називають опроміненням. Причиною впливу є передача енергії випромінювання клітин організму. Опромінення викликає порушення обміну речовин, лейкоз та злоякісні пухлини, зміна структури клітин, променеве безпліддя, променеву катаракту, променевий опік, променеву хворобу.

Наслідки опромінення сильніше позначаються на клітинах, що діляться, у зв'язку з чим, для дітей опромінення набагато небезпечніше, ніж для дорослих.

Природна радіоактивність- Мимовільний розпад атомних ядер, що зустрічаються в природі.

Штучна радіоактивність- Мимовільний розпад атомних ядер, отриманих штучним шляхом через відповідні ядерні реакції.

Дозові поля опромінення – величина, що використовується для оцінки ступеня впливу іонізуючого випромінювання на будь-які речовини, живі організми та їх тканини. Одиниця експозиційної дози у системі СІ – кулон на кілограм (Кл/кг). Кулон на кілограм дорівнює експозиційній дозі, при якій усі електрони та позитрони, звільнені фотонами в обсязі повітря масою 1 кг, виробляють у повітрі іони, що несуть електричний заряд кожного знака 1 Кл.

У рентгенах вимірюють кількість генерованого випромінювання чи експозиційну дозу.

Одиниця поглиненої дози у системі СІ – грей (Гр). Грей дорівнює поглиненій дозі іонізуючого випромінювання, при якій речовині масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання, що дорівнює 1 Дж.

6. Радіоактивні перетворення. Взаємодія ˠ-квантів із речовиною. Альфа та бета розпад радіонуклідів. Поняття про РІР та ПІР.

Радіоактивні перетворення- Мимовільні перетворення одних ядер на інші ядра. Радіоактивні перетворення супроводжуються випромінюванням різних частинок. Видами радіоактивних перетворень є альфа-розпад та бета-розпад.

Альфа-розпад– вид мимовільного радіоактивного перетворення важких атомних ядер, що супроводжується випромінюванням альфа-часток з ядра. В результаті альфа-розпаду вихідний елемент зміщується на два номери на початок періодичної системи Менделєєва.

Бета-розпад– тип радіоактивного перетворення нестабільних атомних ядер, зумовлений слабкою взаємодією та пов'язаний із взаємним перетворенням нейтронів та протонів в атомних ядрах. Розрізняють: 1) бета-мінус-розпад, при якому з ядра вилітає електрон та заряд ядра збільшується на одиницю; 2) бета-плюс-розпад, у якому з ядра вилітає позитрон і заряд ядра зменшується на одиницю.

Гамма- та рентгенівське випромінюванняє електромагнітні хвилі. Рентгенівське випромінювання виникає при взаємодії заряджених частинок з атомами речовини, а гамма-випромінювання випускається при переході атомних ядер із збуджених станів у стан із меншою енергією. Довжина хвилі гамма-випромінювання зазвичай менше 02 нанометрів. Для цих видів випромінювання немає понять пробігу, втрат енергії на одиницю шляху. Гамма-промені, проходячи через речовину, взаємодіють як з електронами, так і з ядрами атомів середовища (речовини). Внаслідок взаємодії інтенсивність променів зменшується.

Поглинання гамма-квантів речовиною обумовлено переважно трьома процесами: фотоефектом, комптонівським розсіюванням і народженням у кулонівському полі ядра електрон-позитронних пар.

Розпад, що супроводжується випромінюванням альфа-часток, назвали альфа-розпадом; розпад, що супроводжується випромінюванням бета-частинок, був названий бета-розпадом (нині відомо, що існують типи бета-розпаду без випромінювання бета-часток, проте бета-розпад завжди супроводжується випромінюванням нейтрино або антинейтрино). Термін "гама-розпад" застосовується рідко; випромінювання ядром гамма-

Завдання 26.
Ізотоп нікелю-57 утворюється під час бомбардування частинками ядер атомів заліза-54. Складіть рівняння ядерної реакції та напишіть його у скороченій формі.
Рішення:
Ізотоп 28-го елемента – нікель-57 було отримано бомбардуванням -частинами атомів заліза-54 Перетворення атомних ядер зумовлюється їхньою взаємодією з елементарними частинками або один з одним. Ядерні реакції пов'язані із зміною складу ядер атомів хімічних елементів. За допомогою ядерних реакцій можна з атомів одних елементів отримати атоми інших. Перетворення атомних ядер як із природної, і при штучної радіоактивності записують як рівняння ядерних реакцій. При цьому слід пам'ятати, що суми масових чисел (цифри, що стоять у символі вгорі зліва) і алгебраїчні суми зарядів (цифри, що стоять у символу елемента внизу зліва) частинок в лівій і правій частинах рівності повинні бути рівні. Цю ядерну реакцію виражають рівнянням:

Завдання 28.
Що таке ізотопи? Чим можна пояснити, що більшість елементів періодичної системи атомні маси виражаються дробовим числом? Чи можуть атоми різних елементів мати однакову масу? Як називаються такі атоми?
Рішення:
Атоми, що мають однаковий заряд ядра (і, отже, тотожні хімічні властивості), але різним числом нейтронів (а значить, і різним масовим числом), називають ізотопами (від грец. слів «ізос»- однаковий і «топос»- Місце). Встановлено, що, як правило, кожен елемент є сукупністю декількох ізотопів. Саме цим пояснюються значні відхилення атомних мас багатьох елементів від цілих величин. Так, природний хлор на 75,53% складається з ізотопу 35Cl і на 24,47% ізотопу 37Cl; в результаті середня атомна маса хлору дорівнює 35453.

У природі зустрічається й інше явище, що полягає в тому, що атоми різних елементів мають однакову атомну масу, але різний заряд ядер. Такі атоми називають ізобарами. Наприклад, ізотоп калію та ізотоп кальцію мають однакові атомні маси (40), але різні заряди ядер Відповідно +19 і +20:

Завдання 29.
Ізотоп кремнію-30 утворюється при бомбардуванні частинками ядер атомів алюмінію-27. Складіть рівняння цієї ядерної реакції та напишіть його у скороченій формі.
Рішення:

Часто застосовують скорочену форму запису ядерної реакції. Для цієї реакції вона матиме вигляд:

У дужках пишуть частину, що бомбардує, а через кому - частинку, що утворюється при даному ядерному процесі. У скорочених рівняннях частинки

позначають відповідно p, d, n, е.

Завдання 31.
Ізотоп вуглецю-11 утворюється при бомбардуванні протонами ядер атомів азоту-14. Складіть рівняння цієї ядерної реакції і напишіть його в скороченій формі.
Рішення:
Перетворення атомних ядер зумовлюється їхньою взаємодією з елементарними частинками або один з одним. Ядерні реакції пов'язані із зміною складу ядер атомів хімічних елементів. За допомогою ядерних реакцій можна з атомів одних елементів одержати атоми інших. Перетворення атомних ядер як із природної, і при штучної радіоактивності записують як рівняння ядерних реакцій. При цьому слід пам'ятати, що суми масових чисел (цифри, що стоять у символі вгорі зліва) і алгебраїчні суми зарядів (цифри, що стоять у символу елемента внизу зліва) частинок в лівій і правій частинах рівності повинні бути рівні. Цю ядерну реакцію виражають рівнянням:

Часто застосовують скорочену форму запису ядерної реакції. Для цієї реакції вона матиме вигляд:

позначають відповідно p, d, n, е.

Завдання 328
Назвіть три ізотопи водню. Вкажіть їх склад ядер. Що таке важка вода? Як вона виходить і які її властивості?
Рішення:
Для водню відомі три ізотопи: - протий Н , - дейтерій D , - тритій Т . Протий і дейтерій зустрічаються у природі, тритій отримано штучно. Ядро протию складається з одного протону, ядро дейтерію - з одного протону та одного нейтрону, а ядро тритію - з одного протону та двох нейтронів.

Тяжка вода D 2 O- Поєднання дейтерію з киснем. Тяжку воду отримують шляхом електролізу природної води. При електролізі води розряд іонів Н+ відбувається значно швидше, ніж D+, тому в залишку після розкладання електролізом великої кількості води концентрується D2O.

Тяжка вода D 2 Oза фізико-хімічними властивостями відрізняється від Н2О: t пл.= 3,82 0С, t стос. = 101,42 0, р пліт,дорівнює 1,1050 г/см 3 (20 0 C). Помітно розрізняються ентальпії розчинення солей у Н 2 O та D 2 O, константи дисоціації кислот та інші характеристики розчинів.