Полезные определения, термины и величины (глоссарий).

Атом

Если исходить из упрощенной модели материи, то она представляет собой взаимосвязанные вещество и энергию, в соответствии с знаменитой формулой Альберта Эйнштейна Е=mc². Вещество состоит из атомов. Всем известна ”планетарная модель” атома, открытая сэром Эрнестом Резерфордом. Она включает в себя ядро, состоящее из протонов и нейтронов и орбитальных электронов, находящихся в различных энергетических состояниях вокруг ядра.

Общеизвестны четыре основных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Сильное ядерное взаимодействие обеспечивает удержание протонов и нейтронов в составе ядра. Электромагнитная энергия распространяется в виде фотонов. Фотонное (электромагнитное) излучение – это свет, а также гамма, рентгеновское, характеристическое, тормозное излучения.

Атомы являются фундаментальными структурами вещества. Известно более 2000 различных атомов, объединенных в периодической таблице Менделеева в более, чем 105 различных классах.

Орбитальные электроны находятся на относительно больших расстояниях от ядра (по сравнению с размерами ядра). Электроны, которые намного легче протонов и нейтронов имеют отрицательный электрический заряд, равный 1.60217653x10^-19 кулона (кулон, Кл, в международной системе единиц СИ обозначает единицу электрического заряда, английская аббревиатура кулона – C; названа в честь французского физика и инженера Шарля Огюста Кулона – Charles-Augustin de Coulomb, 1806). 1 Кл=6,28x10¹⁸ зарядов электрона. Масса электрона равна 0.000549 атомной единицы массы (а.е.м., или дальтон, английская аббревиатура a.e.m., - это внесистемная единица массы, равна 1/12 массы ¹²C, приблизительно равна 1.6605389782x10^-27 кг). Второе название атомной единицы массы дано в честь английского химика, метеоролога, естествоиспытателя, исследователя болезни цветовой слепоты (дальтонизм) Джона Дальтона (John Dalton, 1766).

Протон является стабильной частицей ядра с положительным зарядом, численно равным заряду электрона, и массой 1,007 276 466 812 а.е.м.

Нейтрон не имеет электрического заряда, в составе ядра он стабилен (в свободном состоянии нейтрон не стабилен), его масса равна 1,00866491600 а.е.м.

Электроны образуют вокруг ядра различные электронные “оболочки”, различающиеся по своей энергии. Начиная с ближайшей к ядру оболочки они называются K, L, M, N, …Эти оболочки далее подразделяются на субоболочки - s, p, d, f, … Взаимодействие между электронами и ядром имеет электромагнитную природу. Поэтому носителем энергии, ответственной за это взаимодействие, является фотон. Переход электрона из одного энергетического состояния в другое (из одной оболочки в другую) или же удаление его вне атома сопровождается фотонным излучением или же поглощением фотонов атомом. Когда число электронов в атоме равно числу протонов в ядре атом является нейтральным. В силу различного рода взаимодействий один или несколько электронов могут быть удалены из электронных оболочек и в результате образуется положительный ион. Если же число электронов превышает число протонов в ядре, то образуется отрицательный ион. Энергия, необходимая для удаления электрона из атома называется энергией ионизации. Когда такого рода ионизация вызывается внешним излучением, то такого рода излучение называется ионизирующим.

Атомный номер (Z) равен общему числу протонов внутри ядра. Все атомы с одинаковым атомным номером занимают одну и ту же позицию в периодической системе. Различные атомы, имеющие одинаковой число протонов, но различное число нейтронов называются изотопами (”изо” означает “то же”, ”топ” - ”место”). Число нейтронов в ядре может быть равно, меньше или больше числу протонов. Сумма числа нейтронов и протонов называется массовым числом атома (A). Атом обозначается его названием (например, H – водород), а также его атомным номером (нижний индекс слева) и массовым числом (верхний индекс слева). Если число нейтронов в ядре больше или меньше, чем это требуется для стабильности ядра, то изотоп является нестабильным. Нестабильные изотопы называются радиоизотопами. В целом, нестабильные атомы называются радионуклидами. Такие атомы распадаются до достижения стабильного состояния. Это явление называется радиоактивностью и представляет собой спонтанные ядерные превращения (распады) атомов до достижения стабильного состояния.

Активность (а)

А(t)=dN(t)/dt, где

dN(t) – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений (распадов) в момент времени t из данного энергетического состояния радионуклида (нестабильного атома), происходящих за промежуток времени dt. Единицей активности в современной Международной системе единиц СИ является беккерель (Бк). Международная аббревиатура – Bq. 1 Бк = 1 распад/сек.

Название единицы активности было присвоено в честь Генри Беккереля (Henri Becquerel, 1986), открывшего явление радиоактивности.

Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) равна 3,7 × 10¹⁰ Бк. Международная аббревиатура – Ci.

Название этой единицы активности было присвоено в честь супругов Пьера и Мари Кюри (Pierre Curie, Marie Curie), открывших радий и полоний.

Альфа-активность

Альфа-радиоактивность представляет собой излучение частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов (это ядра ⁴He). Излучение производится тяжелыми нестабильными ядрами. При этом типе радиоактивности часто возникают новые (дочерние) ядра в энергетически возбужденном состоянии. Снятие энергетического возбуждения происходит путем гамма-излучения. Дочернее ядро содержит на два протона и два нейтрона меньше, чем исходное ядро (родительское) и находится на два места левее в периодической системе элементов, а его атомный вес на 4 единицы меньше, чем у родительского ядра. Альфа-частицы моноэнергетичны, их энергия измеряется в электронвольтах (эВ), или же в килоэлетронвольтах (кэВ), мегаэлектронвольтах (МэВ) (английские аббревиатуры – eV, keV, MeV). В системе СИ 1 эВ равен энергии в 1,6x10^-19 джоуля (Дж, английская аббревиатура – J). Эта единица названа в честь знаменитого английского физика и пивовара Джеймса Прескотта Джоуля (James Prescott Joule, 1818).

Энергии альфа-частиц и их относительные интенсивности (альфа-спектр) специфичны для каждого альфа-распада. Этот факт используется для идентификации альфа-излучающих радионуклидов (альфа-спектрометрия).

Бета-активность.

В отличие от альфа-радиоактивности , которая присуща только тяжелым ядрам, бета-радиоактивность может иметь место для ядер любой массы. В случае нестабильных ядер с избытком нейтронов происходит излучение бета-частицы (электрона) с отрицательным зарядом и электронного антинейтрино (нейтральной частицы с нулевой массой покоя). В случае нестабильных ядер с избытком протонов происходит излучение позитрона, который имеет ту же массу, что и электрон, но положительный электрический заряд, а также излучается электронное нейтрино (без заряда, с нулевой массой покоя). В результате могут образовываться новые ядра в возбужденном энергетическом состоянии (при излучении бета-частицы новое ядро занимает место справа от исходного ядра в периодической системе элементов, при излучении позитрона новое ядро занимает место слева в периодической системе элементов). Снятие энергетического возбуждения осуществляется путем излучения гамма-квантов. Поскольку бета-частицы или позитроны разделяют свою энергию с антинейтрино или нейтрино, соответственно, то бета-спектр (позитронный спектр) является непрерывным. Энергия бета-чатиц или позитронов варьирует от нулевого значения до максимальной величины, эта максимальная величина специфична для каждого бета-излучающего радионуклида. При максимальной энергии бета-частицы или позитрона антинейтрино или нейтрино имеют нулевую кинетическую энергию. В силу непрерывности бета- (или позитронного) энергетического спектра бета-спектрометрия представляет собой более сложную задачу по сравнению с альфа- и гамма-спектрометрией.