6.3.1. Состав и характеристики атомного ядра

Опытным путем установлено, что атомы состоят из ядра и электронов. Атомы электрически нейтральны, из чего следует, что отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядра. Таким образом, электрический заряд ядра (е – заряд электрона). Число Z – порядковый номер химического элемента в таблице Д.И. Менделеева, определяет количество электронов в атоме и величину и называется зарядовым числом, а также атомным номером ядра.

Масса ядра очень мала, поэтому её принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.). Масса ядра в а.е.м., округленная до целого значения, называется массовым числом – А.

Если Х – символ химического элемента в таблице Менделеева, то его записывают , например, углерод .

Ядро простейшего атома водорода называется протоном и обозначается . Положительный заряд ядра любого атома определяется количеством протонов в нем, оно равно Z. В состав ядра входят также нейтральные частицы нейтроны с массовым числом равным единице. Таким образом, в ядро атома состоит из Z протонов и А-Z нейтронов.

Естественно, что все свойства ядер определяются свойствами протонов и нейтронов, их количеством и взаимодействием. Протоны и нейтроны называют нуклонами. Нуклоны в ядре связаны ядерными силами. Наличие мощных ядерных сил определяет прочность (устойчивость) ядер, которую характеризуют величиной энергии связи нуклонов в ядре. Энергия связи ядра – это величина, равная наименьшей работе, которую необходимо совершить, чтобы расщепить ядро на невзаимодействующие между собой нуклоны, при этом их кинетическая энергия должна быть равна нулю.

Учитывая закон Эйнштейна о связи между массой и энергией , можно сделать вывод о том, что суммарная масса свободных нуклонов больше массы ядра. Эта разность масс и определяет энергию связи ядра. Её можно рассчитать по формуле

; . (6.7)

6.3.2. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называют процесс превращения одного ядра (или частицы) в другое. Этот процесс может происходить самопроизвольно (спонтанно). Он характерен для большого количества неустойчивых ядер (частиц) и называется естественной радиоактивностью, а ядра называются радиоактивными.

Процесс возбуждения или преобразования ядра (частицы) в результате сильного взаимодействия с элементарными частицами называется искусственной реакцией. Наиболее значимой в смысле практического применения является реакция деления тяжелых ядер на два или несколько легких как источник большого количества энергии.

Все реакции – это процессы статистические, то есть могут осуществляться с некоторой вероятностью. Естественная радиоактивность присуща только нестабильным ядрам. Известны следующие виды радиоактивных процессов превращений ядер (их также называют распадом): -распад, -распад, -излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная радиоактивность.

При распаде образуются другие химические элементы и частицы. На процесс распада не влияют никакие внешние факторы (механические, тепловые, электрические, магнитные, вид исходного химического соединения, агрегатного состояния и др.). Распад ядра происходит спонтанно, его нельзя предсказать. Однако для большого количества радиоактивных ядер можно выявить статистические закономерности.

Так как распад отдельных ядер происходит независимо друг от друга, то количество ядер dN, распавшихся за малый промежуток времени, dt пропорционально количеству ядер, имевшихся в данный момент времени t – N(t) и промежутку времени:

, (6.8)

здесь – убыль числа ядер за время dt, – постоянная распада, характерная для каждого вида ядер.

Интегрируя выражение (6.8) получим основной закон радиоактивного распада

, (6.9)

– число ядер в начальный момент времени t = 0, N(t) – количество нераспавшихся ядер к моменту t.

Общепринятой характеристикой радиоактивного ядра является его период полураспада Т – это время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Подставляя в (6.9) t = T, , получим , откуда = 0,693/ .

Как видно из (6.8), характеризует вероятность распада за 1 с. Величина, – среднее время жизни рассматриваемого ядра

В практической деятельности человека важную роль играет интенсивность радиоактивного распада, её называют активностью (А) препарата, то есть определенного количества радиоактивного элемента.

Количественно активность равна числу актов распада за 1с:

. (6.10)

Единицей измерения активности является 1 беккерель (1 Бк) . Внесистемной более крупной единицей является 1 кюри (1 Кu). 1 Кu Бк.

Как видно из (6.10) и (6.9) активность препарата зависит от его массы (или N₀) и периода полураспада Т. Подчиняясь общим закономерностям, различные виды радиоактивности имеют некоторые специфические особенности.

Альфа-распад – это преобразование ядра с испусканием -частицы – ядра атома гелия . Он наблюдается преимущественно у тяжелых ядер с А > 200 и протекает по следующей схеме:

.

Например, ядро урана при -распаде превращается в ядро тория:

.

Энергии -частицы достаточно на движение в воздухе на расстояние в несколько сантиметров.

Бета-распад – это превращение одних ядер в другие с испусканием электронов, позитронов или захватом электрона из оболочки собственного атома.

Пример -распада: , .

Гамма-радиоактивность заключается в испускании -квантов возбужденным ядром при переходе его в нормальное состояние.

-излучение – это жесткое (коротковолновое) электромагнитное излучение с длиной волны ~ м. При такой короткой длине волны ярко проявляются квантовые свойства излучения. -квант называют также фотоном.

Все радиоактивные излучения вызывают ионизацию атомов и молекул. На способности радиоактивных излучений производить ионизацию и возбуждение атомов основана работа различных приборов для их наблюдения и регистрации, а также способы защиты человека от вредного воздействия радиации.

Ослабление потока радиоактивного излучения для всех видов частиц подчиняется одинаковым закономерностям.

Выполняется закон, аналогичный закону поглощения света:

, (6.11)

здесь и N – первоначальный и прошедший через вещество потоки частиц (для гамма-излучения используют величины интенсивности); и – линейный и массовый коэффициенты поглощения; d – толщина слоя вещества.

Заключение

Вы изучили основные физические явления и законы, которые используются во всех технологиях и технических устройствах. В том числе и в производстве и эксплуатации автомобиля. Для более глубокого изучения физики следует использовать более полное её изложение в учебниках и учебных пособиях, указанных в Библиографическом списке (стр. 18).