Строение ядра атома. Виды радиоактивного распада

В настоящее время установлено, что в состав ядра любого атома входят два сорта частиц — протоны и нейтроны, называемые общим термином нуклоны. Охарактеризуем свойства каждой из этих частиц.

Протон имеет массу т_р ≈ 1836,4 т_е ≈ 1,6726 ∙ 10^-ЗТкг. За ряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона но противоположен ему по знаку. Протон является стабильно] частицей, т.е. не распадается с течением времени. Нейтрон имеет массу т_п ≈ 1839,0 т_е ≈ 1,6749∙10^-27кг . Нейтрон электрически нейтрален. Отсюда собственно и происходит его название Нейтрон — частица нестабильная. Он распадается с периодов полураспада T_1/2 ≈ 11 минут по схеме

Здесь — электрон, ṽ_c — электронное антинейтрино. Разнице масс протона и нейтрона равна rn_n - т_р ≈ 2,6 т_е. Нуклоны удерживаются внутри ядра с помощью ядерных сил, которые обладают рядом специфических свойств. Перечислим основные из них.

1. Это короткодействующие силы — радиус их действия r_я ~ 10^-15 м.

2. При приближении нуклонов друг к другу ядерные силы меняют знак, т.е. становятся силами отталкивания.

3. Внутри ядра они примерно на два порядка превосходят по ве личине силы электромагнитного взаимодействия между про тонами. Поэтому протоны удерживаются внутри ядра.

4. Они не являются центральносимметричными силами, т.е. направлены не вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие нуклоны.

5. Не зависят от типа нуклона (протон, нейтрон).

6. Обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон в ядр< взаимодействует лишь с ограниченным числом других ну клонов, окружающих его.

Учитывая некоторые свойства ядерных сил, их часто называ­ют "гигантом с короткими руками". Ядро принято обозначать в виде . Здесь Z — порядковый номер элемента в таблице Мен­делеева, равный числу протонов в ядре; А — массовое число ядра, равное числу нуклонов в ядре. В настоящее время извест­ны ядра с Z от Z=l до Z=107. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — ну­левое значение А.

Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изото­пами. Атомы, имеющие такие ядра, обладают одинаковыми хи­мическими свойствами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Число нейтронов в ядре может быть найдено по формуле: N = A - Z. В природе встре­чаются около 300 устойчивых изотопов химических элементов и имеются около 1000 искусственных (радиоактивных) изотопов.

Ядра атомов некоторых химических элементов способны са­мопроизвольно распадаться на части. Этот распад сопровожда­ется радиоактивными излучениями, основными видами которых являются:

а-лучи, β-лучи и τ-лучи. Охарактеризуем подробнее каждый из этих видов излучений.

а-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия . Альфа-лучи отклоняются электрическим и магнитным по­лем. Скорости а-частиц от 14000 км/с до 20 000 км/с, что со­ответствует кинетическим энергиям от 4 МэВ до 9 МэВ. Эти частицы обладают высокой ионизирующей способностью. По­этому их пробеги в веществе малы. Слой алюминия толщиной 0,05 мм полностью поглощает поток а-частиц; длина их пробега в воздухе 3-9 см.

β-лучи отклоняются электрическим и магнитным полями. Они представляют собой поток быстрых электронов, движущих­ся со средней скоростью порядка 160 000 км/с. Ионизирующая способность β-лучей примерно в 100 раз меньше, чем у а-лучей. Пробег β-частиц в воздухе ~ 40 м, в алюминии ~ 2 см, в биоло­гической ткани ~ 6 см. Во время детального изучения β-распада в тридцатых годах двадцатого века была открыта новая элемен­тарная частица, названная нейтрино.

τ-лучи представляют собой потоки фотонов высоких энергий с частотами ~ 10²⁰ Гц и длинами волн ~ 10^-12 м. Они не откло­няются электрическим и магнитным полями и распространяются со скоростью света. Гамма-лучи являются одним из самых про­никающих видов излучения. Они пронизывают практически без ослабления слой воздуха толщиной несколько сотен метров. Они также свободно проходят через тело человека.

При радиоактивном распаде выполняются несколько законов сохранения, которые надо учитывать при записи уравнения, опи­сывающего радиоактивный распад.

1. Закон сохранения энергии.

2. Закон сохранения импульса.

3. Закон сохранения момента импульса.

4. Закон сохранения электрического заряда.

5. Сохраняется общее число нуклонов до и после распада.

Так, для а и β распадов имеем:

При а-распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы.

При β-распаде элемент смещается в периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа. Правила (1), (2) называются также законами смешения.

Активностью препарата называется число распадов, проис­ходящих в единицу времени.

Если в данный момент у нас имеется N радиоактивных ядер, то активность препарата может быть найдена по формуле

За единицу активности принята активность 1 г радия ( ). Эта внесистемная единица получила название кюри (Ки): 1Ки = 3,7∙10^1Орасп/с.