Ядро. Радиоактивность. Радиоактивные излучения

Методическое пособие к выполнению

лабораторнойработы по физике

Составители: Г.В. Шипулина,

А.Х.Каримов

Казань - 2002

УДК 53

Шипулина Г.В., Каримов А.Х. Ядро. Радиоактивность. Радиоактивные излучения. / Методическое пособие к лабораторной работе по физике. КГТУ им. А.Н. Туполева, кафедра технической физики. 2002. 13 с.

Рецензент: к.ф-м.н., доцент КГУ Е.И.Филатов

Цель работы: Изучить виды радиоактивных излучений, их свойства, влияние на человека, применения. Измерение естественного γ – фона и расчет полученной эквивалентной дозы.

Теоретическая часть

1. Атомное ядро. Общие сведения

Ядром называют центральную часть атома, в которой сосредоточены практически вся масса атома и его положительный заряд.

По современным представлениям ядро состоит из элементарных частиц -протонов и нейтронов.

Протон (р) - это элементарная частица - ядро простейшего атома водорода. Он имеет положительный заряд q = 1,6 · 10^-19 Кл (+е), равный заряду электрона, и массу покоя т_р = 1,673 · 10^-27 кг = 1836 т_е, где т_е - масса электрона. Протон является стабильной частицей.

Нейтрон (п) - электрически нейтральная (q = 0) элементарная частица с массой покоя т_n= 1,675 · 10^-27 кг = 1839 т_е. чуть большей массы протона. В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон. В составе ядра нейтрон устойчив.

Протоны и нейтроны объединяются под общим названием нуклоны.

Ядро обозначается символом , где X - обозначение химического элемента, А - массовое число, Z - зарядовое число (порядковый номер в таблице Менделеева). Зарядовое число Z равно числу протонов и определяет положительный заряд ядра Z · е. Массовое число А равно суммарному числу протонов Z и нейтронов N, то есть A = Z + N.

Например, ядро атома водорода обозначается (А = 1, Z = 1, N = 0), ядро атома углерода - С (Z = 6, N = 6, А = 12).

Массы ядер принято измерять в атомных единицах массы (а.е.м.). В этой шкале масса нейтрального атома принята за 12,000 а.е.м. Следовательно, 1 атомная единица массы равна 1/12 части массы атома углерода , что соответствует 1,66 · 10^-27 кг (т.е. 1 а.е.м. = 1,66 · 10^-27 кг - фундаментальная физическая постоянная).

Измеренная масса протона составляет т_р 1,00727 а.е.м., нейтрона - т_n 1,00866 а.е.м., электрона - т_е 5,48 · 10^-4 а.е.м.

В ядерной физике и физике элементарных частиц массу часто выражают в энергетических единицах электрон-вольтах , используя формулу Эйнштейна

Е = тс² .

Согласно этой формуле 1 а.е.м. эквивалентна энергии

Е = тс² = 1,66 · 10^-27 кг (3 · 10⁸ м/с )² 1,49 · 10^-10 Дж 931,5 МэВ

(1эВ = 1,6 · 10^-19Дж).

С учетом этого т_р 938,28 МэВ, т_n 939,57 МэВ, т_е 0,511 МэВ.

В природе встречаются химические элементы, начиная с Z= 1 (водород) и кончая Z = 92 (уран). Элементы с Z > 92 (трансурановые - послеурановые) получены искусственным путем - в ядерных реакциях.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но разными массовыми числами А называются изотопами.

Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, обладают близкими химическими и физическими свойствами (кроме изотопов водорода) и занимают одно место в периодической системе элементов. У многих элементов имеются стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

Например, в природе встречаются 3 изотопа водорода: стабильные протий и дейтерий (Д) и радиоактивный тритий (Т). Углерод имеет стабильные изотопы , и радиоактивный - .

Различные типы ядер часто называют нуклидами. В первом приближении ядро считают шаром радиуса R ≈ l,5 · 10^-15А^1/3 м.

Объем ядра пропорционален числу нуклонов. Следовательно, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова и равна ρ ~ 7 · 10^-17 кг / м³.

Плотность ядер значительно превосходит плотность самых плотных веществ.