Глава 1.2. Физико-химические основы радиобиологии

1.2.1. Характеристика атомного ядра

Атом – мельчайшая частица вещества, являющаяся носителем его свойств. Молекула – мельчайшая частица сложного вещества состоит из атомов. Раньше считалось, что атом неделим. Позже выяснилось, что он является сложной системой. Атом любого элемента можно разделить на субатомные (элементарные) частицы (рис. 3). Атомы всех элементов, входящих в периодическую систему, состоят из электронов, протонов и нейтронов. Один элемент отличается от другого только числом и расположением этих частиц. В зависимости от уровня энергии, которая удерживает электроны вокруг ядра, они группируются на том или ином уровне. Электронные уровни (слои) создают оболочку атома. Количество электронов в каждом слое строго определено.

Рис. 3. Строение атома.

Электрон – устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а.е. м., или 9,1_*10^-28 г. Энергетический эквивалент электрона составляет 0,511 МэВ. Электрон несёт один элементарный отрицательный заряд. В атоме количество электронов всегда равно сумме протонов. В силу равенства положительных и отрицательных зарядов атом представляет собой электронейтральную систему. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить с одного энергетического уровня на другой или покидать пределы данного атома. Если воздействие будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон перейдёт на вышележащий уровень. Такой атом останется нейтральным, но будет отличаться избытком энергии. Атомы, обладающие избытком энергии, называются возбуждёнными, а сам процесс перехода – возбуждением.

Поскольку в природе всякая система стремиться перейти в положение с минимумом энергии, то и атом из возбуждённого состояния переходит в нормальное, что сопровождается выделением избыточной энергии. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома. Переходы в пределах внешних орбит дают оптический спектр, который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей. При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из ядра и удаляются из него. Атом, лишившийся электронов, превращается в положительно заряженный ион, а присоединивший к себе электроны – в отрицательный. Процесс образования ионов называется ионизацией. Атом в состоянии иона существует непродолжительное время. Вакантное место заполняется свободным электроном и атом снова становиться электронейтральным. Этот процесс носит название рекомбинации ионов или деионизации и сопровождается выделением энергии.

Ядро атома состоит из двух типов частиц: протонов и нейтронов, которые имеют общее название нуклон (рис. 4.).

Рис. 4. Строение атома.

Протон – устойчивая элементарная частица, которая в 1840 раз тяжелее электрона, имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Также протон часто определяют как ядро атома водорода. Количество протонов в ядре называется атомным номером или зарядовым числом (Z); оно соответствует порядковому номеру элемента периодической системе.

Нейтрон – электрически нейтральная частица, масса которой равна 1,00898 а. е. м. Сам по себе нейтрон нестабилен. Находясь в свободном состоянии, он испускает электрон и антинейтрино и превращается в протон. Нейтроны, находящиеся в ядре дают основном только физическую характеристику элемента, так как в разных ядрах одного и того же элемента может быть разное количество нейтронов (1-10). В ядрах лёгких устойчивых элементов число протонов и нейтронов относится друг к другу как 1:1. Чем дальше элемент в таблице Д.И. Менделеева, тем больше в его атомах число нейтронов по сравнению с протонами.

Диаметр ядра равен примерно 10^–13–10^–12 см, но практически вся масса сосредоточена в нём. Масса электронной оболочки незначительна, поэтому масса ядра совпадает с массой атома. Сумма протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А (или М). Число нейтронов N в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента N = A – Z.

При обозначении атомов обычно используют символ элемента, которому принадлежит атом, и указывают слева вверху массовое число, а внизу – порядковый номер в виде индекса: . Порядковый номер иногда опускают.

Большинство химических элементов в природе представляет собой определённые смеси атомов с различным числом нейтронов в ядрах. Атомы, однотипные по количеству протонов (с одинаковым зарядом), но различные по количеству нейтронов, называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый порядковый номер, но разное массовое число (см. рис. 5). Большинство природных элементов представляет собой смесь из 2–10 изотопов.

Атомы элементов с одинаковым массовым числом, но ядра которых находятся в различном энергетическом состоянии, называютизомерами. Они обладают разным периодом полураспада, энергией и видом излучения. Про изомер с избытком энергии говорят, что он находиться в метастабильном состоянии. Символически такое состояние обозначаю латинской буквой «m», поставленной рядом с массовым числом (^80mBr). Отдавая излишек энергии, метастабильный изомер переходит в основное состояние.

В природе существуют ядра разных элементов с одинаковым массовым числом, но разным атомным номером. Такие атомы называют изобарами (например, и ). Атомные ядра разных элементов с равным количеством нейтронов называют изотонами ( и ; в ядре первого 6 протонов и 7 нейтронов, а в ядре второго 7 протонов и тоже 7 нейтронов).