Лекция №8

13518Equation Chapter (Next) Section 1

Тема. Введение в физику атомного ядра

Ядерная физика– раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также реакции, в которые они вступают. В сферу «интересов» я.ф. входит и изучение синтеза новых или редких веществ. В качестве примера можно привести дейтерий – разновидность атома водорода. Дейтерий может вступать в реакцию с кислородом и образовывать «тяжёлую воду», плотность которой на 10% выше плотности обычной воды, а температура замерзания – около +4 градусов Цельсия. Есть основания полагать, существование удивительного явления осеннего ледохода в реках Якутии связано с наличием в них тяжёлой воды. Свойства тяжёлой воды до сих пор не изучены в полной мере, однако известно, что она может использоваться в ядерных реакторах в качестве хорошего замедлителя нейтронов. Также немного известно о роли дейтерия в биологических процессах.

Известно, что все вещества состоят из атомов. Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из элементарной частицы, называемой протоном. Ядра остальных атомов состоят изпротоновинейтронов. Протоны и нейтроны носят общее названиенуклонов.

Протон (p) обладает массойи элементарным зарядом +е. Он обладает собственным механическим моментом (0,5 в единицах) и связанным с ним магнитным моментном (, где- ядерный магнетон), то есть в некотором смысле ведёт себя как кольцевой ток. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона, который обладает зарядом «-е» и магнитным моментом, в 660 раз большим, чем у протона.

Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физиком Чедвиком. Электрический заряд нейтрона равен нулю, а его масса . Несмотря на то, что его электрический заряд равен нулю, он так же, как и протон, обладает магнитным моментом. Знак минус указывает на то, что направления механического и магнитного моментов противоположны. Нейтрон в свободном состоянии, т.е. такой нейтрон, который не находится в ядре, является нестабильным и распадается на три частицы – протон, электрон и антинейтрино. Период полураспада, то есть время, за которое некое количество свободных нейтронов уменьшится вдвое, равно 12 мин.

Характеристики атомного ядра

Рис.7.1. Обозначение элемента в таблице Менделеева.

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число. Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд. Числоопределяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его называют атомным номером (Рис.7.1).

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой и называется массовым числом ядра. Тогда, число нейтронов в ядре равно. Для обозначения ядер принята следующая форма:

1368136\* MERGEFORMAT (.)

где под подразумевается химический символ данного элемента.

Ядра с одинаковым зарядовым числом , но разными массовыми числаминазываютсяизотопами. В начале лекции мы упомянули о дейтерии, который является изотопом атома водорода. Его массовое число равно 2. В наших обозначениях можно записать:- водород,. Ещё одним изотопом водорода является тритий.

Ядра с одинаковыми массовыми числами называются изобарами(и).

Ядра с одинаковым количеством нейтронов называются изотонами(и).

На сегодняшний день известно около 1500 сортов ядер. Примерно 1/5 часть из них может существовать неограниченно долго, а оставшиеся сорта ядер нет. Они характеризуются такой величиной как период полураспада(время, за которое половина ядер распадается). Удивительным фактом является то, что существуют атомные ядра с одинаковымии, но отличающиеся периодом полураспада. Они называютсяизомерами(- 18 мин и 4.4 часа). На Земле встречаются элементы с зарядовым числом от 1 до 92 (исключая Технеций Тс,43, и Прометий Pm,61). Исключением является Плутоний (Pu,94). Все остальные элементы были получены искусственным путём в лабораториях.

Размеры атомного ядра зависят от атомной массы и в первом приближении его можно считать шаром, чей радиус определяется формулой:

. 1378137\* MERGEFORMAT (.)

Масса и энергия связи ядра.

В обычной жизни мы с вами привыкли к тому, что взяв в одну руку 2 кг картошки, а в другую – 3 кг кормовой свеклы, наше давление на земную поверхность увеличится на 5 кг. Иными словами, масса отдельных частей системы будет равняться массе всей системы. Иным образом дело обстоит в микромире. В мире атомных ядер существует явление, которое называется дефектом массы. Оно заключается в том, что масса всей системы не равна массе частей, её составляющих. То есть масса ядра гелия, состоящего из 2х протонов и двух нейтронов не равна сумме их масс по отдельности.

Каждой частице, обладающей массой, приписывается величина, называемая энергией покоя , где- масса частицы,- скорость света. Из этой формулы следует, что энергия покоящегося ядра меньше суммы энергий невзаимодействующих покоящихся нуклонов на величину:

, 1388138\* MERGEFORMAT (.)

Рис. 8.2. Зависимость удельной энергии связи от массового числа.

где- масса ядра. Данная величина называется энергией связи ядра и равна работе, которую нужно совершить, чтобы разнести нуклоны на расстояние, при котором они практически не взаимодействуют. Величина в 8138 в квадратных скобках называетсядефектом массы. Соотношение 8138 практически не нарушится, если в нем заменитьна, ана. Это удобно тем, что в таблицах даются, как правило, массы атомов, а не их ядер.

На Рис. 8.2 показана зависимость удельной энергии связи от массового числа. Из этого графика следует, что большое количество энергии при ядерных реакциях может выделяться в двух случаях. В первом, когда ядро с большим распадается на маленькие ядра (например, распад урана). Во втором случае два маленьких ядра сливаются в одно тяжёлое.

Из графика также видно, что ядра с массовыми числами около 50-60 являются энергетически наиболее выгодными. Поэтому встаёт вопрос, почему ядра с большими значениями массового числа также являются стабильными? Ответ на этот вопрос достаточно прост. Чтобы ядру из одного стабильного состояния перейти в другое более стабильное состояние, ему нужно пройти ряд промежуточных состояний, энергия которых больше основного состояния ядра. Поэтому для процесса деления ядру нужно приобрести дополнительную энергию, называемую энергией активации.

Радиоактивность

Чуть ранее было упомянуто свойство некоторых атомных ядер существовать конечное время. По прошествии него они самопроизвольно превращались в другие ядра. Данная способность самопроизвольного превращения атомного ядра с испусканием элементарных частиц называется радиоактивностью. В качестве примера можно привести всем известный полоний-210 с периодом полураспада в 138 суток (альфа). Существует пять типов радиоактивных процессов: 1)-распад; 2)-распад; 3)-излучение ядер; 4) спонтанное деление тяжёлых ядер; 5) протонная радиоактивность.

Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, вызванная определёнными ядерными реакциями, называется искусственной. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одним и тем же законам.

Закон радиоактивного превращения

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращения независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что количество распавшихся за малый промежуток времениядер пропорционально и числу ядер, и промежутку времени:

, 1398139\* MERGEFORMAT (.)

где - константа, характерная для определённого сорта атомов. В результате интегрирования 8139 получаем:

, 1408140\* MERGEFORMAT (.)

где - число атомов в начальный момент времени. Константаопределяет величину периода полураспадаи среднее время жизни атома:

. 1418141\* MERGEFORMAT (.)

. 1428142\* MERGEFORMAT (.)

Активность элемента измеряется в беккерелях (Бк). 1 Бк = 1 расп/1с.

Проанализируем на основе закона радиоактивного распада сообщение об отравлении на канале Аль Джазира в 2012 г о том, что Ясира Арафата в 2004 отравили полонием-210. Период полураспада полония-210 – примерно 138 суток. Расчёты показывают, что после 8 лет количество полония-210 должно было уменьшиться в 40 миллионов раз. С учётом того, что доза полония, необходимая для отравления человека, составляет порядка микрограмм (), мы получим остаток от исходного полония в тысячные нанограмма. На аргумент о том, что после полония должен был остаться свинец, можно ответить, что свинца в организме человека содержится порядка мг, а сам он является продуктом распада многих других элементов, в частности, того же урана.

Законы распада

При альфа-распадеисходного элемента дочерний элемент имеет зарядовое число на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента, а массовое число – на четыре единицы меньше, например:

, 1438143\* MERGEFORMAT (.)

где … Скорости, с которыми альфа-частицы вылетают из ядра очень велики и составляют порядка см/с. Одна а-ч может образовать в воздухе околоионов. Обычный лист бумаги полностью задерживает поток а-ч, исходящий от радиоактивного вещества.

Бета-распад. Существует несколько видов бета-распада. Для первого вида дочерний элемент имеет зарядовое число на единицу больше, чем исходное ядро, но тоже массовое число.Схема распада:

, 1448144\* MERGEFORMAT (.)

где - проактиний,- антинейтрино.

При так называемом распадедочерний элемент имеет зарядовое число на единицу меньше, чем исходное ядро, но тоже массовое число. Схема распада:

, 1458145\* MERGEFORMAT (.)

где …

При так называемом электронном захватеядро захватывает один из электронов, принадлежащий внутренней электронной оболочке. Схема такого распада следующая:

, 1468146\* MERGEFORMAT (.)

где … Для защиты от потока электронов (бета-излучения) достаточно алюминиевой пластины толщиной порядка миллиметр.

Альфа и бета распады могут сопровождаться излучением света, с длиной волны порядка сотых ангстрема. Чтобы вдвое ослабить гамма-излучения, например, алюминиевой пластиной, необходимо, чтобы её толщина составляла 8 см.

Кроме а-р и б-р существует спонтанное деление тяжёлых ядер. Флеров и Петржак в 1940 обнаружили, что ядра урана могут распадаться на примерно равные части с испусканием нейтронов. К интересному виду распада ядер относится протонный распад, во время которого ядро испускает протон. Данная активность не была зафиксирована у природных нуклидов.

Действие радиоактивного излучения на живой организм

Три вида излучения - можно назвать ионизирующим излучением в силу того, что они вызывают ионизацию частиц среды, с которой взаимодействуют. Измерение характеристик ионизирующего излучения во время его взаимодействия со средой составляют сутьдозиметрии.

Доза – это энергия ионизирующего излучения, которая поглощается облучаемым веществом. Доза зависит от типа излучения, его интенсивности, длительности облучения и состава облучаемого вещества.

Поглощенная доза  это поглощенная энергия ионизирующего излучения приходящаяся на единицу массы облучаемого вещества:

, 1478147\* MERGEFORMAT (.)

где - энергия ион.излуч., а- масса вещества. Поглощённая доза измеряется в Греях. 1 Грей = 1 Дж/кг. Внесистемная единица – рад. 1 рад = 100 эрг/1г. 1 Грей = 100 рад.

Экспозиционная дозаопределяется как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, образованных в воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами, которые образуются в элементарном объеме за время их полного торможения) к массе воздуха в этом объеме:

, 1488148\* MERGEFORMAT (.)

где - суммарный заряд ионов одного знака. Единицы экспозиционной дозы: 1 Кл/кг; внесистемная единицарентген: 1Р = 2,5810^-4Кл/кг или 1Кл/кг = 3,8810^-3Р. Доза в 1 Р соответствует образованию 2,0810⁹пар ионов в 1 см³воздуха при 0⁰С и 760 мм рт. ст.

Эквивалентная доза – это доза, учитывающая разное биологическое действие разных типов ионизирующих излучений. Во время облучения живых организмов, в частности людей, могут возникнуть пагубные последствия, которые определяют уровень радиационной опасности. Дело в том, что биологические эффекты зависят не только от дозы, но и от типа ионизирующего излучения. Например, вред при поглощении некой дозы-излучения будет в десятки раз большим, чем при поглощении рентгеновского излучения той же дозы. Таким образом, знания о поглощенной дозе недостаточно для оценки радиационно эффекта. Биологические эффекты, вызываемые каким-либо ионизирующим излучением, принято сравнивать с биологическими эффектами, возникающими под действием рентгеновского излучения с предельной энергией 250 кэВ. Это сравнение осуществляется с помощьюкоэффициента качества излучения K, определяемого как количество рад рентгеновского или-излучения, которое вызывает те же самые биологические эффекты, что и 1 рад данного ионизирующего излучения. Для рентгеновского и-излученияK =1,0;-частиц – 20;-частиц1,0; нейтронов – 5–20; протонов – 5; тяжелых ионов20. Влияние иных факторов (участок тела или облучаемый объем, длительность облучения, вид живого организма) учитывается безразмерным факторомN. Так, для костей, кишок, легких, желудка факторN = 0,12; мозга, почек, печени, мышц, поджелудочной железы, селезенки, щитовидной железы – 0,05; кожи – 0,01. Таким образом, эквивалентная доза определяется выражением

. 1498149\* MERGEFORMAT (.)

Единицы эквивалентной дозы зиверт:1Зв = 1Дж/кг;1Зв = 100 рем (единицарем происходит от английской фразы “Radiation Equivalent in Man”).

Типичные эквивалентные дозы, встречающиеся в нашей повседневной жизни, приведены в таблице ниже.

Тип излучения	Доза
Космическое излучение	200 мкЗв (20 мрем) в течение 1 года
Естественное ионизирующее излучение	300 мкЗв (30 мрем) в течение 1 года
Естественно существующие радиоактивные материалы в организме человека	300 мкЗв (30 мрем) в течение 1 года
Флюорография легких	500 мкЗв (50 мрем) во время одной рентгеновской процедуры
Рентгенологическое исследование артерий и вен	20 мкЗв (2 мрем) во время одной рентгеновской процедуры
Ядерная электростанция	 1 мЗв (100 мрем) в течение 1 года на расстоянии 1 км от станции

1. Заряженные частицы при прохождении через вещество теряют энергию за счет электромагнитных взаимодействий с атомами вещества, что приводит к ионизации. Электромагнитные кванты (гамма, рентген) при взаимодействии с веществом передают энергию (частично или полностью) атомам и электронам вещества, итогом процесса взаимодействия также является появление ионов (положительных и отрицательных) вместо нейтральных атомов и молекул.

2. Свободные электроны и ионизированные атомы участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, в т.ч. чрезвычайно реакционноспособные “свободные радикалы”.

3. Свободные радикалы вызывают химическую модификацию молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.

4. Гибель клеток или такие в них изменения, которые приводят к развитию рака.

Летальная доза для человека – порядка Зивертов.

Словарь

Аминокисло́ты(аминокарбо́новые кисло́ты) — органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные (СООН) и аминные группы (NH2).

Вторичная структура - конформационное расположение главной цепи (англ. backbone) макромолекулы (например, полипептидная цепь белка), независимо от конформации боковых цепей или отношения к другим сегментам.

Гистоны. Хромосомная ДНК упакована в компактную структуру с помощью специализированных белков. Все ДНК-связывающие белки эукариот подразделяются на два класса: гистоны - структурные белки эукариотических хромосом и негистоновые хромосомные белки . Комплекс обоих классов белков с ядерной ДНК эукариотических клеток называется хроматином . Гистоны являются уникальной характеристикой эукариот и присутствуют в огромных количествах на клетку (около 60 миллионов молекул каждого типа на клетку).Гистоны- относительно небольшие белки с очень большой долей положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина); положительный заряд помогает гистонам крепко связываться с ДНК (которая заряжена сильно отрицательно) независимо от ее нуклеотидной последовательности. Возможно, гистоны только изредка диссоциируют от ДНК и таким образом, вероятно, оказывают влияние на любой процесс, происходящий на хромосомах.

Гликозиды- продукты соединения (посредством легко гидролизуемых гликозидных связей) циклических 5- и 6-членных сахаров.

Гликолипиды- сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. У гликолипидов имеются полярные «головы» (углевод) и неполярные «хвосты» (остатки жирных кислот). Гликолипиды широко представлены в тканях, особенно в нервной ткани, в частности в ткани мозга. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.

Гликопротеиды- сложные белки, в которых белковая (пептидная) часть молекулы ковалентно соединена с одной или несколькими группами гетероолигосахаридов.

Цистинурия- наследственное заболевание, характеризующееся нарушением транспорта ряда аминокислот (цистина, лизина, орнитина и аргинина) в эпителиальных клетках канальцев почек и кишечного тракта.

Жирные кислоты- алифатические одноосновные карбоновые кислоты с открытой цепью.

Жирные спирты— тип липидов. Это высокомолекулярные спирты, содержащие 1-3 гидроксильные группы.Ы

Липи́ды(от греч. λίπος, lípos — жир) — широкая группа органических соединений, включающая жирные кислоты, а также их производные, как по радикалу, так и по карбоксильной группе.

Наследуемый сфероцитоз— гемолитическая анемия вследствие дефекта клеточной мембраны эритроцитов, проницаемость мембраны для ионов натрия становится избыточной, из-за чего эритроциты приобретают шарообразную форму, становятся ломкими и легко подвергаются спонтанному гемолизу.

Третичная структура(или трехмерная структура) - пространственное строение (включая конформацию) всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи.

Флоридзин- органическое соединение, относящееся к гликозидам.

Фосфолипи́ды— сложные липиды, сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жирных кислот. Содержат остаток фосфорной кислоты и соединенную с ней добавочную группу атомов различной химической природы.

Хроматин - сложная смесь веществ, из которых построены хромосомы эукариот. Основными компонентами хроматина являются ДНК, гистоны и негистоновые белки, образующие высокоупорядоченные в пространстве структуры. Соотношение ДНК и белка в хроматине составляет ~1:1, а основная масса белка хроматина представлена гистонами.

111