Лабораторный практикум

по радиационной безопасности

Краткая теория.

1. 1. Общие сведенья об атомах и атомных ядрах.

В1911 году, английский учёный Эрнест Резерфорд предложил "планетарную" модель атома, согласно которой в центре атома расположено крохотное, но очень плотное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а электроны вращаются вокруг него по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца (рис.1). Именно этой моделью пользуются до сегодняшнего дня.

В ядре сосредоточена практически вся масса атома (99,95%). При Рис.1 обычных условиях атом является электрически нейтральным, так как положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Размеры атомов, так же как и их масса, чрезвычайно малы, и составляют около 1 нм (1·10^-9 м). Электроны очень лёгкие, почти невесомые, имеют отрицательный заряд (заряд электрона условно равен -1, соответствует элементарному заряду q_e=).

Атомное ядро любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряданейтронов. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Протон и нейтрон являются двумя зарядовыми состояниями ядерной частицы, которая называетсянуклоном. Внутри ядра протоны и нейтроны способны к взаимному превращению, однако количество протонов и нейтронов в ядре всегда величина постоянная для данного нуклида и является его важной характеристикой. Массовым числомА называется общее число нуклонов в ядре. Массовые числа нейтрона и протона одинаковы и равны 1а.е.м..

Число протонов в ядре равно числу электронов и называется зарядовым числом Z, оно совпадает с порядковым номером (атомным номером) атома данного химического элемента в периодической системе Менделеева:

№_пор= Z .

Чтобы определить число нейтронов N надо от массового числа A отнять атомный номер Z (или зарядовое число):

N = A − Z.

Нуклиды обозначаются в общем виде следующим образом: или, гдеХ– символ химического элемента,А– массовое число,Z- зарядовое число или атомный номер. Например,,,и т.д.

Электроны, движущиеся вокруг ядра, сгруппированы в электронные слои, каждый из которых содержит электроны с близкими значениями энергии.

Ядра элементов весьма устойчивы. Это значит, что кроме кулоновских сил отталкивания между протонами в ядре действуют и значительные силы притяжения, которые называют ядерными. Ядерные силы имеют следующие основные особенности:

1. Они действуют только на очень коротких расстояниях порядка размера самого ядра и за его пределами равны нулю.

2. Ядерные силы в сотни и тысячи раз превышают все другие известные в природе взаимодействия.

3. Они действуют независимо от заряда нуклона.

4. Они имеют свойства насыщения: каждый нуклон взаимодействует только с соседним с ним нуклонами, и при увеличении количества нуклонов в ядре, ядерные силы не возрастают.

5. Ядерные силы обладают особой обменной природой, не имеющей аналогий в классической физике. Согласно теории, нуклоны в ядре удерживаются вместе путем непрерывного обмена особыми элементарными частицами, которые называются квантами ядерного поля или -мезонами. Время обмена составляет~10^–23 с.

        Устойчивость атомных ядер, изотопы.

Химические свойства любого элемента не зависят от массового числа; т. к. они определяются строением электронных оболочек атома (следовательно, и Z). С другой стороны, массовое число имеет решающее значение для ядерной стабильности радиоактивных свойств атома. Для стабильных ядер отношение количества нейтронов N к количеству протонов Z равно единице: N / Z = 1, ядра для которых N / Z больше или равно 1,5 являются нестабильными.

Так, например, для изотопа отношение=1,271, а для изотопаданное отношение уже равно 1,598. Такая перегруженность ядер нейтронами и возрастание сил кулоновского отталкивания приводит к потере прочности ядра и поэтому все известные изотопы химических элементов сZ являются радиоактивными.

Для радиоактивных изотопов элементов, находящихся в начале и середине таблицы Менделеева, такой закономерности не обнаружено. Вместе с тем, для таких достаточно широко распространенных радионуклидов как ,,,,и др. соотношение нейтронов к протонам колеблется в пределах от 1,1 длядо 2 для.

Изотопы – атомы, которые имеют одинаковый атомный номер Z (одинаковый заряд ядер) и разные массовые числа. Они идентичны по химическим свойствам, но различаются по характеру радиоактивности. В таблице Менделеева более 100 химических элементов. Почти каждый из них представлен смесью стабильных и радиоактивных атомов, которые называют изотопами данного элемента. Известно около 2000 изотопов, из которых около 300 - стабильных.

Например, углерод встречается в виде смеси трех изотопов - ,,, ядра которых содержат 6 протонов и, соответственно, 6, 7 и 8 нейтронов.

Изотопы имеют одинаковый символ и определяются общим названием элемента с добавлением к нему массового числа. Например, углерод – 12, калий – 40, уран – 235 и т.д.

Радиоактивные изотопы обычно называют радионуклидами.