1.1. Строение и важнейшие свойства атома и его ядра

Чтобы понять, каким образом при ядерных реакциях освобождается колоссальное количество энергии, заключенной в ядрах атомов, необходимо знать строение атома и его ядра.

Атом – это наименьшая частица химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны, составляющие электронную оболочку атома (рис. 1). Электрон – это элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а.е.м. (1 а.е.м. = 1,66´10^–27 кг). Заряд электрона е = 1,602´10^–19 Кл.

Электроны в атомах могут двигаться без потери энергии только по определенным орбитам (рис. 2). Количество орбит, по которым вращаются электроны, может быть произвольно, но они группируются в электронные слои. Слоев может быть семь: К, L, М, N, O, P, Q. Каждый слой содержит строго определенное число электронов. Чем он ближе к ядру, тем выше энергия связи с ядром и наоборот. Поэтому электроны с орбит внешних электронных слоев сорвать значительно легче, чем с орбит внутренних электронных слоев. Переход электрона с ближайшей к ядру орбиты на более удаленную происходит с поглощением порции (кванта) энергии. При возвращении электрона на ближайшую орбиту происходит выделение такого же количества энергии.

Ядро при аналогичных переходах излучает гамма-кванты.

Рис. 1. Строение атома: Рис. 2. Схема атомных

1 – протон; 2 – нейтрон; электронных оболочек:

3 – электрон; 4 – орбиты 1 – ядро; 2 – электроны;

3 – электронные оболочки

В нормальном, т.е. устойчивом, состоянии атом не выделяет и не поглощает энергии. При воздействии на атом, например, рентгеновскими лучами происходит возбуждение атома, т.е. один из электронов переходит на какую-либо из внешних орбит, в результате чего энергия атома увеличивается. В этом случае происходит возбуждение атома.

Возбужденный атом неустойчив, поэтому он через очень короткий промежуток времени (миллионные доли секунды) вновь возвращается в устойчивое состояние, при этом восстанавливается первоначальная структура электронной оболочки.

При переходе атома в энергетически более устойчивое состояние освобождается энергия в виде фотона – элементарной частицы, электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения).

Обычно атом электрически нейтрален, т.к. отрицательный суммарный заряд всех электронов по абсолютной величине равен заряду ядра. Если увеличить энергию, передаваемую электрону, то он может оторваться от атома, в результате чего атом превращается в положительно заряженный ион. Этот процесс называется ионизацией. На ионизацию атома затрачивается энергия, равная энергии связи электрона в атоме. Обратный процесс, т.е. захват положительно заряженным ионом свободного электрона, называется рекомбинацией: при этом выделяется энергия, равная энергии связи электрона с ядром.

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

Ядро состоит из протонов – положительно заряженных частиц (р) и нейтронов (n), частиц, не имеющих заряда. Обе частицы, протоны и нейтроны, носят общее название – нуклоны.

Протон (от греч. protos – первый) – это элементарная частица, имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е = 1,602´10^-19 Кл, и массу покоя m_p = 1,6726´10^-27 кг = = 1836m_е. Зарядом протонов объясняется положительный заряд ядра в целом.

Нейтрон – нейтральная элементарная частица, которая не имеет электрического заряда, он чуть тяжелее протона и имеет массу покоя m_n = 1,6748´10^-27 кг = 1839 m_е. Поэтому, хотя ядро в десятки тысяч раз меньше атома, в нем сосредоточена почти вся масса атома.

Масса ядра определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов), а заряд ядра равен сумме зарядов входящих в его состав протонов. Число, равное общему количеству нуклонов и характеризующее массу ядра, называется массовым числом (А), которое численно равно общему числу протонов (Z) и нейтронов (N), входящих в состав ядра А = Z + N. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева и называется зарядовым числом ядра. Поскольку Z выражает число протонов, а А число нуклонов в ядре, то число нейтронов в атомном ядре N = А – Z.

Для химических элементов принято следующее обозначение Х: слева вверху у символа химического элемента пишется массовое число, а внизу – зарядовое число. Например, изотоп плутония Pu означает, что массовое число А = 239, зарядовое число Z = 94, число нейтронов N = А – Z=239-94=145.

В ядре атома каждого химического элемента находится строго определенное количество протонов. Например, в ядре атома водорода содержится 1 протон, в ядре атома He – 2 протона, Li – 3 протона и т.д. Число же нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может быть различным.

Атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов в ядре называются изотопами. Электронные оболочки изотопов одного и того же химического элемента одинаковые. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке периодической таблицы Менделеева.

Большинство химических элементов состоит из нескольких изотопов. Так, наряду с обычным водородом существует тяжелый водород (дейтерий), ядро которого содержит один протон и нейтрон, а также сверхтяжелый водород (тритий), ядро которого содержит протон и два нейтрона (рис. 3). При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода, ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. Тритий имеет атомную массу 3, он бета-активен, с периодом полураспада 12 лет.

Рис. 3. Схема строения атомов изотопов водорода:

а) водород; б) дейтерий; в) тритий

Смесью трех изотопов является природный уран, который состоит из U-238 (99,28 %), U-235 (0,714 %), U-234 (0,006 %), ядра этих изотопов содержат соответственно 146, 143 и 142 нейтрона.

Всего известно около 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Некоторые изотопы, встречающиеся в природе, и почти все изотопы, которые получены искусственным путем, не могут существовать сколь угодно долго. Такие неустойчивые изотопы принято называть радионуклидами.

Атомные ядра с одинаковым массовым числом А и разным Z называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов N (N = A – Z) – изотонами.

Например: ядра Ar, K, Ca – изобары (для них А = 40);

а ядра Хе, Ва, La – изотоны (для них N = 82).

Явление радиоактивности.

Явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Каждый такой отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом. Если радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа-частиц, то это альфа-распад; бета-частиц – бета-распад.

Альфа- и бета-распад обычно сопровождаются гамма-излучением.

Возникающие при самостоятельных превращениях ядер атомов потоки элементарных частиц или их групп являются ионизирующими излучениями. Различают три вида радиоактивных излучений: альфа-, бета- и гамма-излучение.

Из общего числа (около 2 тыс.) известных ныне радиоактивных нуклидов лишь около 300 являются природными, остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций.

Самопроизвольные превращения радиоактивных ядер приводят к непрерывному уменьшению числа ядер атомов исходного радионуклида и образованию дочерних продуктов.

Для определенного радиоактивного вещества вероятность распада каждого ядра одинакова в любой момент времени, т.к. ядра распадаются независимо друг от друга.