VIII. Будова та властивості ядер. Радіоактивність

Джерелами іонізуючого випромінювання є процеси, що відбуваються в атомних ядрах. Ядро складається з протонів та нейтронів, їх загальна кількість визначається масовим числом А. Зарядове число Z – це кількість протонів.

Традиційна форма запису ядра . По неї можна визначити:

1) склад ядра - z протонів та N = A - z нейтронів;

2) масу - , оскільки ;

3) заряд - ;

4) розмір ядра. Якщо уявляти ядро приблизно у вигляді кульки, то її радіус , де ;

5) енергію зв’язку;

6) питому активність

та деякі інші властивості ядра.

Маса ядра менша, ніж маса нуклонів, що входять до його складу. Різниці цих мас відповідає енергія зв'язку ядра:

Е_зв = (Zm_p + (A – Z)m_n – m_я)c² . (8.1)

У таблицях задані маси атомів, а не ядер, тому при розрахунку дефекту маси із табличних даних треба відняти масу електронів: .

Таким чином дефект маси

Δ m = Z (m_p + m_e) + (A - Z)m_n - m_a = Zm_H + (A - Z)m_n - m_a; (8.2) m_H = 1.00728 а.о.м.; m_n = 1.00867 а.о.м.

Δm = (Z 1.00783 + (A - Z) 1.00867 - m_a)а.о.м.; (8.3)

Е_зв. = 931,5Δm МеВ. 1 а.о.м. = 1.66 10^-27кг

Відомо десь біля 1700 різних ядер, з них стабільними є приблизно 300, інші є радіоактивними. Під радіоактивністю розуміють спонтанне (самочинне) перетворення ізотопів хімічних елементів, зумовлене розпадом їх атомних ядер.

Якщо N₀ – кількість радіоактивних ядер в момент t = 0, то к будь-якому моменту часу t внаслідок радіоактивного розпаду їх кількість зменшиться до N:

, (8.4)

де λ – стала розпаду.

Період напіврозпаду (тобто час, за який розпадається половина початкової кількості ядер) пов’язаний з середньою тривалістю життя та сталою розпаду:

. (8.5)

Важливою характеристикою радіоактивного розпаду є активність – кількість ядер, що розпадаються за одиницю часу:

А = . (8.6)

Число радіоактивних ядер N, яке міститься у масі m, можна визначити за формулою

N = mN_A/μ,

де N_A - число Авогадро; μ - молярна маса, яку легко оцінити для кожного ядра через масове число А : .

Тоді . (8.7)

У Міжнародній системі одиниць (СІ) активність вимірюється у бекерелях. Позасистемною одиницею активності є кюрі: 1Кі = 3,7 10¹⁰Бк.

Питома активність радіоактивного препарату визначається кількістю актів розпаду за одну секунду на одиницю маси чи об’єму радіоактивної речовини:

а = А/m, вимірюється у Бк/кг;

q = A/V, вимірюється у Бк/м³.

Активність одиниці маси є характеристикою нестабільних ядер:

. (8.8)

В основному відбуваються такі види радіоактивного розпаду: α-розпад, 3 види β-розпаду. Розпад може супроводжуватися γ-випромінюванням.

Схема (закон зміщення) α- розпаду:

. (8.9)

Схеми -розпаду:

1. електронний: ;

2. позитронний: + ;

3. електронний захват (чи К-захват): + ν.

Джерелами іонізуючих частинок є ядерні реакції, при яких дуже суттєву роль виграють законі збереження. З закону збереження енергії можна визначити енергетичний вихід реакції Q.

Якщо ядерна реакція відбувається за схемою , її енергетичний вихід дорівнює:

Q = (m_b + m_x – m_a – m_y)c² (8.10)

Величина Q – це енергія, яка виділяється чи поглинається у реакції. При пружному розсіянні Q = 0.