1.1 Радиоактивные превращения ядер

Радиоактивность – это свойство некоторых нестабильных атомов подвергаться спонтанному (самопроизвольному) распаду и изменению своего нуклонного состава (количество протонов и нейтронов в ядре) и (или) энергетического состояния с образованием новых более стабильных атомов и испусканием ионизирующих излучений с большей или меньшей проникающей способностью.

Радиоактивностью обладают некоторые нестабильные элементы, способные самопроизвольно распадаться или изменять свой нуклонный состав, испуская ионизирующие излучения.

Естественная радиоактивность урана была открыта в мае 1896 г. французским ученым физиком Анри Беккерелем. За полгода до него (8 ноября 1895 г.) физик Вюрцбургкого (Германия) университета Вильгельм Конрад Рентген открыл антропогенное излучение «катодной трубки» (Х – лучи). Оба в последующем стали лауреатами Нобелевской премии.

1898 г. ученица Беккереля Мария Складовская – Кюри (в последующем дважды лауреат Нобелевской премии) и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что торий также испускает лучи Беккереля, названные ими «радиоактивностью». Они выделили еще два радиоактивных элемента – полоний и радий.

С войством радиоактивности обладают все элементы таблицы Менделеева тяжелее висмута – 83 (⁸³Bi) и два более легких элемента: технеций – 43 (⁴³Тс) и прометий – 61 (⁶¹Рт).

Нестабильность атомов объясняется конкуренцией между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обусловливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, содержащие избыток нейтронов над числом протонов, оказываются нестабильными, т.к. масса нейтрона превышает массу протона. Радиоактивность – самое древнее явление в природе. Оно существовало до возникновения Земли. Из имеющихся в природе почти 3 тыс. химических элементов стабильными являются около 300.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Модель построения атома была предложена в 1913 году датским физиком Н. Бором, за основу которого была принята планетарная модель Э. Резерфорда.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся по строго определённым орбитам отрицательно заряженные электроны. Положительный заряд атома сосредоточен в малом по размерам ядре атома. Атомы имеют средний размер порядка 10 – 8 см и массу 10 ^{– 27} кг. Размеры ядер приблизительно в 105 раз меньше диаметра всего атома. Электроны удалены от ядра на расстоянии ≈ 10 ^{– 5} м.

Величина заряда электрона составляет 1,6 • 10 ^{– 19} Кл, а масса больше ядра атома водорода в 1836 раз и составляет 9,1 • 10 ^{– 31} кг. Основная масса атома сосредоточена в ядре, на долю электронов приходится менее 0,05% массы атома. Располагаясь на определенных расстояниях от атомного ядра, электроны образуют электронные слои (электронные оболочки), рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 – Строение электронных оболочек атома

На ближайшей к ядру К – оболочке может располагаться не более 2 – х электронов ( 2К²), на следующей L – оболочке – 8 электронов, на М – оболочке – 16, на N – оболочке – 32 электрона и т.п. Отметим, что с увеличением Z идет последовательное заполнение электронных оболочек.

Если электроны заполняют свои орбиты, то атом находится в устойчивом состоянии.

Если орбитальный электрон получает дополнительную энергию извне, не превышающую энергию связи электрона с ядром, то он переходит на более удаленную орбиту (атом становится возбужденным).

Стремясь к равновесию, через некоторое время (примерно через 10 ^{– 8} с) электрон вернётся на свою орбиту, при этом будет выделена электромагнитная энергия в виде фотона, равная Е =hv (пост. Планка h = 6,6262 • 10 ^{– 34} Дж/сек, v – частота гамма – кванта).

Если электрон получает дополнительную энергию извне, превышающую энергию связи электрона с ядром, то последний покидает атом, превращая его в положительно заряженный ион.

Ядра состоят из нуклонов (протоны и нейтроны) и других частиц.

Нуклоны (от лат. nucleus – ядро) – общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

Нуклиды, общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов, нейтронов. Условно каждый химический элемент (нуклид) записывается как , где М – массовое число, Z – заряд ядра или порядковый номер элемента.

Нуклиды с одинаковым числом в ядре химического, элемента протонов и разным количеством нейтронов называются изотопами.

Термин изотопы следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента. Например, изотопы урана , , , изотопы углерода и . Когда речь идет об атомах различных элементов (включая изотопы), рекомендуется использовать термин нуклиды.

НУКЛИДЫ – разновидности атомов с данным массовым числом и атомным номером. Например, смесь нуклидов , , , , , .

• Протон (от греч. protos – ядро) – относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом, равным заряду позитрона и массой ~ 1836 m_е (m – масса электрона). Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, при этом число протонов в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Среднее значение жизни протона более 1030 лет.

• Позитрон – элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона.

• Нейтрон – электрически нейтральная элементарная частица с массой ~ 1840 mе, незначительно превышающей массу протона. Среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии (вне ядра) ~ 15,3 мин. При слабом взаимодействии в ядре нейтрон может превратиться в протон через бета – распад с выбросом электрона (условно заряд равен минус единице) и антинейтрино.

Если просуммировать массы протонов и нейтронов в атомном ядре (масса протона 1,007277 АЕМ, нейтрона – 1,086652 АЕМ), то обнаружится, что эта сумма больше массы ядра, в состав которого они входят. Данное явление получило название ДЕФЕКТА МАССЫ ∆М. Дефект массы всех известных ядер – положительная величина. Дефект массы, переведенный в эквивалентную энергию, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна Е = ∆М*С², где С – скорость света, дает значение энергии, выделяемой при синтезе ядра данного нуклида из протонов и нейтронов. Такую же энергию необходимо затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Это определяет понятие энергии связи ядра.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ (Ес) – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на его составляющие нуклоны или та энергия, которая выделится при объединении протонов и нейтронов в ядро.

Энергия связи измеряется в электрон – вольтах (эВ). Один ЭЛЕКТРОН – ВОЛЬТ – это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Так, например, электроны в кинескопе телевизора за счет напряжения по трубке 16000 вольт разгоняются, соответственно, до энергии в 16 кило – электрон – вольт (кэВ) или 0,016 мега – электрон – вольт (МэВ). Один электрон – вольт равен 1,6·10 ^{– 19} джоулей.

Если дефект массы ∆М выражен в атомных единицах массы, то Ес = 931*∆М МэВ.

Величина энергии связи ядра зависит от его массового числа М и меняется от 2,224 миллиона электрон – вольт (МэВ) для дейтерия до сотен МэВ для тяжелых элементов таблицы Менделеева. Сами по себе значения Ес сравнительно невелики, но соотнесем их с энергией химических превращений. При сгорании килограмма самого высококалорийного топлива – водорода, выделяется 1,2·10⁸ джоулей, что в переводе на один атом вещества составит всего лишь 12 эВ. Из сравнения рассмотренных величин видно, что ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ, проявлением которых и является энергия связи, имеют иную природу, нежели силы, определяющие химическое взаимодействие атомов. Ядерные силы в миллионы раз превышают силы химического взаимодействия атомов в молекуле, действуют на коротком расстоянии, не зависят от электрического заряда и определяют взаимодействие между нуклонами в ядре атома. Эти силы являются силами притяжения, компенсируют кулоновское отталкивание протонов в ядре и определяют стабильность или НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ЯДЕР.