Основы ядерной физики

Основы ядерной физики

1.1. СТРОЕНИЕ АТОМА. ПОНЯТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ АТОМ – самая маленькая часть химического элемента, сохраняющая все его свойства, его размеры 10-8 см, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в виде электронного облака по электронным орбиталям. Атом в целом электронейтрален. ЭЛЕКТРОН – устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 атомной единицы массы (а.е.м.) или 9,1×10-28 грамм. Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества, равный 1,6×10-19 Кл, который в ядерной физике принят за единицу. Электроны перемещаются по эллиптическим орбитам, образуя электронную оболочку атома в виде облачка. Число электронных орбиталей колеблется от одной до семи соответственно группам химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, обозначаются буквами латинского алфавита.

ЯДРО – атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов, и нейтральных в электрическом отношении частиц – нейтронов, которые в целом называются нуклонами. Они находятся в постоянном движении и между ними действуют внутриядерные силы притяжения. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и обозначается в левом нижнем углу символа элемента буквой Z, а суммарное число протонов и нейтронов – в левом верхнем углу и обозначается буквой М, оно соответствует атомной массе химического элемента. Например: 235 92U. ЯДРО – атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов, и нейтральных в электрическом отношении частиц – нейтронов, которые в целом называются нуклонами. Они находятся в постоянном движении и между ними действуют внутриядерные силы притяжения. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и обозначается в левом нижнем углу символа элемента буквой Z, а суммарное число протонов и нейтронов – в левом верхнем углу и обозначается буквой М, оно соответствует атомной массе химического элемента. Например: 235 92U.

Схематическое представление ядра атома 12C

При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить с одного энергетического уровня (орбиты) на другой или даже покидать пределы данного атома. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением. При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома, удаляются за его пределы, а атом превращается в положительный ион, а атом, присоединивший один или несколько электронов – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить с одного энергетического уровня (орбиты) на другой или даже покидать пределы данного атома. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением. При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома, удаляются за его пределы, а атом превращается в положительный ион, а атом, присоединивший один или несколько электронов – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией.

Схематическое представление акта ионизации молекул воды электроном

В природе большинство химических элементов состоит из смеси атомов с различным числом нейтронов, но с постоянным числом протонов – такие атомы называются изотопами. Атомы химического элемента с одинаковым массовым числом, но ядра которых находятся в различном энергетическом состоянии, называются изомерами. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами. Например: элемент уран состоит из изотопов 238U – 98,5% и 235U – 1,5%. Изотопы подразделяются на 2 группы: стабильные и радиоактивные. Ядра атомов, обладающих радиоактивностью – радионуклиды (РН). В природе большинство химических элементов состоит из смеси атомов с различным числом нейтронов, но с постоянным числом протонов – такие атомы называются изотопами. Атомы химического элемента с одинаковым массовым числом, но ядра которых находятся в различном энергетическом состоянии, называются изомерами. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами. Например: элемент уран состоит из изотопов 238U – 98,5% и 235U – 1,5%. Изотопы подразделяются на 2 группы: стабильные и радиоактивные. Ядра атомов, обладающих радиоактивностью – радионуклиды (РН).

РАДИОАКТИВНОСТЬ – превращение атомных ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов с выделением энергии в виде электромагнитного излучения (гамма- и рентгеновское излучения) и корпускулярных частиц (альфа-, бета-, нейтронное, позитронное излучения). РАДИОАКТИВНОСТЬ – превращение атомных ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов с выделением энергии в виде электромагнитного излучения (гамма- и рентгеновское излучения) и корпускулярных частиц (альфа-, бета-, нейтронное, позитронное излучения). Радиоактивные излучения, происходящие в природе без внешнего воздействия, называются естественной радиоактивностью, а в искусственно полученных под воздействием альфа-, нейтронного излучений веществах (через ядерные реакции) – искусственной или наведенной радиоактивностью.

В настоящее время известны 3 естественных радиоактивных семейства: 1. Урана-радия – 238U и 226Ra, которые через 8 альфа- и 6 бета-распадов превращаются в стабильный изотоп свинца –208Pb 2. Тория – 232Th, который через 6 альфа- и 4 бета-распадов превращается в стабильный изотоп свинца. 3. Актиния-урана – 235U и 235Ac, которые в результате 7 альфа- и 4 бета- распадов также превращаются в стабильный изотоп свинца

Скорость ядерных превращений характеризуется активностью – числом ядерных превращений в единицу времени. В системе СИ за единицу активности радионуклидов принимается единица беккерель (Бк), равная одному ядерному превращению в 1 секунду. 1 Бк = 1 расп./с Внесистемной единицей активности радионуклидов является единица Кюри (Ки) – это такое количество радиоактивных веществ, в котором число радиоактив-ных превращений в 1 секунду равно 3,7 × 1010. Эта величина соответствует радиоактивности 1 г радия. 1 Ки = 3,7 × 1010 расп./с = 3,7 × 1010 Бк Применяются также дольные и кратные величины

Единицами удельной активности или концентрации, т.е. активности на единицу массы или объема являются следующие величины: Ки/мл, Ки/г, Бк/г, Бк/мл и др. Единицей гамма-активности радиоактивных источников является эквивалент 1 мг радия. Миллиграмм эквивалент радия (мг-экв. радия) равен активности любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого создает при одинаковых условиях такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона при платиновом фильтре 0,5 см на расстоянии 1 см от источника. Точечный источник в 1 мг (1 мКи) радия создает мощность экспозиционной дозы 8,4 Р/ч. Эта величина называется ионизационной гамма-постоянной радия и обозначается символом Кγ.