Радиоактивное превращение ядер

Тема 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА, ОБЪЕКТОВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Радиоактивные излучения в природе возникают в результате радиоактивных превращений ядер атомов. Знание этих превращений позволит объективно оценить степень опасности излучений и решать задачи защиты от них.

1.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТОМЕ И АТОМНОМ ЯДРЕ

Напомним некоторые понятия из основ химии и ядерной физики:

1. Атом наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Каждому химическому элементу соответствует определенный состав атома. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном в составе молекул. Все химические и физические свойства атома определяются особенностями его строения. Атомы имеют размеры порядка 10^-10м и массу 10^-27кг.

2. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Модель строения атома была предложена в 1913 году датским физиком Н. Бором, за основу которой была принята планетарная модель Э. Резерфорда. Принято считать, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся по строго определенным орбитам отрицательно заряженные частицы - электроны. Электроны удалены от ядра на расстояние примерно 10^-5м. Величина заряда электрона составляет 1,6×10^-19Кл, а масса меньше ядра атома водорода примерно 1840 раз и составляет 9,1×10^-31кг. Основная масса атома сосредоточена в ядре, на долю электронов приходится менее 0,05% массы атома. Располагаясь на различных растояниях от атомного ядра, электроны образуют электронные слои (электронные оболочки). На каждой оболочке К (номер оболочки) может быть не более 2К² электронов. Каждая оболочка характеризуется своим энергетическим уровнем. Если электроны заполняют свои орбиты, то атом находится в устойчивом состоянии.

Наша справка. В атоме, в ядре атома, во Вселенной взаимодействие противодействующих сил стремится к динамическому равновесию.

Если орбитальный электрон получает дополнительную энергию извне, то он переходит на более удаленную орбиту (атом становится возбужденным). Стремясь к равновесию, через некоторое время электрон вернется на свою орбиту, при этом будет выделена энергия в виде фотона равная hν (постоянная Планка h = 6,6262×10^-34Дж/сек., ν - частота гамма-кванта).

3. Плотность ядерного вещества очень велика и составляет 1,8х10¹⁷ кг/м³. Это свидетельствует об огромной внутриядерной энергии. Наибольшая плотность ядерного вещества у элементов расположенных в средней части периодической таблицы Д.И. Менделеева.

4. Ядро имеет сложную структуру и до конца не изучено, но для понимания природы радиоактивности достаточно рассмотреть только основные его части, основные силы и некоторые основные элементарные частицы.

Элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом, спином и рядом других величин. К настоящему времени сложилась определенная классификация элементарных частиц, объединяющая их в три группы: фотоны, лептоны и адроны. К группе фотонов относится одна частица – фотон, который является переносчиком энергии электромагнитными волнами.

К группе лептонов относятся – электрон, мюон, таоон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Лептоны являются фермионами, спин им приписывают равным ½.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны, к которым относятся каоны, h-мезоны, нуклоны, гипероны, а также их античастицы. Ведутся работы по поиску новых частиц, которые бы являлись основой для построения всех адронов. Существует гипотеза о существовании кварков, с помощью которых можно построить все известные адроны.

Ядра состоят из нуклонов. ² Нуклоны (от латинского nucleus – ядро) – общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все ядра атомные, т.е. нуклон это название ядра атома, состоящего из нейтронов и протонов.