Строение вещества

Лекция 2. Физические основы радиобиологии

1. Строение вещества.

2. Явление радиоактивного распада

3. Радиоактивные превращения. (a, b, p - распады, g-излучение). Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Все вещества состоят из атомов - нейтральных частиц размером 10^-10 м. Атом состоит из ядра и электронной оболочки, содержащей Z электронов. Масса атомной оболочки ничтожно мала по сравнению с массой ядра. Заряд ядра равен +Z. Атомное ядро содержит Z протонов и А - Z нейтронов, всего А частиц: А= Z_p + (A-Z) n.

В 1932 г В.Гейзенберг ввел представление о нуклоне - частице, два разных состояния которой представляют протон и нейтрон. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом (А). В ядерных превращениях общее число нуклонов в ядре не меняется. Число протонов в ядре - Z; число нейтронов: А - Z º N; Z совпадает с порядковым номером химического элемента и равен числу электронов в атомной оболочке.

Атомное ядро - весьма устойчивое образование с энергией связи ~ 10 МэВ на одну частицу.

Электрон, , открыт в 1897 г Дж. Дж. Томсоном. Заряд электрона равен 1,602 × 10^-19Кл; масса составляет 9,1× 10^-31г или 0,511 кэВ. Электрон является наилегчайшей из всех заряженных частиц, он абсолютно стабилен, во всяком случае его период полураспада превышает 2 × 10²² лет.

Протон, р, был открыт в 1919 г Э. Резерфордом. Масса протона на три порядка больше массы электрона (в 1836 раз) и составляет 1,67 × 10^-27 кг или 938,3 МэВ. Протон несет положительный заряд, равный заряду электрона (расхождение зарядов р и составляет 10^{- 21}!). Факт строгой квантованности электрического заряда - одна из великих загадок Природы. Протон является составной частицей, обладающей структурой (модель кварков) и размерами R_р≈ 10^{- 15}. Протон довольно стабилен: ³ 6,5 × 10³¹ лет.

Нейтрон, n - история его открытия (1919-1932 гг) связана с именами Э.Резерфорда, Ирен и Фредерика Жолио-Кюри; Дж Чедвика. Нейтрон не имеет электрического заряда: q_n =0; точнее /q_n/< 10^{- 21}е. Значения массы: m_n»1838,7m_e» 1,68×10^{- 27}кг» 939,6 МэВ. Масса n» массе p. Нейтрон является составной частицей: в отличие от протона, свободный нейтрон нестабилен и распадается по схеме: ; = 925с» 15 мин.

Фотоны, g, не входят в состав атома, а рождаются и уничтожаются непосредственно в процессе электронных переходов. Кванты долгое время не признавались частицами, т.к. они обладают волновыми свойствами, делокализованы в пространстве, легко рождаются и уничтожаются. Потом выяснилось, что все эти свойства присущи частицам, прежде всего электронам.

Данное атомное ядро, состоящее из Z протонов и А-Z нейтронов (всего А нуклонов) обозначают: . Так как символ элемента однозначно определяет его положение в Периодической системе, Z часто опускают: или ^89,90Sr, или Sr-89, 90.

Совокупность ядер (атомов), идентичных по своему составу, т.е. с одинаковыми Z и А, называют нуклидом. Различные нуклиды с одним и тем же Z и разными А называют изотопами. Таким образом, изотопы отличаются только количеством нейтронов в ядре, вследствие чего отличаются их массовые числа: ¹²⁵I; ¹²⁹I; ¹³¹I (протонов - 53, нейтронов -72; 76 и 78 соответственно). Существованием нейтронов объясняется тот факт, что атомная масса большинства элементов отличаются от целых чисел: у природного хлора М» 35,5, т.к. он состоит из 76% ³⁵Сl и 24% ³⁷Сl. Химические, микроскопические, биологические свойства изотопов практически тождественны. По ядерным свойствам изотопы отличаются очень резко.

Различные нуклиды, обладающие одним и тем же массовым числом А, называют изобарами. Их ядра содержат одинаковое количество нуклонов, но разное число протонов, разное нейтронов. Например: .