Характеристика элементарных частиц

Одноименно заряженные частицы - протоны - отталкивают друг друга, но эта сила нейтрализуется ядерными силами притяжения, действующими на очень близких расстояниях. По мере возрастания числа протонов силы отталкивания увеличиваются и могут превзойти ядерные силы сжатия. Нейтрализовать силу отталкивания протонов помогают нейтроны. Поэтому по мере увеличения в ядрах протонов число нейтронов растет быстрее, чем число протонов. Например, ₉₂U²³⁹ имеет 92 протона и 147 нейтронов.

Электроны располагаются на оболочках упорядоченно. Каждая оболочка, за исключением внешней, полностью заполнена и имеет свой энергетический уровень. Энергетические уровни по порядку от ядра заполняются электронами в количестве 2, 8, 18, 18, 32, 32. Химические свойства элементов зависят от общего количества электронов и их количества на внешней оболочке, так как они взаимодействуют при химических реакциях. Атомы с заполненными электронными внешними оболочками химически наиболее устойчивы. Например: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон.

Не следует представлять, что элементарные частицы - это какие-то кусочки вещества, которые можно было бы увидеть под микроскопом, переместив с одного места в другое. Каждая частица обладает одновременно волновыми и корпускулярными свойствами. Заряд электрона и протона не может быть ни больше, ни меньше единицы. Частицы могут поглощать и испускать порции (кванты) электромагнитной энергии определенной частоты.

Изотопы. Элементы, имеющие одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов, называются и зотопами. Например, кислород имеет шесть изотопов: О¹⁴, О¹⁵, О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸, О¹⁹ хотя один и тот же заряд. Это значит, что в ядрах элемента кислорода может быть разное количество нейтронов. Легкого кислорода содержится в воздухе в сотни раз больше, чем тяжелого и сверхтяжелого. Уран-238 имеет 92 протона и 146 нейтронов; уран-235 имеет 92 протона и 143 нейтрона. Водород имеет три изотопа: протий, дейтерий и тритий. Изотоп протий самый распространенный и составляет 99,98%. Свинец также имеет три изотопа: свинец-206, 207 и 208. Указанная же в таблице Менделеева масса элемента является средней. Нет изотопов у небольшой части элементов: фтора, натрия, иода, золота и других. Зато у олова известно десять изотопов.

Радиоактивность

Радиоактивность - свойство атомных ядер элементов приходить в более устойчивое энергетическое состояние с выделением элементарных частиц и лучей. Прежний химический элемент превращается в новый. Наблюдается процесс непрерывного последовательного превращения элементов.

Преодолевая ядерные силы (барьер), частица оказывается под действием электрических сил отталкивания и вылетает из атома с большой скоростью (энергией). Энергия, необходимая для преодоления энергетического барьера, возникает внутри ядра или вне его.

Различают следующие основные механизмы радиоактивного превращения: альфа-превращение, бета-превращение, электронный захват (К-распад), спонтанное деление ядра. В результате распада происходит вылет частиц и выделение энергии. Альфа-частицы - тяжелые положительно заряженные ядра атомов гелия, бета-частицы - отрицательно заряженные электроны, гамма-излучение - электромагнитные кванты сверхвысокой частоты.

Радиоактивные ряды. Большинство радиоактивных элементов в природе - это тяжелые элементы с порядковыми номерами более 81 и массой более 200, но есть и более легкие элементы, например, калий 40, ванадий 50. До нашего времени осталось около 250 - 300 природных изотопов, из них 50 долгоживущих. Все известные радиоактивные элементы группируются в три основных ряда: урано-радиевый 238U, ториевый 232Th, актиноурановый АсU (235U). Родоначальниками рядов являются элементы больших периодов полураспада. В середине каждого ряда имеются радиоактивные газы (эманации). Наиболее долгоживущая эманация - радон. Радон хорошо перемещается в горных породах и концентрируется в тектонических трещинах и рыхлых отложениях. Торон и актинон имеют малую продолжительность жизни и поэтому вдали от источника образования не встречаются.

Конечным продуктом распада является свинец. Ряд состоит из 15-18 изотопов и характеризуется элементами a и b-излучения.

По мере уменьшения заряда изотопа в каждом ряду наблюдается уменьшение периода полураспада и увеличение энергии излучения a и b-частиц. В ряду тория g-излучение более жесткое (0,54-2,62 МэВ), чем в ряду урана (0,24-2,43 МэВ), что является основой для идентификации рядов.

Законы радиоактивного превращения. Радиоактивное превращение элементов происходит по закону:

N_t=N₀ exp(-lt),

где l - постоянная распада (скорость распада в ед. времени), N _t - число атомов на время t, N₀ - начальное число атомов.

Постоянная радиоактивного распада определяется опытным путем. На ее величину не влияют изменения температуры, давления. Период полураспада (Т) - время, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов: Т=0,693/l или lt=0,693. В каждом ряду радиоактивных превращений с течением времени устанавливается равновесие, когда образование и распад атомов каждого радиоактивного элемента уравнивается:

l₁N₁=l₂N₂=l₃N₃=...=l_nN_n

Нарушение равновесия происходит при выносе элементов под действием растворения, вымывания, выветривания, миграции.

Энергия частиц

Энергия частиц. Энергия частиц выражается в электроновольтах (эВ), килоэлектроновольтах (кэВ), мегаэлектроновольтах (МэВ). Электрон-вольт - энергия, приобретаемая электроном в поле напряженностью 1 вольт.

1 эВ = 1,6*10^-19 Дж

От величины энергии частиц зависит их проникающая способность и взаимодействие с ядрами элементов облучаемого вещества. Энергия g-квантов изменяется от 0,02 до 3 МэВ и характеризуется: слабых энергий до 1,5 МэВ, мягкого излучения - (0,5 - 1 МэВ), жесткого излучения - более 1 МэВ. Нейтроны по энергии различают: быстрые - более 0,5 МэВ, промежуточные - (1 кэВ - 0,5 МэВ), медленные - (10 эВ - 1 кэВ), резонансные - (1 - 10 эВ), подтепловые - (0,05 - 1 эВ), тепловые - менее 0,025 эВ. Указанная классификация приближенная.

Таблица 9.2