Строение и важнейшие свойства ядер

Ядром называется центральная часть атома, в которой содержится практически вся масса атома и его положительный заряд.

Все атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

Заряд ядра – равен величине z·e, где z – порядковый номер химического элемента в периодической системе, равный числу протонов в ядре, e – заряд протона.

Число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Здесь N – число нейтронов, Z – число протонов. Нуклонам приписывается массовое число, равное единице, электрону – массовое число, равное нулю.

Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами. Любой химический элемент обозначается символом .

Известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственных радиоактивных изотопов.

Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра, не сообщая ему кинетической энергии.

Энергия связи ядра определяется той работой, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии.

Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов, что объясняется выделением энергии связи. Если W_св – энергия, выделяющаяся при образовании ядра, то соответствующая ей масса m = W_св/с² называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов.

Если ядро с массой М_я образовано из z протонов массой m_p и из (А – Z) нейтронов массой m_n, то

Вместо М_я величину Δm можно выразить через атомную массу М_а:

(9.1)

где m_H – масса водородного атома.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов. Условие минимума энергии ядра приводит к соотношению между Z_УСТ и А:

(9.2)

Берется целое число, ближайшее к тому, которое получается по этой формуле. При малых и средних значениях А число протонов и нейтронов в устойчивых ядрах примерно одинаковы. С ростом порядкового номера силы кулоновского отталкивания растут пропорционально Z², и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно расти быстрее числа протонов.

 

Радиоактивность

 

Под радиоактивностью понимается превращение неустойчивых изотопов одного элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц.

Различают искусственную и естественную радиоактивность. Естественная наблюдается у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается излучением γ-фотона.

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

(9.3)

где N₀ –число ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t =0; N – число ядер в том же объеме к моменту времени t; λ – постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за одну секунду и равная доле ядер, распадающихся в единицу времени.

Величина 1/λ является средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа.

Характеристикой устойчивости ядер относительно распада является период полураспадаТ_1/2 – время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного изотопа уменьшается наполовину.

Связь между λ и Т_1/2:

Т_1/2 = ln2/λ. (9.4)

Закон сохранения электрических зарядов при радиоактивном распаде ядер:

(9.5)

где z_я·е – заряд материнского ядра; z_i·e – заряды ядер и частиц, возникших в результате распада.

Правило сохранения массовых чисел в явлениях естественной радиоактивности:

А_я = ΣА_i, (9.6)

где А_я – массовое число материнского ядра; А_i – массовые числа ядер и частиц, получившихся в результате распада.

 

9.3. α- и β-распад

К основным типам радиоактивности относятся α-распад, β-распад и спонтанное деление.

α-частица представляет собой ядро гелия α-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами более 200 и зарядами более 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам в ядре, чем отдельные нуклоны.

Правило смещения при α-распаде:

(9.7)

Здесь X и Y – соответственно символы материнского и дочернего ядер.

Термином «β-распад» обозначают три типа ядерных превращений: электронный распад (β_-), позитронный распад (β₊) и электронный захват. Первые два типа состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (нейтрино). Эти процессы происходят при превращении одного вида нуклона в ядре в другой по схеме:

В случае электронного захвата (К-захвата) превращение протона в нейтрон идет по схеме

и заключается в том, что исчезает один из электронов на ближайшем к ядру К-слое атома. Особенностью этого типа β-распада является вылет из ядра только одной частицы – электронного нейтрино.

β_--распад происходит у естественно радиоактивных и искусственно радиоактивных ядер; β₊-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности – возникновения собственных радиоактивных излучений под действием α-частиц,, нейтронов и других частиц.

Правило смещения при β_--распаде :

(9.8)

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием жесткого коротковолнового электромагнитного γ-излучения. γ-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности, оно не вызывает изменения заряда и массового числа ядра. Установлено, что γ-излучение испускается дочерним ядром, которое в момент своего образования оказывается возбужденным.

Активность радионуклида

 

Активность – мера радиоактивности, представляет собой число dN спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике ионизирующего излучения за интервал времени dt:

А = dN/dt. (9.9)

Единица измерения активности – беккерель (Бк) – активность радионуклида в источнике, в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица – кюри (Кu). 1 Кu = 3,7·10¹⁰ Бк.

Активность А связана с числом N радиоактивных атомов в источнике в данный момент времени соотношением

A = λ·N, (9.10)

где λ – постоянная распада.