Лекция 3. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

3.1. Строение, свойства атома и ядра. 3.2. Энергия связи атомных ядер.

3.3.Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

3.4.Активность и единицы ее измерения.

3.5.Деление тяжелых ядер и цепная реакция деления.

Ионизирующее излучение – излучение, которое образуется при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков. Ионизирующее излучение не воспринимается органами чувств: мы его не видим и не слышим, не ощущаем воздействия на наши тела. Ионизирующие излучения разделяют на электромагнитное и корпускулярное.

Кэлектромагнитным (фотонным) относят рентгеновское и гамма-излучения, которые представляют собой поток электромагнитной энергии с разной (преимущественно короткой) длиной волны. Солнце является природным источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение поглощается земной атмосферой; если бы этого не происходило, то оно губительно действовало бы на все живое на Земле.

Корпускулярное ионизирующее излучение – поток элементар-

ных частиц, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, либо генерируемых на ускорителях. К нему относятся: бе- та-частицы (электроны и позитроны), нейтроны, протоны и альфачастицы (ядра атома гелия).

Кионизирующим относятся также космические излучения, которые приходят на Землю из космического пространства.

Воздействие ионизирующих излучений на вещества называется

облучением.

3.1. Строение, свойства атома и ядра

Чтобы понять, каким образом при ядерных реакциях освобождается колоссальное количество энергии, заключенной в ядрах атомов, необходимо знать строение атома и его ядра.

38

Атом – это наименьшая частица химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны, составляющие электронную оболочку атома (рис. 1).

			1
			2
	1
			3
	2
	3
	4

Рис. 1. Строение атома:	Рис. 2. Схема атомных
1 – протон; 2 – нейтрон;	электронных оболочек:
3 – электрон; 4 – орбиты	1 – ядро; 2 – электроны;
	3 – электронные оболочки

Электрон – это элементарная частица с массой покоя, равной

0,000548 а. е. м. (1 а. е. м. = 1,66 10–27 кг).

Заряд электрона е = 1,602 10–19 Кл.

Электроны в атомах могут двигаться без потери энергии только по определенным орбитам (рис. 2). Количество орбит, по которым вращаются электроны, может быть произвольно, но они группируются в электронные слои. Слоев может быть семь: K, L, М, N, O, P, Q.

Каждый слой содержит строго определенное число электронов. Чем он ближе к ядру, тем выше энергия связи с ядром, и наоборот. Поэтому электроны с орбит внешних электронных слоев сорвать значительно легче, чем с орбит внутренних электронных слоев. Переход электрона с ближайшей к ядру орбиты на более удаленную происходит с поглощением порции (кванта) энергии. При возвращении электрона на ближайшую орбиту происходит выделение такого же количества энергии.

Ядро при аналогичных переходах излучает гамма-кванты. Как и для всякой системы, наибольшая энергетическая устойчивость атома соответствует его наименьшей энергии. Состояние атома с наименьшей энергией называется нормальным, или основным, ему соответствует нахождение электрона на ближайшей к ядру, нормальной орбите.

В нормальном, т. е. устойчивом, состоянии атом не выделяет и не поглощает энергии. При воздействии на атом, например рентгеновскими

39

лучами, происходит возбуждение атома, т. е. один из электронов переходит на какую-либо из внешних орбит, в результате чего энергия атома увеличивается.

Возбужденный атом неустойчив, поэтому он через очень короткий промежуток времени (миллионные доли секунды) вновь возвращается в устойчивое состояние, при этом восстанавливается первоначальная структура электронной оболочки.

При переходе атома в энергетически более устойчивое состояние освобождается энергия в виде фотона – элементарной частицы, электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения).

Обычно атом электрически нейтрален, т. к. суммарный отрицательный заряд всех электронов по абсолютной величине равен заряду ядра. Если увеличить энергию, передаваемую электрону, то он может оторваться от атома, в результате чего атом превращается в положительно заряженный ион. Этот процесс называется ионизацией. На ионизацию атома затрачивается энергия, равная энергии связи электрона в атоме. Обратный процесс, т. е. захват положительно заряженным ионом свободного электрона, называется рекомбинацией: при этом выделяется энергия, равная энергии связи электрона с ядром.

Ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

Ядро состоит из протонов – положительно заряженных частиц (р) и нейтронов (n), частиц, не имеющих заряда. Обе частицы, протоны и нейтроны, носят общее название – нуклоны. Диаметр ядра составляет

примерно 10–15 м. Плотность вещества в ядре 2 1014 г/см3, т. е. 1 см3 ядерного вещества имеет массу 108 т.

Протон (от греч. protos – первый) – это элементарная частица, она имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду

электрона е = 1,602 10–19 Кл, и массу покоя mp = 1,6726 10–27 кг = = 1836 mе. Зарядом протонов объясняется положительный заряд ядра в целом.

Нейтрон – нейтральная элементарная частица, которая не имеет электрического заряда, он чуть тяжелее протона и имеет массу покоя

mn = 1,6748 10–27 кг = 1839 mе. Поэтому, хотя ядро в десятки тысяч раз меньше атома, в нем сосредоточена почти вся масса атома.

Масса ядра определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов), а заряд ядра равен сумме зарядов входящих в его состав протонов. Число, равное общему количеству нуклонов и характеризующее массу ядра, называется массовым числом (А), которое

40

численно равно общему числу протонов (Z) и нейтронов (N), входящих в состав ядра: А = Z + N. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева и называется зарядовым числом ядра. Поскольку Z выражает число протонов, а А – число нуклонов в ядре, то число нейтронов в атомном ядре N = А – Z.

Для химических элементов принято следующее обозначение ZA Х: слева вверху у символа химического элемента пишется массовое число, а внизу – зарядовое число. Например, изотоп плутония 23994 Pu

означает, что массовое число А = 239, зарядовое число Z = 94, число нейтронов N = А – Z.

В ядре атома каждого химического элемента находится строго определенное количество протонов. Например, в ядре атома водорода содержится 1 протон, в ядре атома He – 2 протона, Li – 3 протона и т. д. Число же нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может быть различным.

Атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов в ядре называются изотопами. Электронные оболочки изотопов одного и того же химического элемента одинаковые. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке периодической таблицы Менделеева.

Большинство химических элементов состоит из нескольких изотопов. Так, наряду с обычным водородом существует тяжелый водород (дейтерий), ядро которого содержит один протон и нейтрон, а также сверхтяжелый водород (тритий), ядро которого содержит протон и два нейтрона (рис. 3).

Протон	Нейтрон	Электрон
а	б	в

Рис. 3. Схема строения атомов изотопов водорода: а – водород; б – дейтерий; в – тритий

41