АЕМ равна 1/12 массы атома углерода-12,

Основы радиационной безопасности

Учебно-методическое пособие

 

Минск-2012

Авторы: Антоненков А.И.,Батян О.Н.,Марцуль И.Н.,

Молош Т.В., Ермоленко Г.Л., Саевич К.Ф.,

Волосатова Н.Т.,Гапанович С.Е.,Кузнецова

Е.И., Тригубович О.В.

 

Рекомендовано кафедрой безопасности жизнедеятель-

ности и курортологии (протокол заседания кафедры

№ 7 от 12 марта 2012 г.)

 

 

Объём, уч.-изд.л – 2,4

 

Учебно-методическое пособие сдано в библиотеку

БГЭУ (научный читальный зал) 6 апреля 2012 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Строение атома………………………4

 

Глава 2. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения……………….….8

 

Глава 3. Взаимодействие радиоактивных излучения с веществом………………………...14

 

Глава 4. Единица измерения активности и доз радиоактивных излучений………………….....20

 

Глава 5. Естественные источники ионизирующих излучений…………………….25

 

Список литературы ………………………......39

Глава 1. Строение атома

 

 

Природа состоит из простых и сложных веществ. К простым веществам относятся химические ЭЛЕМЕНТЫ, к сложным – их химические соединения. Мельчайшей частицей элемента, обладающей его химическими свойствами, является АТОМ. Датский физик Нильс Бор в 1913 году предложил модель атома, за основу которой была принята планетарная модель Э.Резерфорда, согласно которой атом состоит из положительно заряженного, расположенного в центре ЯДРА, вокруг которого движутся по своим строго определенным орбитам отрицательно заряженные частицы – ЭЛЕКТРОНЫ (е), точно так же, как планеты вокруг Солнца. В свою очередь ядро состоит из положительно заряженных частиц – ПРОТОНОВ (p) и электрически нейтральных – НЕЙТРОНОВ (n). Протоны и нейтроны в ядре называют НУКЛОНАМИ.

Размеры ядра, протонов и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами атома. Размер атома оценивается в 10^-10 м, а его ядра – в 10^-15 м. Если для примера увеличить радиус атома до радиуса Земного шара, то электроны можно представить в виде футбольных мячей на его поверхности, а диаметр ядра в этом случае будет всего лишь около 130 м. Таким образом, атом практически пуст и почти вся его масса сконцентрирована в ядре.

Массы нейтрона и протона приблизительно одинаковы. Масса же электрона приблизительно в 1836 раз меньше массы протона. Поэтому общее число протонов и нейтронов в ядре М характеризует массу атома элемента и его называют МАССОВЫМ ЧИСЛОМ. Массы атома, ядра и его составных частей измеряется в так называемых атомных единицах массы – АЕМ.

АЕМ равна 1/12 массы атома углерода-12,

что составляет 1,66·10^-27 кг.

Электрон и протон обладают единичными электрическими зарядами разных знаков. Атом же электрически нейтрален, иначе говоря, число электронов на орбитах вокруг ядра равно числу протонов в ядре, и их суммарные заряды компенсируют друг друга. Заряд ядра или число протонов в нем определяют его АТОМНЫЙ НОМЕР или порядковый номер Z в таблице Менделеева.

По теории Н. Бора электроны в атоме сгруппированы по ЭЛЕКТРОННЫМ ОБОЛОЧКАМ, номера которых k возрастают по мере их удаления от ядра. Энергия электронов, расположенных на них, принимает дискретный ряд значений Е₁, Е₂,..., Е_k. Таким образом электроны k -й оболочки характеризуются одинаковой энергией, которую называют ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ АТОМА. У атома бесконечное число электронных оболочек. Небольшая доля оболочек полностью или частично заполнена Z электронами, а на остальных оболочках электронов нет. На каждой k -й оболочке может быть не более 2k² электронов. При таком расположении электронов обеспечивается длительное устойчивое состояние атома. Если на атом действуют внешние силы, то электрон, получив определенную порцию энергии, переходит на одну из свободных внешних оболочек, и атом возбуждается. Возбужденный атом неустойчив. Время его жизни в возбужденном состоянии примерно 10^-8 с. Затем электрон переходит на более близкие к ядру оболочки, и атом возвращается в устойчивое состояние, испуская при этом энергию в виде фотонов электромагнитного излучения.

Аналогично атомным энергетическим уровням энергия атомного ядра также может принимать только дискретный ряд значений энергий. В основном, в устойчивом состоянии энергия ядра минимальна. При получении определенной порции энергии ядро переходит на один из своих возбужденных уровней. Затем в зависимости от полученной энергии ядро, стремясь к устойчивому состоянию, испускает один или несколько фотонов ядерного происхождения или распадается.

Условно каждый химический элемент (нуклид) записывается следующим образом:

, где

М – массовое число,

Z – заряд ядра или порядковый номер элемента.

Число нейтронов в ядре равно M-Z. Например, запись означает, что в атоме урана 92 протона, 143 нейтрона в ядре, 92 электрона на орбитах вокруг ядра и в таблице Менделеева он находится под номером 92.

Химические свойства элемента определяются общим числом электронов в атоме и числом электронов на его внешней орбите и не зависят от его массового числа. Вследствие этого атомы элемента с одинаковым Z и различными М имеют одинаковые химические свойства и их называют ИЗОТОПАМИ. Изотопы элемента различаются по числу нейтронов в ядре. Таким образом, все элементы представляют собой смесь изотопов. В состав природных элементов входит от одного до нескольких изотопов. Термин изотопы следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента. Например, изотопы урана , , , изотопы углерода и .

Когда речь идет об атомах различных элементов (включая изотопы), рекомендуется использовать термин нуклиды. НУКЛИДЫ – разновидности атомов с данным массовым числом и атомным номером. Например, смесь нуклидов , , , , , .

Часто при наименовании нуклида значение атомного номера Z опускают. Тогда запись имеет вид ²³⁵U, ²³⁶U, ²³⁸U, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ¹³¹I.

Если просуммировать массы протонов и нейтронов в атомном ядре (масса протона 1,007277 АЕМ, нейтрона – 1,086652 АЕМ), то обнаружится, что эта сумма больше массы ядра, в состав которого они входят. Данное явление получило название ДЕФЕКТА МАССЫ М. Дефект массы всех известных ядер – положительная величина. Дефект массы, переведенный в эквивалентную энергию, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна:

Е = М_*С², где С – скорость света,

дает значение энергии, выделяемой при синтезе ядра данного нуклида из протонов и нейтронов. Такую же энергию необходимо затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Это определяет понятие энергии связи ядра.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ (Е_с) – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на его составляющие нуклоны или та энергия, которая выделится при объединении протонов и нейтронов в ядро.

Энергия связи измеряется в электрон-вольтах (эВ). Один ЭЛЕКТРОН-ВОЛЬТ – это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Так, например, электроны в кинескопе телевизора за счет напряжения по трубке 16000 вольт разгоняются, соответственно, до энергии в 16 кило-электрон-вольт (кэВ) или 0,016 мега-электрон-вольт (МэВ). Один электрон-вольт равен
1,6·10^-19 джоулей.

Если дефект массы М выражен в атомных единицах массы, то

Е_с = 931_*М МэВ.

Величина энергии связи ядра зависит от его массового числа М и меняется от 2,224 миллиона электрон-вольт (МэВ) для дейтерия до сотен МэВ для тяжелых элементов таблицы Менделеева. Сами по себе значения Ес сравнительно невелики, но соотнесем их с энергией химических превращений. При сгорании килограмма самого высококалорийного топлива – водорода, выделяется 1,2·10⁸ джоулей, что в переводе на один атом вещества составит всего лишь 12 эВ. Из сравнения рассмотренных величин видно, что ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ, проявлением которых и является энергия связи, имеют иную природу нежели силы, определяющие химическое взаимодействие атомов. Ядерные силы в миллионы раз превышают силы химического взаимодействия атомов в молекуле, действуют на коротком расстоянии, не зависят от электрического заряда и определяют взаимодействие между нуклонами в ядре атома. Эти силы являются силами притяжения, компенсируют кулоновское отталкивание протонов в ядре и определяют стабильность или НЕСТАБИЛЬНОСТЬЯДЕР.

В зависимости от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре могут преобладать те или иные силы. Для элементов, расположенных в начале и середине таблицы Менделеева, преобладают ядерные силы, что приводит к стабильности элементов, а чем ближе к ее концу, тем сильнее влияние сил кулоновского отталкивания и, начиная с 84 атомного номера, все элементы являются нестабильными. Причиной нестабильности может быть также и избыток в ядре нейтронов, что объясняет существование нестабильных изотопов.

Нестабильные изотопы наряду с тяжелыми элементами с атомным номером выше 83 составляют многочисленное семейство нестабильных ядер нуклидов, претерпевающих радиоактивный распад и объединяемых единым понятием РАДИОНУКЛИДЫ.

 

 

1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: