Структурата на атома. Нуклиди
Още през 5 век пр. н. е. гръцките мислители Левкип и Демокрит формулират резултатите от своите размишления върху структурата на материята под формата на атомна хипотеза: материята не може да бъде безкрайно разделена на все по-малки и по-малки части, има „окончателни“, неделими частици материя. Всички материални обекти са съставени от различни атоми
(от гръцки атомос-- „неделим“, „неразрязан“). Свързване Различни видовеатомите образуват нови вещества.
Според легендата, Демокрит, седнал на скала край морето, държал ябълка в ръката си и си мислел: „Ако нарязвам тази ябълка с нож на все по-малки парчета, ще имам ли винаги в ръцете си част, която все още има свойствата на една ябълка?" След като разгледа тази хипотеза, Демокрит стига до следните заключения: „Началото на Вселената са атомите и празнотата, всичко останало съществува само в мнението. Има безброй светове и те имат начало и край във времето. И нищо не възниква от несъществуване, нищо не се разрешава в несъществуване. А атомите са безброй по големина и множество, но се носят из вселената, въртят се във вихър и така се ражда всичко сложно: огън, вода, въздух, земя... Атомите не се поддават на никакво влияние и са неизменни поради на тяхната твърдост."
В началото на 19 век възниква теорията за атомно-молекулярното устройство на света. Възможно е да се докаже експериментално, че всеки химичен елемент се състои от еднакви атоми едва през 1808 г.
Това направи английският химик и физик Джон Далтън, останал в историята като създател на химическия атомизъм. Далтън си представял атомите под формата на еластични топки и толкова много вярвал в тяхното реално съществуване, че дори нарисувал атоми на кислород и азот на хартия.
През 1811 г. италианският физик и химик Амедео Авогадро излага хипотеза, според която молекулите на простите газове се състоят от един или повече атоми. Въз основа на тази хипотеза Авогадро формулира един от основните закони за идеалните газове и метод за определяне на атомни и молекулни маси.
Той отвори един от газови закони, кръстен на него. На негова основа е разработен метод за определяне на молекулни и атомни тегла. И така, всички вещества в природата се състоят от атоми. Те обикновено се разделят на прости, състоящи се от атоми на едни и същи елементи (O2, N2, H2 и др.), И сложни, които включват атоми на различни елементи (H2O, NaCl, H2SO4 и др.).
Атомът е най-малката структурна единица на всяко от най-простите химически вещества, наречени елементи.
Въпреки че концепцията за атом, както и самият термин, е от древногръцки произход, едва през двадесети век истината на атомната хипотеза за структурата на веществата е твърдо установена.
Размерът и масата на атомите са изключително малки. Така диаметърът на най-лекия атом (водород) е само 0,53. 10-8 см, а масата му е 1,67. 10-24 години
Развитието на изследванията на радиоактивното излъчване, от една страна, и квантовата теория, от друга, доведе до създаването Квантовият модел на атома на Ръдърфорд-Бора. След откриването на електрона през 1897 г. от Джоузеф Джон Томсън, той открива, че заредените частици се отделят от атомите, когато са изложени на силно електрическо поле. Според неговите оценки масата на „атом електричество“ е около хиляда пъти по-малка от масата на водороден атом и зарядът точно съвпада с заряда на водороден йон.
По-късно, през 1910 и 1913 г., Робърт Миликан значително подобри точността на измерванията на заряда и масата на електрона. И така, въпреки отделните мнения, до края на 19 век стана ясно, че частици дори по-малки от атомите действително съществуват и че най-вероятно те са част от атомите и са носители на малко количество електричество.
Джоузеф Томсън, развивайки модела на У. Томсън, през 1903 г. предлага свой собствен модел на атома („пудинг със стафиди“): електроните са разпръснати в положителната сфера. Те се държат вътре в положително заредена сфера от еластични сили. Тези от тях, които са на повърхността, могат да бъдат „избити“ доста лесно, оставяйки йонизиран атом на фиг. 1.
Ориз. 1.
В многоелектронните атоми електроните са подредени в стабилни конфигурации, изчислени от Томсън. Той разглежда всяка такава конфигурация, за да определи химичните свойства на атомите. Дж. Томсън прави опит да обясни теоретично периодичната таблица на елементите от Д.И. Менделеев.
Нилс Бор по-късно посочи, че след този опит идеята за разделяне на електроните в атома на групи става отправна точка. През 1911 г. Джоузеф Томсън разработва т. нар. метод на парабола за измерване на съотношението на заряда на частицата към нейната маса, който играе основна роля в изследването на изотопите.
През 1903 г. с идеята за планетарен модел на структурата на атомаЯпонският теоретик Хантаро Нагаока говори в Токийското общество по физика и математика, наричайки този модел „подобен на Сатурн“.
Х. Нагаока представи структурата на атома като подобна на структурата на Слънчевата система: ролята на Слънцето се играе от положително заредената централна част на атома, около която „планети“ - електрони - се движат в установена пръстеновидна форма орбити. При леки премествания електроните възбуждат електромагнитни вълни. Но работата му, за която Е. Ръдърфорд не знае, не е доразвита.
Но скоро се оказа, че новите експериментални факти опровергават модела на Джоузеф Томсън и, напротив, свидетелстват в полза на планетарния модел. Тези факти са открити от изключителния английски физик Е. Ръдърфорд. На първо място, трябва да се отбележи, че той откри ядрената структура на атома.
Ученикът на Джоузеф Томсън Ърнест Ръдърфорд, в резултат на известните си експерименти върху разсейването на b-частици от златно фолио, "раздели" атома на малко положително заредено ядро и електрони около него (фиг. 2).
През 1908-1909г Ханс Гайгер, който е работил в Университета на Виктория (Манчестър, Англия) с Ръдърфорд, който наскоро е проектирал брояч на алфа частици заедно с него, и Ърнест Марсдън установяват, че когато алфа частиците преминават през тънки пластини от златно фолио, по-голямата част от те прелитат направо, но единичните частици се отклоняват под ъгли, по-големи от 90°, т.е. са напълно отразени.
Ориз. 2.
Повечето от алфа частиците прелетяха през фолиото, само малка част от тях бяха отразени и Е. Ръдърфорд разбра, че алфа частиците се отразяват, когато ударят малки, масивни обекти и че тези обекти са разположени далеч един от друг. Значи бяха отворени атомни ядра. Обемът на ядрото се оказа милиони милиарди пъти по-малък от обема на атома и този пренебрежимо малък обем съдържаше почти цялото вещество на атома.
По това време те вече знаеха това електричествое поток от частици, тези частици се наричат електрони. И тук Ръдърфорд се обърна към планетарния модел на структурата на атома.
Според нея той приличал на миниатюра слънчева система, в който „планети” – електрони се въртят около „Слънце” – ядро (фиг. 3).
Ориз. 3.
Благодарение на работата на Ръдърфорд стана ясно как са структурирани атомите: в средата на атома има малко масивно ядро, а електроните се „роят“ около ядрото и образуват лека обвивка на атома. В този случай електроните, разположени и въртящи се в различни равнини, създават отрицателен общ заряд, а ядрото създава положителен. Като цяло атомът остава електрически неутрален, тъй като положителният заряд на ядрото е напълно компенсиран от отрицателния заряд на електроните.
Въпреки това, според законите на класическата механика и електродинамика, въртенето на електрона около ядрото трябва да бъде придружено от електромагнитно излъчване с непрекъснат спектър.
Но това противоречи на линейните спектри на газове и пари на химически елементи, известни от 1880 г.
Противоречието е разрешено през 1913 г. от ученика на Ръдърфорд, датския физик Нилс Бор, който разработва квантов модел на структурата на атома въз основа на квантовата теория за излъчване и поглъщане на светлина, създадена от Макс Планк и Алберт Айнщайн.
(14 декември 1900 г.) Планк демонстрира извеждането на тази формула въз основа на предположението, че енергията на осцилатора е цяло число, кратно на hv, където v е честотата на излъчване, а h е нова универсална константа, наречена от Макс Планк елементарен квант на действие (сега е константа на Планк). Въвеждането на тази величина беше началото на ерата на новата, квантова физика.
Нилс Бор излага предположението, че водородният атом (система протон-електрон) може да бъде само в определени стационарни енергийни състояния (електрони в определени орбити), а едно от тях съответства на минималната енергия и е основно (невъзбудено). Излъчването или поглъщането на енергия от атом може да възникне, според теорията на Бор, само когато електрон преминава от едно енергийно състояние в друго (от една орбита в друга).
Въз основа на това Бор формулира своите постулати:
- 1. Електронът в атома е в „стационарно“ състояние (движи се по стационарна орбита) и не излъчва никаква енергия.
- 2. Изваден от стационарно състояние (прехвърлен на друга орбита), електронът, връщайки се, излъчва квант светлина hn = E2 - E1.
- 3. Електронът в атома може да бъде само в онези „разрешени“ орбити, за които ъгловият импулс (mvr) приема определени дискретни стойности, а именно mvr = nh/2p, където n е цяло число 1, 2, 3...
Ядреният заряд се оказа най-важната характеристикаатом. През 1913 г. е показано, че зарядът на ядрото съвпада с номера на елемента в периодичната таблица.
Теорията на Бор направи възможно много точното изчисляване на позицията на линиите в емисионния спектър на атомния водород. Тя обаче не можеше да предвиди съотношението на интензитетите на линиите дори в тази най-проста система.
За системи, съдържащи повече от един електрон, например атом на хелий, теорията на Бор вече не дава точни стойности за спектралните линии.
Затова през 1923-26г Луис дьо Бройл (Франция), Вернер Хайзенберг (Германия) и Ервин Шрьодингер (Австрия) е разработен нова теорияквантова (вълнова) механика.
Блестящата идея, изразена от Хайзенберг, беше да се третират квантовите събития като явления на напълно различно ниво от това в класическата физика. Той подходи към тях като към явления, които не позволяват точно визуално представяне, например, използвайки картина на електрони, въртящи се в орбити.
Няколко месеца по-късно Е. Шрьодингер предлага друга формулировка квантова механика, който описва тези явления на езика на вълновите понятия.
Подходът на Шрьодингер произхожда от работата на Луи дьо Бройл, който излага хипотеза за така наречените вълни на материята: точно както светлината, традиционно считана за вълни, може да има корпускулярни свойства (фотони или кванти на радиация), частиците могат да имат вълнови свойства. По-късно беше доказано, че матричната и вълновата механика са по същество еквивалентни. Взети заедно, те образуват това, което сега се нарича квантова механика. Скоро тази механика беше разширена от английския теоретичен физик от 20-ти век Пол Дирак (Нобелова награда по физика, 1933 г.), който включи елементи от теорията на относителността на Айнщайн във вълновото уравнение, като взе предвид въртенето на електрона.
Съвременната теория за структурата на атома се основава на следните основни принципи:
1). електронът има двойна природа (частица-вълна). Може да се държи както като частица, така и като вълна. Подобно на частица, електронът има определена маса и заряд. В същото време движещ се електрон проявява вълнови свойства, т.е. например, характеризира се с дифракционна способност. Дължината на вълната на електрона l и неговата скорост v са свързани със съотношението на де Бройл:
където m е масата на електрона;
- 2). Невъзможно е електронът да измерва едновременно точно своята позиция и скорост. Колкото по-точно измерваме скоростта, толкова по-голяма е несигурността в координатата и обратното. Математическият израз на принципа на неопределеността е отношението: ?x m ?v > ћ/2, където?x е неопределеността на координатната позиция; ?v - грешка при измерване на скоростта;
- 3). електронът в атома не се движи по определени траектории, но може
да бъде в която и да е част от перинуклеарното пространство, но вероятността да бъде вътре различни частитова пространство не е същото. Пространството около ядрото, в което вероятността за намиране на електрон е доста висока, се нарича орбитала;
4). Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони (общо наричани нуклони). Броят на протоните в ядрото е равен на атомния номер на елемента, а сумата от броя на протоните и неутроните съответства на неговото масово число.
През 1932 г. нашият местен физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немският учен Вернер Хайзенберг (Хайзенберг) независимо един от друг предполагат, че неутронът, заедно с протона, е структурен елемент на ядрото.
Въпреки това протонно-неутронният модел на ядрото беше посрещнат скептично от повечето физици. Дори Е. Ръдърфорд вярваше, че неутронът е просто сложна формация от протон и електрон.
През 1933 г. Дмитрий Иваненко изнася доклад за ядрения модел, в който защитава протонно-неутронния модел, формулирайки основната теза: в ядрото има само тежки частици. Иваненко отхвърли идеята за сложна структуранеутрон и протон. Според него и двете частици трябва да имат еднаква степен на елементарност, т.е. както неутронът, така и протонът са способни да се трансформират един в друг.
Впоследствие протонът и неутронът започват да се разглеждат като две състояния на една частица - нуклонът, и идеята на Иваненко става общоприета, а през 1932 г. в космическите лъчи е открита друга елементарна частица - позитронът.
В момента съществува хипотеза за делимостта на редицата елементарни частицив кваркови субчастици.
Кварките са хипотетични частици, от които се предполага, че могат да се състоят всички известни елементарни частици, участващи в силни взаимодействия (адрони).
Хипотезата за съществуването на кварки е представена през 1964 г. независимо от американския физик Мари Гел-Ман и австрийския (и по-късно американски) учен Георг (Джордж) Цвайг, за да обяснят моделите, установени за адроните.
Между другото, терминът "кварк" няма точен превод. Има чисто литературен произход: той е заимстван от Гел-Ман от романа на Дж. Джойс „Finnegans Wake“, където означава „нещо неясно“, „мистично“. Това име за частиците очевидно е избрано, защото кварките показват редица необичайни свойства, което ги отличава от всички известни елементарни частици (например фракционни електрически заряд) .
Фигура 4 показва съвременен модел на структурата на атома.
Ориз. 4.
И така, атомите се състоят от три вида елементарни частици. В центъра на атома има ядро, образувано от протони и неутрони. Електроните се въртят бързо около него, образувайки така наречените електронни облаци. Броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните, които се движат около него. Масата на протона е приблизително равна на масата на неутрона. Масата на един електрон е много по-малка от техните маси (1836 пъти).
Тема 1. ФИЗИЧЕСКИ ОСНОВИ НА РАДИОЕКОЛОГИЯТА
Лекция 2:Физични характеристики на атомите и радиоактивен разпад на ядра.
Структурата на атома. Елементарни частици. Видове радиоактивен разпад. Закон за радиоактивното разпадане.
1. Строежът на атома.
атом - най-малката частица от химичен елемент, която запазва всичките му свойства. Според структурата си атомът (размер приблизително 10-8 cm) е сложна система, състоящ се от положително заредено ядро (10-13 cm), разположено в центъра на атома и отрицателно заредени електрони, въртящи се около ядрото в различни орбити. Радиусът на атома е равен на радиуса на орбитата на най-отдалечения от ядрото електрон. Отрицателният заряд на електроните е равен на положителния заряд на ядрото, докато атомът като цяло е електрически неутрален.
През 1911 г. Е. Ръдърфорд предлага планетарен модел на структурата на атома, който е разработен от Н. Бор (1913 г.). Според този модел в центъра на атома има ядро с положителен електрически заряд. Електроните се движат около ядрото по елиптични орбити, образувайки електронната обвивка на атома.
Всеки атом се състои от елементарни частици: протони, неутрони и електрони, които в свободно състояние се характеризират с такива физически величини като маса, електрически заряд (или липса на такъв), стабилност, скорост и др. Масата на ядрата и елементарните частици обикновено е изразена в атомни единици маса (a.m.u.), 1\12 маси на въглеродни атоми (12C) се приемат за единица.
1 а. Яжте. = 1,67*10-27 кг
Енергията се изразява в електронволтове (eV), един електронволт е равен на кинетичната енергия, която един електрон (или всяка елементарна частица материя със заряд) придобива при преминаване през електрическо поле с потенциална разлика от един волт.
1 eV = 1,602*10-19 C
В допълнение, масата често се изразява в енергийни еквиваленти (това е енергията на покой на частица, чиято маса е равна на 1 amu, е 931,5 MeV (106 eV).
Атомно ядро – централната част на атома, в която е съсредоточена почти цялата маса (99,9%). Атомното ядро се състои от два вида елементарни частици - протони и неутрони. Общото им име е нуклон. Протонът и електронът принадлежат към така наречените стабилни и стабилни частици, неутронът е стабилен само когато е в ядрото.
Общият брой на протоните и неутроните в ядрото се нарича масово числои се обозначават с буквата А (или М). Тъй като зарядът на неутрона е нула, а протонът има елементарен положителен заряд +1, зарядът на ядрото е равен на броя на протоните в него, което се нарича номер на таксата(Z) или атомно число. Броят на неутроните в ядрото е равен на разликата между масовото число A и атомния номер Z на елемента: N = A-Z (AZX).
Електрическият заряд (q) на ядрото е равен на произведението на елементарния електрически заряд (e) и атомния номер (Z) на химичния елемент периодичната таблица:
Ядрени сили.
Протоните и неутроните се задържат в атомното ядро ядрени сили . Ядрените сили представляват потенциалната енергия на свързване на ядрото. Установено е, че сумата от енергиите на свободните протони и неутрони е по-голяма от енергията на съставеното от тях ядро, от което следва, че трябва да се изразходва енергия, за да се раздели ядрото на неговите компоненти. Минималната енергия, необходима за това, се нарича ядрена свързваща енергия .
Същата картина се наблюдава, ако съберем масите на нуклоните, изграждащи ядрото на атома. Изчислената маса на ядрото ще бъде по-голяма от действителната маса на ядрото. Разликата между изчислената и действителната маса на ядрото се нарича масов дефект.
Ядрените сили не зависят от наличието или отсъствието на електрически заряд на нуклоните; те действат само на много малки разстояния (10-13 cm) и отслабват много бързо с увеличаване на разстоянието между ядрените частици.
Ядрените сили се характеризират със свойството на насищане, което означава, че нуклонът е способен на ядрено взаимодействие едновременно само с малък брой съседни нуклони, което показва възможната природа на ядрените сили като сили от обменен тип.
Основните свойства на ядрените сили се обясняват с факта, че нуклоните обменят частици помежду си с маса малко повече от 200 електронни маси (X. Yukawa, 1935), такива частици са открити експериментално (1947) и наречени π-мезони или пиони (има положителни, отрицателни и неутрални π-мезони) мезони). Мезоните не са компоненти на протони и неутрони, но се излъчват и абсорбират от тях (точно както атомите излъчват и абсорбират кванти електромагнитно излъчване), докато протонът, излъчил положителен пион, се превръща в неутрон, а неутронът, след като улови пиона, се превръща в протон. Всички тези процеси осигуряват силно взаимодействие и по този начин стабилността на ядрата.
протон (p) – елементарна частица, която е част от всяко атомно ядро, имаща положителен заряд, равен на единица елементарен заряд +1 (1,602 * 10-19 C). Масата на покой на протона е 1,00758 a. Яжте. или 938,27 MeV.
Броят на протоните в ядрото ( атомно число) за всеки елемент е строго постоянен и съответства на поредния номер на елемента (Z) от таблицата. Тъй като всеки протон има положителен елементарен заряд на електричество, атомният номер на даден елемент също показва броя на положителните елементарни заряди в ядрото на всеки атом на химичен елемент. Серийният номер на елемента също се извиква номер на таксата.Броят на протоните в ядрото определя броя на електроните в обвивката на атома (но не обратното) и съответно структурата на електронните обвивки и химичните свойства на елементите.
неутрон ( н) – електрически неутрална елементарна частица (отсъства само в ядрото на лекия водород), чиято маса на покой е 1,00898 a. Яжте. или 939,57 MeV. Масата на неутрона е с две електронни маси по-голяма от масата на протона. В атомното ядро неутроните са стабилни; техният брой (N) в ядрото на атом от същия елемент може да варира, което по същество дава само физически характеристикиелемент (1).
Електрон – стабилна елементарна частица с маса на покой, равна на 0,000548 a. e.m., а в абсолютни единици за маса - 9,1 * 10-28 kg. Енергиен еквивалент a. Яжте. електронът е 0,511 MeV, а елементарният електрически заряд е 1,602*10-19 C.
Електроните се движат около ядрото по орбитали с определена форма и радиус. Орбитите са групирани в електронни слоеве (може да има максимум седем: K, L, M, N, O, P, Q). Най-малкият брой електрони, които могат да бъдат в орбиталите на един слой, се определя от квантовата връзка:
m=2n2,
където n е главното квантово число (in в такъв случайсъответства на номера на слоя. Следователно К-слоят (n=1) може да има 2 електрона, L-слоят (n=2) може да има 8 електрона и т.н.
Основната роля във взаимодействието на електроните с атомното ядро играят електромагнитните сили (силите на привличане на Кулон на противоположни електрически заряди). Колкото по-близо е един електрон до ядрото, толкова по-голяма е неговата потенциална енергия (енергия на свързване с ядрото) и толкова по-ниска е неговата кинетична енергия (енергия на въртене на електрона). Съответно електроните от външната орбита (енергия на свързване около 1-2 eV) се отстраняват по-лесно, отколкото от вътрешната.
Преходът на отделен електрон от орбита в орбита винаги е свързан с поглъщането или освобождаването на енергия (квант енергия се абсорбира или излъчва). Според постулатите на Бор атомната система се намира в стационарно състояние, което се характеризира с определена енергия. За безкрайно дълго време всеки атом може да бъде само в стационарно състояние с минимална енергия, което се нарича основен или нормално . Всички други стационарни състояния на атома с високи енергии се наричат възбуден . Преминаването на електрона от едно енергийно ниво на друго, по-отдалечено от ядрото (с по-висока енергия) се нарича процес на възбуждане .
В резултат на сблъсъци с други атоми, с всяка заредена частица или при поглъщане на фотон от електромагнитно излъчване, атомът може да премине от стационарно състояние с по-ниска енергия в стационарно състояние с по-висока енергия. Времето на живот на атома във възбудено състояние не надвишава s. От всяко възбудено състояние атомът спонтанно преминава в основно състояние, този процес е придружен от излъчване на фотони (кванти). В зависимост от разликата в енергиите на атома в двете състояния, между които се извършва преходът, излъчваният квант електромагнитно излъчване може да принадлежи към обхвата на радиовълните, инфрачервено лъчение, видима светлина, ултравиолетово или рентгеново лъчение.
При силни електрически въздействия електроните могат да избягат от границите на атома. Атом, който е загубил един или повече електрони, се превръща в положителен йон, а този, който е получил един или повече електрони, се превръща в отрицателен йон. Процесът на образуване на йони от неутрални атоми се нарича йонизация . При обикновени условия един атом в йонно състояние съществува много кратко време. Свободното пространство в орбитата на положителния йон се запълва със свободен електрон и атомът отново става електрически неутрална система. Този процес се нарича йонна рекомбинация (дейонизация) и е съпроводено с отделяне на излишна енергия под формата на радиация.
Изотопи, изотони, изобари.
Атомите, които имат ядра с еднакъв брой протони, но се различават по броя на неутроните, са разновидности на един и същи химичен елемент и се наричат изотопи. Такива елементи имат еднакъв номер в таблицата, но различни масови числа (3919K, 4019K, 4119K). Тъй като зарядите на ядрата на тези атоми са еднакви, техните елементарни черупки имат почти същата структура, а атомите с такива ядра са изключително сходни по химични свойства. Повечето химични елементи в природата са смес от изотопи. Обикновено в смес от изотопи на един определен елемент един изотоп преобладава, а останалите съставляват само малък процент (например калият се състои от: 39K - 93,08%; 40K - 0,0119%; 41K - 6,91%) (4 ).
За да се разграничат изотопите на един химичен елемент един от друг, над името на елемента се задава масово число, равно на сумата от всички частици на ядрото на даден изотоп, и ядрен заряд (брой протони), съответстващ на серийния номерът на елемента в таблицата е зададен по-долу. Така най-разпространеният лек водород в природата, 11H (протиум), съдържа 1 протон, който рядко се среща сред водородните атоми 21H (деутерий) - 1 протон и 1 неутрон, и 31H (тритий), който никога не се среща в природата, съдържа 1 протон и 2 неутрона (тритият се получава изкуствено чрез облъчване на деутерий с бавни неутрони) (4).
Разграничете стабилен И нестабилен (радиоактивен ) изотопи . Първите са тези изотопи, чиито ядра не претърпяват никакви трансформации при липса на външни влияния, вторите са изотопи, чиито ядра могат спонтанно (без външно влияние) се разпадат, образувайки ядра от атоми на други елементи. Обикновено се наричат ядрата на всички изотопи на химичните елементи нуклиди, нестабилни нуклиди се наричат радионуклиди . Понастоящем са известни около 300 стабилни изотопа и около 1500 радиоактивни изотопа.
Условие за стабилност на атомните ядра:Стабилни са само тези атомни ядра, които имат минимална енергия в сравнение с всички ядра, в които дадено ядро може спонтанно да се трансформира.
Наричат се атомни ядра на различни елементи с равен брой неутрони изотони . Например 136C има шест протона и седем неутрона, 147N има седем протона и също седем неутрона.
Атомните ядра на различни елементи с еднакво масово число, но с различни атомни номера (т.е. състоящи се от същия брой нуклони с различно съотношение на протони и неутрони) се наричат изобари .
Например: 104Be, 105B, 106C и др.
Разликата в енергията на изобарните атомни ядра се определя от наличието на електрически заряд на протоните и наличието на разлики в масите на протона и неутрона. По този начин ядрата, съдържащи значително повече протони, отколкото неутрони, се оказват нестабилни, тъй като имат излишък от енергия на взаимодействие на Кулон. Ядрата, които имат повече неутрони, отколкото протони, са нестабилни поради факта, че масата на неутрона е по-голяма от масата на протона, а увеличаването на масата на ядрото води до увеличаване на неговата енергия. Ядрата могат да бъдат освободени от излишната енергия по два начина:
1. чрез спонтанно разделяне на ядрата на по-стабилни части;
2. чрез спонтанна промяна на заряда на ядрото с единица (превръщане на протоните в неутрони или неутроните в протони).
Елементарни частици.
Елементарните частици не са молекули, атоми или ядра. Те имат радиус (R) 10-14 - 10-15 m и енергия (W) около 106 - 108 eV. Сега общият брой на известните елементарни частици (заедно с античастиците) наближава 400. Някои от тях са стабилни или квазистабилни и съществуват в природата в свободно или слабо свързано състояние. Това електрони, включени в състава на атомите, техните античастици - позитрони; протони и неутрони, влизащи в състава на атомните ядра; фотониγ, които са кванти електромагнитно поле. Това включва и електронни (анти)неутриноνе, родени в процесите на бета трансформации и в термоядрени реакции, протичащи в звездите. Всички други елементарни частици са изключително нестабилни и се образуват при вторично космическо лъчение или получени в лаборатория. Те включват мюони (мю-мезони) μ– – тежък аналог на електрона (mμ ≈ 200mе), регистриран в космически лъчи; пиони (пи-мезони) π+, π0, π– – носители на ядрено взаимодействие и др.
Всяка частица има античастица, обикновено представена със същия символ, но с добавена "тилда" над него. Масите, животите и спиновете на частиците и античастиците са еднакви. Останалите характеристики, включително електрически заряд и магнитен момент, са равни по големина, но противоположни по знак.
2. Видове радиоактивен разпад.
Радиоактивност- това е свойството на атомните ядра на определени химични елементи спонтанно да се превръщат в ядра на други елементи с излъчване на специален вид радиация, т.нар. радиоактивно излъчване . Самото явление се нарича радиоактивно разпадане.
Радиоактивните трансформации, които се случват в природата, се наричат естествена радиоактивност. Подобни процеси, протичащи в изкуствено произведени вещества (чрез съответни ядрени реакции), са изкуствената радиоактивност. И двата вида радиоактивност се подчиняват на едни и същи закони.
Има следните видове ядрени трансформации или видове радиоактивен разпад: алфа разпад, бета разпад (електронен, позитронен), улавяне на електрони (K-улавяне), вътрешно преобразуване, ядрено делене.
Алфа разпаде спонтанното разделяне на нестабилно атомно ядро на α-частица (ядрото на хелиев атом 42He) и продуктово ядро (дъщерно ядро).В този случай зарядът на продуктовото ядро намалява с 2 положителни единици и масово число с 4 единици. В този случай полученият елемент на продукта се измества наляво спрямо оригиналния с две клетки на периодичната система:
Почти всички (с редки изключения) ядра на атоми на елементи с атомен номер 82 и по-висок са алфа радиоактивни (тези в периодичната таблицазастанете зад олово 82Pb). Алфа частица, излизайки от ядрото, придобива кинетична енергия от порядъка на 4-9 MeV.
Бета разпаде спонтанна трансформация на нестабилни атомни ядра с излъчване на β-частица, при което техният заряд се променя с единица. Този процес се основава на способността на протоните и неутроните да претърпяват взаимни трансформации.
Ако в ядрото има излишък от неутрони(„неутронно претоварване“ на ядрото), тогава това, което се случва, е електронен β- разпад, при което един от неутроните се превръща в протон, а ядрото излъчва електрон и антинеутрино (масовото и зарядовото число на които е 0).
10n → 11p + e – + ν – || AZX → AZ+1Y + β – + ν – +Q || 4019K → 4020Ca + β – + ν – + Q.
По време на този разпад зарядът на ядрото и съответно атомният номер на елемента се увеличава с единица (елементът се измества в периодичната система с едно число надясно от първоначалното), но масовото число остава непроменено. Електронният бета-разпад е характерен за много естествени и изкуствено произведени радиоактивни елементи.
Ако неблагоприятното съотношение на неутрони и протони в ядрото се дължи на излишни протони, след това позитронни ( β+ ) разпад, при което ядрото излъчва позитрон (частица със същата маса като електрона, но със заряд +1) и неутрино, а един от протоните се превръща в неутрон:
11p → 10n + e+ + ν+ || AZX → AZ-1Y + β+ + ν+ +Q || 3015P → 3014Si + β+ + ν+ +Q
Зарядът на ядрото и съответно атомният номер на елемента се намаляват с единица, а дъщерният елемент ще заеме място в периодичната таблица с едно число вляво от първоначалното, масовото число остава непроменено. При някои изкуствено получени изотопи се наблюдава позитронно разпадане.
Позитронът, излязъл от ядрото, откъсва „допълнителен“ електрон от обвивката на атома или взаимодейства със свободен електрон, образувайки двойка „позитрон-електрон“, която моментално се превръща в два гама кванта с енергиен еквивалент спрямо масата на частиците (e+ и e-) 0,511 MeV. Процесът на трансформиране на двойка позитрон-електрон в два γ кванта се нарича анихилация(унищожаване), а полученото електромагнитно излъчване - анихилация. Така по време на разпадането на позитрона извън родителския атом летят не частици, а два гама лъча с енергия 0,511 MeV.
Енергийният спектър на β-частиците на всеки бета източник е непрекъснат (от стотни от MeV - мека радиация, до 2-3 MeV - твърда радиация).
Електронно улавяне– спонтанна трансформация на атомно ядро, при което зарядът му намалява с единица поради улавяне на един от орбиталните електрони и превръщането на протон в неутрон.
Това се случва, ако в ядрото има излишък от протони, но няма достатъчно енергия за разпадане на позитрон. Един от протоните на ядрото улавя електрон от една от обвивките на атома, най-често от най-близкия до него K-слой (K-захващане) или по-рядко L-слой (L-захващане) и обръща в неутрон с излъчване на неутрино. В този случай дъщерният елемент, както при позитронния разпад, се измества в периодичната таблица с една клетка вляво от първоначалната.
11p + 0-1е → 10n + ν+ || AZX + 0-1е → AZ-1Y + ν+ + hν || 12352Te + 0-1е → 12351Sb + ν+ + hν
Електронът скача на свободното място в K-слоя от L-слоя, на мястото на последния от следващия слой и т.н. Всеки преход на електрон от слой в слой е придружен от освобождаване на енергия под формата на кванти на електромагнитно излъчване (рентгенов диапазон).
Разпадането на позитрони и улавянето на електрони, като правило, се наблюдават само в изкуствено радиоактивни изотопи (4).
Ядрено делене- това е спонтанното делене на ядрото, при което то без външно влияние се разпада на две, обикновено неравни части. По този начин урановите ядра могат да бъдат разделени на бариеви (56Ba) и криптонови (36Kr) ядра. Този тип разпад е характерен за изотопите на елементи извън урана в периодичната таблица. Под въздействието на електростатични сили на отблъскване на еднакви заряди ядрата на фрагментите придобиват кинетична енергия от порядъка на 165 MeV и се разпръскват в различни посоки с огромни скорости.
Вътрешно преобразуване. Възбуденото ядро предава енергията на възбуждане към един от електроните на вътрешните слоеве (K-, L- или M-слой), който в резултат на това излиза извън атома. След това един от електроните от по-отдалечени слоеве (от по-високи енергийни нива) извършва квантов преход към „свободното“ място с излъчване на характеристично рентгеново лъчение.
3. Законът за радиоактивното разпадане.
Количеството на всеки радиоактивен изотоп намалява с времето поради радиоактивен разпад (трансформация на ядра). Радиоактивният разпад протича непрекъснато, скоростта на този процес и неговия характер се определят от структурата на ядрото. Следователно този процес не може да бъде повлиян от никакви обикновени физически или чрез химически средствабез промяна на състоянието на атомното ядро. В допълнение, разпадането е вероятностно по природа, тоест невъзможно е да се определи точно кога и кой атом ще се разпадне, но за всеки период от време средно някакъв вид атом ще се разпадне. определена частатоми.
За всеки радиоактивен изотоп Средната скоростразпадането на неговите атоми е постоянно, непроменливо и характерно само за даден изотоп. Константата на радиоактивно разпадане λ за определен изотоп показва каква част от ядрата ще се разпаднат за единица време. Константата на разпада се изразява в реципрочни времеви единици s-1, min-1, h-1 и т.н., за да покаже, че броят на радиоактивните ядра намалява с времето, вместо да се увеличава.
Спонтанната трансформация на ядрата на всеки радиоактивен изотоп е обект на законът за радиоактивното разпадане,което установява, че същата част от наличните ядра се разпада за единица време.
Математическият израз на този закон, който описва процеса на намаляване на броя на радиоактивните ядра с течение на времето, се показва със следната формула:
Nt = N0e-λT, (Nt = N0e-0,693t/T) (1),
където Nt е броят на радиоактивните ядра, оставащи след време;
N0 – начален брой радиоактивни ядра в момент t=0;
λ – константа на радиоактивен разпад (=0,693/T);
T е времето на полуразпад на даден радиоизотоп.
На практика полуживотът се използва за характеризиране на скоростта на разпадане на радиоактивните елементи.
Половин животе времето, през което се разпада половината от първоначалния брой радиоактивни ядра. Означава се с буквата Т и се изразява в единици за време.
За различни радиоактивни изотопи периодите на полуразпад варират от части от секундата до милиони години. Освен това един и същи елемент може да има изотопи с различни периоди на полуразпад. Съответно радиоактивните елементи се разделят на краткоживеещи (часове, дни) - 13153I (8,05 дни), 21484Po (1,64 * 10-4 сек.) и дългоживеещи (години) - 23892U (T = 4,47 милиарда години), 13755Cs (30 години), 9038Sr (29 години).
Съществува обратна зависимост между времето на полуразпад и константата на разпадане, т.е. колкото по-голямо е λ, толкова по-малко е T и обратно.
Графично законът на радиоактивното разпадане се изразява с експоненциална крива (фиг. 2.1.). Както може да се види от фигурата, с увеличаване на броя на периодите на полуразпад, броят на неразпадналите се атоми намалява, като постепенно се приближава до нула [et al., 1999].
Ориз. 2.1. Графично представяне на закона за радиоактивното разпадане.
Активност на радиоактивния елементравен на броя на разпаданията за единица време. Колкото повече радиоактивни трансформации претърпяват атомите на дадено вещество, толкова по-висока е неговата активност. Както следва от закона за радиоактивното разпадане, активността на радионуклида е пропорционална на броя на радиоактивните атоми, т.е. нараства с увеличаване на количеството на дадено вещество. Тъй като скоростта на разпадане на радиоактивните изотопи е различна, равни количества от различни радионуклиди по маса имат различна активност.
Единицата за активност в SI е бекерел (Bq) - дезинтеграции за секунда (dec/s). Заедно с Bq се използва несистемна единица - кюри (Ci). 1Ci е активността на всяко радиоактивно вещество (изотоп), в което се случват 3,7 * 1010 събития на разпад в секунда. Една единица кюри съответства на радиоактивността на 1 g радий.
1Ci = 3,7*1010 Bq; 1 mCi = 37 MBq 1 μCi = 37 kBq
Активността на всяко радиоактивно лекарство след време t се определя по формулата, съответстваща на основния закон на радиоактивния разпад:
В =A0e-0,693t/T (2),
където At е активността на лекарството след време t;
A0 – начална активност на лекарството;
e – основа естествени логаритми(е=2,72);
t е времето, през което се е разпаднал радиоизотопът;
T – полуживот; стойностите на T и t трябва да имат една и съща размерност (мин., сек., часове, дни и т.н.).
(Пример: Активността A0 на радиоактивния елемент 32P в определен ден е 5 mCi. Определете активността на този елемент след една седмица. Времето на полуразпад T на елемента 32P е 14,3 дни. Активността на 32P след 7 дни. При = 5 * 2 720 693 * 7/14,3 = 5 * 2 720,34 = 3,55 mCi).
Единиците Кюри (Ci) не са подходящи за характеризиране на гама активността на източниците. За тези цели е въведена друга единица - еквивалентът на 1 mg радий (mg-екв. радий). Милиграм еквивалент на радий - това е активността на всяко радиоактивно лекарство, гама-лъчението на което при идентични условия на измерване създава същата мощност на експозиционната доза като гама-лъчението на 1 mg радий от Държавния стандарт за радий на Руската федерация при използване на платина филтър с дебелина 0,5 мм. Единицата милиграм еквивалент на радий не е установена от съществуващите стандарти, но се използва широко в практиката.
Точков източник от 1 mg (1 mCi) радий, в равновесие с продуктите на разпадане, след първоначално филтриране през платинена пластина с дебелина 0,5 mm създава мощност на дозата от 8,4 R/h във въздуха на разстояние 1 cm. Това количество се нарича йонизационна гама константа на радий и се обозначава с буквата Kγ . Гама константата на радия се приема като стандарт за мощност на дозата на радиация. Kγ на всички други гама излъчватели се сравнява с него. Има таблици с гама константи за повечето радиоактивни изотопи.
Така гама константата на 60Co е 13,5 R/h. Сравнението на гама константите на радий и 60Co показва, че 1 mCi от радионуклида 60Co създава радиационна доза 1,6 пъти по-голяма от 1 mCi радий (13,5/8,4 = 1,6). С други думи, по отношение на радиационната доза, създадена във въздуха, 1 mCi радионуклид 60Co е еквивалентен на 1,6 mCi радий, т.е. гама-лъчението, излъчвано от лекарството 60Co с активност от 0,625 mCi, създава същата радиационна доза като 1 mCi радий.
Гама еквивалентът на изотопа M е свързан с неговата активност A (mCi) чрез йонизационната гама константа Kγ чрез отношенията:
M = AKγ/8,4или A = 8.4M/Kγ (3),
които ни позволяват да преминем от активността на радиоактивно вещество, изразена в mEq. радий към активност, изразена в mCi и обратно.
През 1913 г. английският физик Г. Моузли установява, че положителният заряд на ядрото на атома (в произволни единици) е равен на атомния номер на елемента в периодичната таблица на Д. И. Менделеев.
Всеки протон има заряд +1, така че зарядът на ядрото е равен на броя на протоните. Атомът е електрически неутрална частица, така че броят на протоните е равен на броя на електроните. Следователно:
Например елементът желязо Fe има пореден номер 26. Следователно зарядът на ядрото на атома на желязото е +26, т.е. ядрото съдържа 26 протона и 26 електрона се движат около ядрото.
Елементарните частици имат следните абсолютни и относителни маси:
Данните в тази таблица показват, че масата на протона, подобно на масата на неутрона, е приблизително 1840 пъти по-голяма от масата на електрона. Протоните и неутроните се намират в ядрото, така че масата на атома е почти равна на масата на ядрото. Масата на ядрото, подобно на масата на атома, се определя от сумата от броя на протоните и броя на неутроните. Тази сума се нарича масово число на атома.
Наричат се атоми на един и същ елемент, които имат различни масови числа изотопи.
Атомите на изотопите на един елемент имат същия номерпротони (Z) и се различават един от друг по броя на неутроните (N).
Изотопите се обозначават със символите на съответните елементи, отляво на които отгоре е изписано масовото число на изотопа, а отдолу - атомният номер (зарядът на атомното ядро) на елемента. Например:
В природата има различни елементи различен номеризотопи с различни проценти от всеки.
Относителната атомна маса на елемента Ar, която е дадена в периодичната таблица, е средната стойност на масовите числа на естествените изотопи на този елемент, като се вземе предвид процентното съдържание на всеки изотоп.
Например в природата всички хлорни атоми са от два типа изотопи: 35 Cl (75,5% процент) и 37 Cl (24,5%). Относителна атомна маса на хлора
Химичните свойства на всички изотопи на един елемент са еднакви. Следователно химичните свойства на елемента зависят не от атомната маса, а от заряда на ядрото.
Следователно съвременната формулировка на периодичния закон гласи така:
Свойствата на елементите и техните съединения периодично зависят от заряда на атомното ядро или атомния номер на елемента.
Формулировката на периодичния закон от Д. И. Менделеев и съвременната формулировка не си противоречат, тъй като за повечето елементи с увеличаване на заряда на ядрото се увеличава и относителната атомна маса. Има само няколко изключения от това правило. Например елемент No18 има голям атомна масаотколкото елемент № 19.
Изтегли:
Изтеглете безплатно резюме по темата: "Структура на атома и атомното ядро"
Резюмета по други теми могат да бъдат изтеглени
атом – едножилен, неделим химическичастица от химичен елемент, носител на свойствата на дадено вещество.
Веществата са изградени от атоми. Самият атом се състои от положително заредено ядро и отрицателно зареден електронен облак. Като цяло атомът е електрически неутрален. Размерът на атома се определя изцяло от размера на неговия електронен облак, тъй като размерът на ядрото е незначителен в сравнение с размера на електронния облак. Ядрото се състои от Z положително заредени протони и N неутрони, които не носят заряд. Така зарядът на ядрото се определя само от броя на протоните и е равен на поредния номер на елемента в периодичната таблица. Положителният заряд на ядрото се компенсира от отрицателно заредени електрони (заряд на електрона -1 в произволни единици), които образуват електронен облак. Броят на електроните е равен на броя на протоните. Масите на протоните и неутроните са равни. Масата на атома се определя от масата на неговото ядро, тъй като масата на електрона е приблизително 1850 пъти по-малка от масата на протона и неутрона и рядко се взема предвид при изчисленията.
Нуклиди – вид атоми, характеризиращи се с определено масово число, атомен номер и енергийно състояние на ядрата и имащи достатъчен за наблюдение живот.
Нуклидите се делят на стабилни и радиоактивни (радионуклиди, радиоактивни изотопи). Стабиленнуклидите не претърпяват спонтанни радиоактивни трансформации от основното състояние на ядрото. Радионуклидичрез радиоактивни превръщания преминават в други нуклиди. В зависимост от вида на разпада се образува или друг нуклид от същия елемент, или нуклид от друг елемент със същото масово число, или два или повече нови нуклида.
Сред радионуклидите има краткотрайни и дългоживеещи. КраткотраенРадионуклидите са или членове на естествени радиоактивни серии, или непрекъснато се образуват в резултат на ядрени реакции, причинени от космическа радиация. Радионуклидите, които съществуват на Земята от нейното образуване, често се наричат естествени дълголетник, или първични радионуклиди; Такива нуклиди имат период на полуразпад. За всеки елемент са произведени изкуствено радионуклиди; за елементи с атомен номер (т.е. брой протони), близък до едно от „магическите числа“, броят на известните нуклиди може да достигне няколко десетки. Най-големият бройИзвестни са 46 нуклида, които живакът притежава.
Изотопи – разновидности на атоми на химичен елемент, които имат еднакъв атомен (порядков) номер, но в същото време различни масови числа. Името се дължи на факта, че всички изотопи на един атом са поставени на едно и също място (в една клетка) на периодичната таблица. Химичните свойства на атома зависят от структурата на електронната обвивка, която от своя страна се определя главно от заряда на ядрото Z (т.е. броя на протоните в него) и почти не зависи от неговото масово число A (тоест общият брой на протоните Z и неутроните N). Всички изотопи на един и същ елемент имат еднакъв ядрен заряд, различавайки се само по броя на неутроните.
Изобари –нуклиди на различни елементи с еднакво масово число; например изобарите са 40 Ar, 40 K, 40 Ca.
Броят на нуклоните (масовото число) A = N + Z в изобарните ядра е еднакъв, което означава, че броят на протоните Z и неутроните N е различен: Z 1 ≠ Z 2, N 1 ≠ N 2. Набор от нуклиди с едно и също А, но различно Z се нарича изобарна верига.
Радиоактивни семейства (серия)– генетично свързани чрез последователни вериги (редове) на радиоактивен разпад на ядра от естествен произход.
Характеристика на основните видове йонизиращи лъчения. Единици за радиоактивност. Закон за радиоактивното разпадане. Период на радиоактивен разпад. Концепцията за единици радиоактивност. Дозови полета на радиация.
Йонизиращо лъчение - Това са лъчения, чието взаимодействие с дадено вещество предизвиква или води до образуването на йони в тази среда.
Най-разнообразните видове йонизиращи лъчения са така наречените радиоактивни лъчения, които се образуват в резултат на спонтанен радиоактивен разпад на атомните ядра на елементите с промяна на физичните и химичните свойства на последните. Наричат се елементи, които имат способността да се разпадат радиоактивно радиоактивен.
Различни видове йонизиращо лъчение са придружени от освобождаване на различни количества енергия и имат различни проникващи способности, така че имат различни ефекти върху тъканите на живия организъм.
Има източници на радиация изкуственисъздадени от човека и естествено, присъстващи в природата и независими от хората. Почти невъзможно е напълно да се освободите от въздействието на естествените източници на радиация от космически и земен произход.
Опасността от йонизиращо лъчение очаква хората не само от околната среда, т.е. при външно облъчване, но вътре в себе си, ако източниците на йонизиращо лъчение попаднат чрез дишане, пиене на вода и ядене на храна вътре. Този вид облъчване се нарича вътрешни.
Установено е, че от всички естествени източници на радиация най-голяма опасност представляват радон- невидим тежък газ без вкус и мирис. Радонът се освобождава от земната коранавсякъде, но концентрацията му варира значително за различните части на земното кълбо. Човек получава основното лъчение от радон, докато е в затворено, изолирано, непроветрено помещение.
По време на радиоактивния разпад има три основни типа йонизиращо лъчение: алфа, бета и гама.
Алфа радиациязабавено от малки препятствия и практически не
способен да проникне външен слойкожата. Следователно, той не представлява опасност, докато в тялото не попаднат радиоактивни вещества, излъчващи алфа частици. Пътищата на проникване могат да бъдат различни: през отворена рана, с храна, вода, вдишван въздух или пара. В този случай те стават изключително опасни.
Бета радиацияе поток от електрони, получени по време на разпадането на ядра както на естествени, така и на изкуствени радиоактивни елементи. Бета радиацията има по-голяма проникваща способност в сравнение с алфа частиците, поради което са необходими по-плътни и по-дебели екрани за защита срещу тях. Вид бета радиация, получена по време на разпадането на някои изкуствени радиоактивни елементи, е позитрони. Те се различават от електроните само по положителния си заряд, следователно, когато са изложени на потока от лъчи магнитно полете се отклоняват в обратна посока.
Мерни единици за радиоактивност – това са единици за измерване на активността на радиоактивните елементи в препарати и в различни среди. Активността на радиоактивно лекарство в Международната система от единици (SI) се измерва с броя на разпадащите се атоми за секунда (dec/sec). Допуска се използването на несистемни единици: дисперсия/мин и кюри. За смес от няколко радиоактивни елемента (или изотопа) се посочва активността на всеки от тях. Специфичната активност се измерва в:
dis/sec ∙ m 3 или dis/sec ∙ kg (извънсистемни единици: Ci/cm 3, Ci/g). Тясно свързани с единиците за радиоактивност са единиците за радиоактивно лъчение, които характеризират изхода на радиация от източника и неговото поле. В тези единици в системата SI се измерва плътността на потока на частиците - частица / сек ∙ m 2; радиационен интензитет – W/m 2, погълната радиационна доза – J/kg; мощност на погълната доза на лъчение – W/kg; експозиционна доза на рентгеново и γ-лъчение – C/kg; мощност на експозиционната доза на рентгеново и γ-лъчение – A/kg.
Закон за радиоактивното разпадане –физичен закон, който описва зависимостта на интензитета на радиоактивния разпад от времето и броя на радиоактивните атоми в пробата. Открит от Фредерик Соди и Ърнест Ръдърфорд, всеки от които по-късно е удостоен с Нобелова награда.
Радиоактивно разпадане– спонтанна промяна в състава (заряд Z, маса
числа А) или вътрешна структуранестабилни атомни ядра чрез излъчване на елементарни частици, гама лъчи и ядрени фрагменти. Процесът на радиоактивен разпад се нарича още радиоактивност, а съответните ядра (нуклиди, изотопи и химични елементи) са радиоактивни. Веществата, съдържащи радиоактивни ядра, се наричат още радиоактивни.
радиоактивност –нестабилност на ядрата на някои атоми, проявяваща се в способността им за спонтанни трансформации (разпад), придружени от излъчване на йонизиращо лъчение - радиация.
Ефектът на радиацията върху хората се нарича облъчване. Причината за ефекта е преносът на лъчева енергия към клетките на тялото. Облъчването причинява метаболитни нарушения, левкемия и злокачествени тумори, промени в клетъчната структура, радиационно безплодие, радиационна катаракта, радиационно изгаряне, лъчева болест.
Ефектите от радиацията имат по-силен ефект върху делящите се клетки и следователно радиацията е много по-опасна за децата, отколкото за възрастните.
Естествена радиоактивност– спонтанен разпад на атомни ядра, открити в природата.
Изкуствена радиоактивност– спонтанен разпад на атомни ядра, получени изкуствено чрез подходящи ядрени реакции.
Дозови полета на радиация – количество, използвано за оценка на степента на излагане на йонизиращо лъчение върху всякакви вещества, живи организми и техните тъкани. Единицата SI за експозиционна доза е кулон на килограм (C/kg). Кулон на килограм е равен на дозата на експозиция, при която всички електрони и позитрони, освободени от фотони в обем въздух с тегло 1 kg, произвеждат йони във въздуха, които носят електрически заряд с всеки знак от 1 C.
Рентгените измерват количеството генерирана радиация или дозата на експозиция.
Единицата SI за погълната доза е грей (Gy). Грей е равна на погълнатата доза йонизиращо лъчение, при което 1 J енергия на йонизиращото лъчение се предава на вещество с тегло 1 kg.
6. Радиоактивни превръщания. Взаимодействие на ˠ-квантите с материята. Алфа и бета разпад на радионуклиди. Концепцията за RIR и PIR.
Радиоактивни трансформации– спонтанни трансформации на едни ядра в други ядра. Радиоактивните трансформации са придружени от излъчване на различни частици. Видовете радиоактивни трансформации са алфа разпад и бета разпад.
Алфа разпад- вид спонтанна радиоактивна трансформация на тежки атомни ядра, която е придружена от излъчване на алфа-частици от ядрото. В резултат на алфа разпадане, първоначалният елемент измества две числа в началото на периодичната таблица на Менделеев.
Бета разпад– вид радиоактивно преобразуване на нестабилни атомни ядра, причинено от слабо взаимодействие и свързано с взаимното преобразуване на неутрони и протони в атомните ядра. Има: 1) бета минус разпад, при който електрон се излъчва от ядрото и зарядът на ядрото се увеличава с единица; 2) бета-плюс разпад, при който от ядрото се излъчва позитрон и зарядът на ядрото намалява с единица.
Гама и рентгеново лъчениеса електромагнитни вълни. Рентгеновото лъчение възниква, когато заредените частици взаимодействат с атомите на материята, а гама лъчението се излъчва, когато атомните ядра преминават от възбудени състояния в състояние с по-ниска енергия. Дължината на вълната на гама лъчение обикновено е по-малка от 0,2 нанометра. За тези видове радиация няма понятия за изминато разстояние или загуба на енергия за единица път. Гама лъчите, преминавайки през материята, взаимодействат както с електроните, така и с ядрата на атомите на средата (субстанцията). В резултат на взаимодействието интензивността на лъчите намалява.
Поглъщането на гама лъчи от материята се дължи главно на три процеса: фотоелектричния ефект, комптоновото разсейване и създаването на двойки електрон-позитрон в полето на Кулон на ядрото.
Разпадането, придружено от излъчване на алфа частици, се нарича алфа разпад; разпадът, придружен от излъчване на бета-частици, се нарича бета-разпад (сега е известно, че има видове бета-разпад без излъчване на бета-частици, но бета-разпадът винаги е придружен от излъчване на неутрино или антинеутрино). Терминът "гама разпад" рядко се използва; излъчване на гама лъчи от ядрото
Ядрото на атома се състои от протони и неутрони.
Химическият елемент се характеризира уникално с атомния си номер З, съвпадащ с броя на протоните в ядрото.
Ядро с определен брой протони Зможе да има различен брой неутрони н. Протоните и неутроните заедно се наричат нуклони. Специфично ядро с данни З, Ннаречен нуклид.
Масовото число се нарича пълен номернуклони в ядрото: A = Z + N.
Тъй като масите на протоните и неутроните са много близки ( mn/mp = 1.0014)
Ядрени сили.Съществуването на ядра е възможно само ако между нуклоните действат сили от специално естество, които противодействат на електростатичното отблъскване на протоните и компресират всички нуклони в малка област от пространството. Такива сили не могат да бъдат нито от електростатично естество (напротив, тези сили трябва силно да привличат протони), нито от гравитационно естество (числено, силата на гравитационното привличане е твърде малка, за да предотврати значително електростатично отблъскване). Тези нови сили се наричат ядрени сили, а взаимодействието, което генерира тези сили, се нарича силно.
Експериментално са установени следните свойства на ядрените сили.
1. Тези сили са еднакви по големина, независимо дали действат между два протона, протон и неутрон или два неутрона (независимост от заряда на ядрените сили).
2. Тези сили са с малък обсег на действие, т.е. изчезват, ако разстоянието между нуклоните надвишава размера на ядрото.
3. В областта на действие на ядрените сили тези сили са много големи (в сравнение с електромагнитните или още повече гравитационните сили) и са сили на привличане до разстояния от порядъка R0, където се заместват от отблъскващи сили. По този начин нуклоните в ядрата се задържат в област от пространството с радиус R > R0, обаче, атомните ядра не могат да бъдат компресирани до по-малки размери.
Изотопи – атоми на един и същ елемент, които имат различни масови числа
Атомите на изотопите на един и същи елемент имат еднакъв брой протони, но се различават един от друг по броя на неутроните
например: водородът има три изотопа: протий 1 1 H, деутерий 2 1 H, тритий 3 1 H
Изобари - нуклиди на различни елементи с еднакво масово число; например изобарите са 40 Ar, 40 K, 40 Ca.
Билет 11. Същност и видове вътремолекулни химични връзки. Примери за връзки с различни видовехимическа връзка
Има четири вида химични връзки: йонни, ковалентни, метални и водородни.
Йонна химична връзка е връзка, образувана поради електростатичното привличане на катиони към аниони.
Ковалентната химична връзка е връзка, която възниква между атомите поради образуването на споделени електронни двойки.
Нека разгледаме донорно-акцепторния механизъм на образуване на ковалентна връзка, използвайки класическия пример за образуване на амониев йон NH4+:
Метална връзка
Връзката в металите и сплавите, която се осъществява от относително свободни електрони между метални йони в метална кристална решетка, се нарича метална.Такава връзка е ненасочена, ненаситена, характеризираща се с малък брой валентни електрони и голям брой свободни орбитали, което е характерно за металните атоми. Схема на образуване на метална връзка (М - метал):
_
М 0 - не<->M n+
Водородна връзка
Химическа връзка между положително поляризирани водородни атоми на една молекула (или част от нея) и отрицателно поляризирани атоми на силно електроотрицателни елементи, имащи несподелени електронни двойки на друга молекула (или част от нея) се нарича водородна връзка.
В биополимерите - протеини (вторична структура) съществува вътрешномолекулна водородна връзка между карбонилния кислород и водорода на аминогрупата.
Полинуклеотидните молекули - ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) са двойни спирали, в които две вериги от нуклеотиди са свързани една с друга чрез водородни връзки. В този случай действа принципът на комплементарност, т.е. тези връзки се образуват между определени двойки, състоящи се от пуринови и пиримидинови бази: тиминът (Т) е разположен срещу адениновия нуклеотид (А), а цитозинът (С) е разположен срещу гуанина (G).
Веществата с водородни връзки имат молекулни кристални решетки.
Билет 12. основни разпоредби на метода BC, използвайки примера за образуване на катиона NH 4