5. Радиационная безопасность
5.1. Строение атома и атомного ядра
Каждый атом состоит из ядра и атомной оболочки, в состав которых входят различные элементарные частицы – нуклоны и электроны (рис. 5.1). Ядро – центральная часть атома, содержащая практически всю массу атома и обладающая положительным зарядом. Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые являются двухзарядными состояниями одной элементарной частицы – нуклона. Заряд протона +1; нейтрона 0.
Заряд ядра атома равен Z . ē , где Z – порядковый номер элементов (атомный номер) в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре; ē – заряд электрона.
Число нуклонов в ядре называется массовым числом элемента (A):
A = Z + N,
где Z – число протонов; N – число нейтронов в атомном ядре.
Для протонов и нейтронов массовое число принимают равное 1, для электронов равное 0.
Рис. 5.1. Строение атома
Общеприняты
следующие обозначения для какого-нибудь
химического элемента X:
,
здесь A
– массовое число, Z
–
атомный номер элемента.
Атомные ядра одного и того же элемента могут содержать разное число нейтронов N. Такие разновидности атомных ядер называются изотопами данного элемента. Таким образом, изотопы имеют: одинаковый атомный номер, но различные массовые числа A. Большинство химических элементов представляют собой смесь различных изотопов, например изотопы урана:
.
Атомные ядра различных химических элементов могут иметь одинаковое массовое число а (с разным числом протонов z). Такие разновидности атомных ядер называются изобарами. Например:
–
–
–
;
–
5.2. Атомная масса
Д
ля
характеристики массы атомов и молекул
используют понятие атомной
массы M
–
это относительная величина, которая
определяется по отношению
к массе
атома углерода и принимается
равной mа
= 12,000 000. Для
абсолютного определения
атомной массы была введена атомная
единица
массы
(а.е.м.), которая определяется по отношению
к массе атома углерода в следующем виде:
.
Тогда атомную массу элемента можно определить как:
,
где М – атомная масса изотопов рассматриваемого элемента. Это выражение облегчает определение массы ядер элементов, элементарных частиц, частиц – продуктов радиоактивных превращений и т. д.
5.3. Дефект массы ядра и энергия связи ядра
Энергия связи нуклона – физическая величина, численно равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.
Нуклоны связаны в ядре благодаря ядерным силам, которые значительно превосходят силы электростатического отталкивания, действующие между протонами. Для расщепления ядра необходимо преодолеть эти силы, т. е. затратить энергию. Соединение нуклонов с образованием ядра, напротив, сопровождается высвобождением энергии, которую называют энергией связи ядра ΔWсв:
,
где
– так называемый дефект массы ядра; с
≈ 3
.
108
м/с – скорость света в вакууме.
Энергия связи ядра – физическая величина, равная работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на отдельные нуклоны без сообщения им кинетической энергии.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы, т. е. масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов, эта разница называется дефектом масс Δm:
,
где mp – масса протона; mn – масса нейтрона; mядр – масса ядра.
При переходе от массы ядра mядр к атомным массам элемента mа, это выражение можно записать в следующем виде:
,
где mH – масса водорода; mn – масса нейтрона и mа – атомная масса элемента, определенные через атомную единицу массы (а.е.м.).
Критерием устойчивости ядра является строгое соответствие в нем числа протонов и нейтронов. Для устойчивости ядер справедливо следующее соотношение:
,
где Z – число протонов; A – массовое число элемента.
Из известных к настоящему времени примерно 1700 видов ядер, только около 270 являются стабильными. Причем в природе преобладают четно-четные ядра (т. е. с четным числом протонов и нейтронов), которые являются особенно стабильными.