Атомное ядро

1. Атомное ядро характеризуется атомным номером Z и массовым числом А — его массой, округленной до ближайшего целого числа. Ядро изотопа данного химического элемента обозначают как , где X химический символ элемента. Например, для водорода: , для углерода: . Ядро состоит из протонов, имеющих заряд +е и массу т_р = 938,3 МэВ/с² и нейтронов с зарядом 0 и массой m_п = 939,6 МвВ/с². Число протонов в ядре равно Z, а число нейтронов (А – Z). Протоны и нейтроны носят общее название нуклоны. Нуклоны в ядре удерживаются ядерным силами, возникающими в результате сильного взаимодействия. Энергия связи ядра определяется как

E_св = c²([Zm_p + (A – Z)m_n]– m_A),

где т_A — масса ядра . Энергия связи нуклонов в ядре в 10⁶ раз больше, чем энергия связи электронов в атоме.

2. Свойства ядерных сил:

-о Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия 10^–13 см.

-о Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости: т.е. величина взаимодействия одинакова для нуклонов любого знака.

-о Ядерные силы не являются центральными.

-о Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон в ядре эффективно взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.

3. Радиоактивность.

Существуют ядра, способные самопроизвольно испускать элементарные частицы. Такие ядра называются нестабильными или радиоактивными. К числу радиоактивных процессов относятся следующие: a-распад, b-распад, g-излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная радиоактивность. Радиоактивность ядер, существующих в природе, называется естественной. Радиоактивность ядер, возникающих в результате ядерных реакций, называется искусственной. При a-распаде ядро испускает a-частицу, т.е. ядро гелия , при b-распаде испускает электрон или позитрон. Например, и , соответственно ( — антинейтрино).

Число ядер dN, распадающихся в промежуток времени от t до t + dt,пропорционален dt и числу ядер N, не распавшихся к моменту времени t

dN = –λNdt,

где А — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада. Отсюда, число ядер не распавшихся к моменту времени t равно

,

где N_o — число ядер в начальный момент времени t = 0.

Величина t = 1/λ называется средним временем жизни ядра. Время, за которое количество ядер уменьшится в 2 раза, называется периодом полураспада Т.

.

Активность радиоактивного вещества определяется как число распадов, происходящих в веществе за единицу времени, т.е. произведением Nλ. В системе СИ единицей активности является беккерелъ (Бк)

Бк = 1 распад/с

Внесистемная единица активности — кюри (Ки)

1 Ки = 3,7∙10¹⁰ распадов/с = 3,7∙10¹⁰ Бк.

Воздействие ионизирующего излучения на вещество характеризуется дозойионизирующего излучения.

Поглощенная доза излучения D — это энергия излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества. Единица поглощенной доза в СИ — грей (Гр)

1 Гр=1 Дж/кг

Внесистемная единица поглощенной дозы рад

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр

Экспозиционная доза облучения (используется при рентгеновском облучении) — это отношение суммы электрических зарядов ионов одного знака, образовавшихся в воздухе за время облучения, к массе воздуха. Единица экспозиционной дозы в СИ — кулон на килограмм (Кл/кг).

Внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген (Р).

1P = 2,58.10^–4 Кл/кг.

Биологическая доза — величина, определяющая воздействие излучения на организм.

Относительна биологическая эффективность (ОБЭ) — отношение поглощенной дозы D_oобразцового излучения, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе излучения, вызывающей такой же биологический эффект. В качестве образцового используется рентгеновское излучение с Е_гр. = 200 КэВ.

Коэффициент качества ионизирующего излучения Q для равных видов излучения: рентген, g-лучи, электроны и позитроны — Q = 1; протоны и нейтроны с Т < 10 МэВ — Q =10; a-частицы с Т < 10 МэВ и тяжелые ядра отдачи — Q =20. Эквивалентная доза Н —произведение поглощенной дозы и коэффициента качества: Н = DQ. Единица измерения Н в СИ — зиверт (Зв)

1 Зв = 1 Гр.Q

Внесистемная единица измерения Н — бэр (биологический эквивалент рада).

1 бэр = 0,01 зиверт.

При работе с радиоактивным источниками введена предельно допустимая доза (ПДД). Для профессионалов она составляет 5 бэр/год.

Считается, что минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД) для человека составляет примерно 600 рад.

4. При захвате нейтронов некоторыми тяжелыми ядрами (например, , , ) происходит реакция деления ядра на два примерно равных осколка деления. При этом вылетает несколько (2-3) нейтрона. Это дает возможность осуществления цепной ядерной реакции. При этом выделяется энергия около 0,8 МэВ/нуклон. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения k, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. Развитие цепной реакции определяется соотношением

,

где N_o — число нейтронов в начальный момент времени, N —их число в момент времени t и Т — среднее время жизни поколения.

При k <1 цепная реакция затухает, при k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция и при k > 1—развивающаяся. Величина k зависит от многих факторов, в том числе от размеров объема, занимаемого делящимся веществом. Минимальные размеры, при которых возможно осуществление цепной реакции называются критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества, находящегося в критических размерах называется критической массой. Неуправляемая цепная реакция приводит к взрыву. Управляемая цепная реакция осуществляется в ядерных реакторах, позволяющих получать энергию, например в АЭС.

5. При синтезе легких ядер в более тяжелые также происходит выделение энергии. Например в реакции выделяется энергия 3,5 МэВ/нуклон. Однако, чтобы сблизится на расстояние действия ядерных сил ядра должны обладать достаточной энергией для преодоления кулоновского барьера. Это возможно при температуре порядка 10⁸—10⁹ К. Близкая к этой температура достигается в недрах Солнца и звезд, где и протекают термоядерные реакции. В земных условиях осуществлена только неуправляемая термоядерная реакция (взрыв). Ведутся интенсивные работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.