Краткие основы ядерной физики

По современным представлениям атом – это наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., в свою очередь, имеют сложную структуру и состоят из двух частиц – протонов и нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Протон представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Протоны входят в состав ядер всех атомов. В 1932 году было доказано (Чедвик) существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика. В свою очередь и протоны и нейтроны состоят из кварков – фундаментальных частиц в современной ядерной физике.

Для характеристики атомных ядер имеется ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A = Z + N.

Ядра химических элементов обозначают символом , где X – химический символ элемента. Например, – водород, – гелий, – кислород, – уран.

Атомы классифицируются по числу протонов и нейтронов в ядре: число протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Так, например, у водорода три изотопа: – обычный водород, – дейтерий и – тритий.

Известные элементы периодической таблицы Менделеева составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны, а также и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Число радиоактивных ядер радиоактивного вещества постоянно уменьшается во времени благодаря их распаду. Скорость распада принято характеризовать периодом полураспада: это время, за которое число радиоактивных ядер определенного типа уменьшится в 2 раза.

У каждого радионуклида (радиоактивного изотопа) – свой период полураспада, он может составлять как доли секунды, так и миллиарды лет. Важно, что период полураспада данного радионуклида постоянен, и изменить его невозможно.

Образующиеся при радиоактивном распаде ядра, в свою очередь, также могут быть радиоактивными. Так, например, радиоактивный радон-222 обязан своим происхождением радиоактивному урану-238.

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана эта величина составляет 4, 5 млрд. лет, а для радия – 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана.

Протоны и нейтроны внутри ядер связаны особыми силами взаимного притяжения, которые называются ядерными силами. Они не являются ни гравитационными, ни электрическими, ни магнитными. По величине они значительно превышают электростатические силы отталкивания между протонами. Энергия связи, например, ядра гелия равна 28, 3 МэВ. Это огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии такой же, как при сгорании почти 60 тонн каменного угля.

Энергия связи у различных атомов неодинакова. Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Это означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелые. В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии.

При делении одного ядра атома урана выделяется энергия 210МэВ. При синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделяется энергии примерно в 6 раз больше.

Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер (химические элементы плюс их изотопы) нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц или излучений и всегда этот процесс сопровождается выделением энергии.

Таким образом, радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным. Это излучение способно при взаимодействии с любой средой вызывать ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества среды. Поэтому оно получило название – ионизирующее излучение.

Радиоактивность и сопровождающее этот процесс ионизирующее излучение является свойством атомного ядра при его распаде.

Ионизация – это превращение нейтрального атома в заряженную частицу. Если электрон получает значительную энергию извне, то он способен вырваться из атома и удалиться за его пределы. Атом, лишившийся электрона, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе электрон – в отрицательный.

Если количество энергии будет небольшое, то электрон не сможет преодолеть силу притяжения ядра и останется в пределах атома. Но, имея избыток энергии, электрон может совершить переход с одного энергетического уровня на другой. В результате перехода он теряет избыточную энергию, и атом возвращается в обычное состояние. Этот процесс сопровождается выделением энергии:

– если переход совершается с внешних орбит на внутренние, то выделяется рентгеновское излучение;

– если переход совершается в пределах внешних орбит, то выделяется ультрафиолетовое, инфракрасное излучение.

Оказалось, что лучи, испускаемые радиоактивными веществами, не однородны, а имеют сложный состав.

Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Лучи отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке – бета-лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись, были названы гамма-лучами (опыт Э. Резерфорда, 1899).

Когда была полностью изучена природа ионизирующего излучения оказалось, что только гамма-лучи представляют собой истинные лучи, так как они даже в сильном магнитном поле не отклоняются; альфа- и бета-лучи являются заряженными частицами и способны к отклонению.

По своей природе все ионизирующие излучения (ИИ) подразделяются на электромагнитные и корпускулярные излучения.

К электромагнитным относятся: рентгеновское и g-излучение.

К корпускулярным относят: электроны и позитроны (b-частицы), a-частицы (ядра гелия). Кроме того, к корпускулярным излучениям относят не имеющие заряда нейтроны.