Состав и характеристика атомного ядра

Ядра атомов состоят из двух видов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон (р) – ядро атома водорода. Он обладает зарядом +e и массой

m_p = 1,672×10^-27кг (энергия покоя Е_0р = 938,2 МэВ).

Нейтрон (n) – не обладающая электрическим зарядом частица с массой

m_n = 1,675×10^-27кг (энергия покоя Е_0п = 939,5 МэВ).

Количество протонов z, входящих в состав ядра, определяет его заряд и называется зарядовым числом ядра.

Число нуклонов А в ядре называется массовым числом ядра. При превращениях ядер зарядовое и массовое числа сохраняются.

Для обозначения ядер применяют символ , где под X подразумевается химический символ элемента. Вверху ставится массовое число, внизу – атомный номер (зарядовое число).

Масса ядра m_я всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Энергия связи Е_св равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии, энергия связи нуклонов в ядре равна:

. (38)

Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) a-распад, 2) b-распад, 3) g-излучение ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радиоактивность.

Закон радиоактивного превращения выражается формулой

N=N₀e^-lt, (39)

где N₀ – количество ядер в начальный момент времени, N – количество нераспавшихся ядер в момент времени t, l – характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада.

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада Т_1/2. Из (39) следует, что

T_1/2 = (ln2)/l. (40)

Активностью радиоактивного препарата А называется число распадов, происходящих в препарате за единицу времени:

A = dN_расп/dt = lN. (41)

Альфа-распад

Альфа лучи представляют собой поток ядер гелия . Распад протекает по схеме

. (42)

Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего ядра Y на две единицы, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у исходного (материнского) ядра Х.

Бета-распад

Наиболее распространенный вид b-распада – электронный распад – протекает по схеме

. (43)

Из схемы видно, что дочернее ядро имеет атомный номер, на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино .

Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при их сближении до расстояний порядка 10^-15м благодаря действию ядерных сил.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:

Х + а ® Y + b.

Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в виде

Х(а,b)Y. (44)

В качестве легких частиц а и b могут фигурировать нейтрон (n), протон (р), дейтрон (d), a-частица (a) и g-фотон (g).

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии Q называется энергией реакции.

Она определяется разностью масс исходных и конечных ядер (частиц):

(45)

где å m₁ – сумма масс ядер, вступающих в реакцию,

å m₂ – сумма масс ядер, получившихся в результате реакции.

Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и энергия реакции будет отрицательной (Q<0).