Строение атома. Понятие радиоактивности

Атом – самая маленькая часть химического элемента, сохраняющаяся все его свойства, его размеры 10^-8 см, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в виде электронного облака по электронным орбиталям. Атом в целом электронейтрален.

Электрон – устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 атомной единицы массы (а.е.м.) или 9,1 ´ 10^-28 г. Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества, равный 1,6´10^-19 Кл, который в ядерной физике принят за единицу.

Электроны перемещаются по эллиптическим орбитам, образуя электронную оболочку атома в виде облачка, они группируются на той или иной электронной орбите в зависимости от энергии. Число электронных орбиталей колеблется от одной до семи соответственно группам химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева, обозначаются буквами латинского алфавита.

Ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов, и нейтральных в электрическом отношении частиц – нейтронов, которые в целом называются нуклонами. Они находятся в постоянном движении и между ними действуют внутриядерные силы притяжения. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева и обозначается в левом верхнем углу символа элемента буквой Z, а суммарное число протонов и нейтронов – в левом нижнем углу и обозначается буквой М, оно соответствует атомной массе химического элемента. Например: ²³⁵₉₂U.

Протон(p) – устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 1,00758 а.е.м. (1,6725 ´ 10^-24 г.), примерно в 1840 раз больше массы покоя электрона, имеет один элементарный заряд, равный заряду электрона.

Нейтрон(n) – электрически нейтральная частица, масса покоя которой равна массе покоя протона (1 а.е.м). Вследствие своей электрической нейтральности нейтрон не отклоняется под воздействием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром, обладает большой проникающей способностью и биологической эффективностью.

Таким образом, атомы химических элементов электронейтральны. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить с одного энергетического уровня (орбиты) на другой или даже покидать пределы данного атома. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением. При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома, удаляются за его пределы, а атом превращается в положительный ион, а атом, присоединивший один или несколько электронов, – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией.

В природе большинство химических элементов состоит из смеси атомов с различным числом нейтронов, но с постоянным числом протонов – такие атомы называются изотопами. Атомы химического элемента с одинаковым массовым числом, но ядра которых находятся в различном энергетическом состоянии, называются изомерами. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами. Например: элемент уран состоит из изотопов ²³⁸U – 98,5 % и ²³⁵U – 1,5 %. Изотопы подразделяются на 2 группы: стабильные и радиоактивные.

Радионуклиды – это радиоактивные атомы с данным массовым числом (суммарным числом протонов и нейтронов) и атомным номером или с данным энергетическим состоянием атомного ядра (для изомеров).

Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов с выделением энергии в виде электромагнитного излучения (гамма- и рентгеновское излучения) и корпускулярных частиц (альфа-, бета-, нейтронное, позитронное излучения).

Радиоактивные излучения, происходящие в природе без внешнего воздействия, называются естественной радиоактивностью, а в искусственно полученных под воздействием альфа-, нейтронного излучений веществах (через ядерные реакции) – искусственной или наведенной радиоактивностью. В настоящее время известны 3 естественных радиоактивных семейства:

1) урана-радия – ²³⁸₉₂U – ²²⁶₈₈Rа, которые через 8 альфа- и 6 бета-распадов превращаются в стабильный изотоп свинца – ²⁰⁸₈₂Pb;

2) тория – ²³²Th, который через 6 альфа- и 4 бета-распадов превращается в стабильный изотоп свинца;

3) актиния-урана – ²³⁵₈₉Ac – ²³⁵₉₂U, которые в результате 7 альфа- и 4 бета-распадов также превращаются в стабильный изотоп свинца.

Единицы радиоактивности

Скорость ядерных превращений характеризуется активностью – числом ядерных превращений в единицу времени. В системе СИ за единицу активности радионуклидов принимается единица беккерель (Бк), равная одному ядерному превращению в одну секунду:

1 Бк = 1 расп. /с.

Применяются также кратные величины:

МБк = 10⁶Бк

ГБк = 10⁹Бк

ТБк = 10¹²Бк

ПБк = 10¹⁵Бк

Внесистемной единицей активности радионуклидов является единица Кюри – это такое количество радиоактивных веществ, в котором число радиоактивных превращений в 1 секунду равно 3,7´10¹⁰. Эта величина соответствует радиоактивности 1 г радия:

1 Ки = 3,7 ´10¹⁰ расп/с = 3,7 ´10¹⁰ Бк.

Применяются также дольные величины:

мКи = 10^-3 Ки

мкКи = 10^-6Ки

нКи = 10^-9Ки

пКИ = 10 ^-12Ки

Единицами удельной активности или концентрации, т.е. активности на единицу массы или объема, являются следующие величины: Ки/мл, Ки/г, Бк/г, Бк/мл и др.

Единицей гамма-активности радиоактивных источников принят эквивалент 1 мг радия. Миллиграмм эквивалент радия (мг-экв. радия) равен активности любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого создает при одинаковых условиях такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона при платиновом фильтре 0,5 см на расстоянии 1 см от источника. Точечный источник в 1 мг (1 мКи) радия создает мощность экспозиционной дозы 8,4 Р/ч. Эта величина называется ионизационной гамма-постоянной радия и обозначается символом К_q.

Например, гамма-постоянная Co-60 составляет 13,5 Р/ч – это значит, что активность Co-60 в 1,6 раза выше, чем 1 мг (1 мКи) радия.

Гамма-эквивалент любого изотопа М связан с его активностью А(мКи) через ионизационную гамма-постоянную радия соотношениями:

М = А ´ К_q /8,4;А = М ´ 8,4 /К_q.

Эти соотношения позволяют сделать переход от активности РВ, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в мКи, и наоборот.

1.3. Типы ядерных превращений. Взаимодействие ИИ
с веществами. Виды ИИ и их характеристика

Ядра атомов в стабильном состоянии устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра, т.е. ядро атома одного химического элемента превращается в ядро атома другого химического элемента – это явление называется радиоактивностью, а сам процесс – ядерным (радиоактивным) распадом или ядерным превращением.

Альфа-распад

Этот вид ядерных превращений сопровождается испусканием из ядра альфа-частицы, представляющей собой ядро атома гелия, что приводит к уменьшению порядкового номера нового химического элемента на 2 единицы и массового числа (атомной массы) на 4 единицы. Например:

²³⁸₉₂ U®⁴₂ He + ²³⁴₉₀ Th + Q.

Этот вид ядерных превращений характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами: ядра с порядковыми номерами больше 82, за редким исключением, альфа-активны (⁶⁰Co и др.), превращения их ядер сопровождаются испусканием альфа-частиц, представляющих собой ядра атомов гелия ⁴He, при этом ядро радиоактивного элемента теряет 2 протона и 2 нейтрона, образующийся элемент смещается влево относительно исходного на две клетки периодической системы Д.И.Менделеева.

Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения 20000 км/c, обладают большой массой – 4,003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ, проникающая способность в воздухе – 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятком микрометров.

Проходя через вещество, положительно заряженная альфа-частица постепенно теряет свою энергию за счет взаимодействия с электронами атомов или других отрицательно заряженных частиц, вызывая их ионизацию, часть энергии теряется на возбуждение атомов и молекул. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотно ионизирующее радиоактивное излучение).

Бета-распад

Ряд естественных и искусственных радиоактивных элементов претерпевают распад с испусканием электронов и позитронов. Электроны и позитроны, испускаемые ядрами, называются бета-частицами или бета-излучением, а сами ядра – бета-активными. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета-распад. При этом виде ядерных превращений один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино и возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе. Вылет электронов сопровождается выбросом антинейтрино – элементарной частицы с массой менее 1/2000 массы покоя электрона, дочерний элемент сдвинут в таблице Д.И.Менделеева на одно поле. Например:

₁₉⁴⁰K® b^- + ₂₀⁴⁰Ca + n⁺ + Q,

где n⁺ – антинейтрино.

При излишке протонов происходит позитронный (b⁺) бета-распад. Он сопровождается образованием нового элемента, расположенного в периодической таблице Д.И.Менделеева на одну позицию влево от материнского; протон превращается в нейтрон, энергия выделяется также в виде элементарной частицы – нейтрино. Позитрон срывает с электронной оболочки электрон, образует пару позитрон – электрон, при взаимодействии которых образуются 2 гамма-кванта (процесс аннигиляции). Например:

₁₅³⁰P ® b⁺ + ₁₄³⁰Si + n^- + Q,

где Q – энергия двух гамма-квантов.Взаимодействие между электронами и веществом также приводит к процессам ионизации и возбуждения атомов и молекул. При взаимодействии с орбитальными электронами бета-частица отклоняется от первоначального пути (одноименные заряды отталкиваются), поэтому глубина проникновения бета-частиц в вещество меньше, чем длина пробега.

Бета-частицы (бета излучение) распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров,
а в биологических тканях – до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редко ионизирующее излучение).

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение, распространяется прямолинейно со скоростью света, энергия его колеблется от 0,01 МэВ до 3 МэВ. Гамма-кванты испускаются при альфа- и бета-распадах ядра природных и искусственных радионуклидов, лишены массы покоя, не имеют заряда, поэтому проникающая способность в воздухе составляет 150 метров, в биологических тканях – десятки сантиметров.

Рентгеновское излучение также является электромагнитным излучением, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядра атомов (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение).

К-захват электронов ядром

К-захват электронов ядром – при этом процессе протон ядро атома захватывает электрон с ближайшей к ядру
K-орбитали или реже с L-орбитали, имеет место такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде. Например:

₁₉⁴⁰K + _-1⁰e ® ₁₈⁴⁰Ar + n^- +Q.

При К-захвате единственной вылетевшей частицей является антинейтрино, возникает также характеристическое рентгеновское излучение.