Будова ядра атома. Види розпаду

Радіоактивність - це здатність ядер атомів хімічних елементів самочинно перетворюватися на ядра атомів інших хімічних елементів з виділенням енергії у вигляді іонізуючих випромінювань.

Згідно загальновизнаної теорії будови атомного ядра, розробленої у 1932 році Д.Іваненко разом з Е.Гапоном, ядро – це складна квантово-механічна система, яка складається з нуклонів: протонів, нейтронів та інших частинок, що утримуються разом завдяки внутрішньоядерним силам зчеплення.

Протон - елементарна частинка з масою 1,67х10^-24г і зарядом +1.

Нейтрон - електронейтральна елементарна частинка з ма­сою 1,009 атомних одиниць маси.

Електрон - елементарна частинка у стані спокою має масу 0,9х10^-27г і має заряд -1 (Дж.Томпсон, 1897).

Позитрон - має таку ж масу, як і маса електрона, а заряд +1 (К.Андерсон, 1932).

Кількість протонів у ядрі відповідає номеру хімічного еле­мента у періодичній таблиці Д.І.Менделєєва та кількості елек­тронів на орбітах, і тому атом електронейтральний. Якщо в атомі протон перетворюється в нейтрон, або навпаки, то вини­кає атом іншого елемента. Сума протонів і нейтронів в атомі називається масовим числом.

 

Атоми даного хімічного елементу, що мають різну кількість нейтронів, називають ізотопами (ізос - рівний, топос - місце), тобто різновиди атома, які мають однакове місце в періодичній таблиці і належать до того самого хімічного елементу. Будь-яка різновидність атомів називається нуклідом.

Нестабільні атоми мають властивості перетворюватись із одного атому в інший, що є радіоактивним перетворенням. Розрізняють декілька видів радіоактивних перетворень:

1. Альфа розпад властивий для важких атомів з атом­ними номерами більше 83, а також для багатьох радіоактивних ізотопів рідкоземельних елементів. Він супроводжується ви­кидом з ядра ядер атома гелію (Не). Теорія альфа-розпаду створена в 1928 р. Г.Гамовим та Р.Генрі.

При альфа-роз­паді материнське ядро перетворюється в дочірнє, виникає но­вий нуклід, що розташований на дві клітини вліво у періо­дичній таблиці Д.І.Менделєєва і має масо­ве число на 4 одиниці менше – перший закон радіоактивного розпаду. ­

 

 

 

Такий вид роз­паду може не супро­воджуватись гамма-випромінюванням (чисті альфа-випромінювачі). Відомо більше 200 альфа-випромі­нювачів.

2. Електронний бета-розпад власти­вий радіонуклідам, що мають в ядрі ней­тронів більше, ніж протонів. Мате­ринське ядро перехо­дить в ізобарне дочірнє ядро і вип­ромінюється одна бета-частинка. При цьому утворюються атоми хімічного елемента, заряд ядра якого на 1 більше – другий закон радіоактивного зміщення.

Випромінювання гамма-квантів має місце в тому разі, якщо дочірнє ядро виникає у збудженому стані, тому при цьому виді розпаду гамма-випромінювання обов'язкове. Якщо воно відсутнє, материнський нуклід вважають “чистим” бета-випромінювачем. Теорія електронного бета-розпаду розроблена Е.Фермі в 1934 р. Типовими бета – випромінювачами є: ⁹⁰Sr; ³²P; ³⁵S; ¹⁴C.

3. Позитронний бета-розпад властивий нейтронодефіцитним ядрам. При цьому материнське ядро перетворюється в ізобарне дочірнє ядро і утворюються атоми хімічного елемента, що має на один протон менше, оск­ільки один протон перетворюється в нейтрон – третій закон радіоактивного зміщення. При цьому розпаді також може мати місце гамма-випроміню­вання. Цей вид розпаду було відкрито в 1934р. Фредеріком і Ірен Жоліо-Кюрі при вивченні їми штучної радіоактивності.

Під час вивчення процесів радіоактивного розпаду було вста­новлено, що ядра радіонукліду розпадаються не одночасно, а в кожну одиницю часу розпадається лише деяка частина від загальної кількості радіоактивних атомів. Це незмінний для кожного радіонукліду показник, який характеризує ймовірність розпаду (тобто яка частина атомів перетворюється за 1сек) і називається сталою розпаду (константою) і позначається літерою l, а період, за який розпадається половина радіоактив­них атомів цього виду, називається періодом напіврозпаду і позначається літерою Т. Радіоактивні речовини, що мають Т менше 15 діб, прийнято вважати короткоживучими, більше 15 діб — довгоживучими. Виділяють ще і ультракороткоживучі з Т рівним секундам - хвилинам.

Існує закон, який визначає кількісну характеристику яви­ща радіоактивного розпаду, тобто об'єднує всі види радіоак­тивного розпаду і є спільним для будь-якого радіонукліда. Це основний закон радіоактивного розпаду: за однакові проміжки часу відбувається ядерне перетворення однакової частки нестій­ких атомів радіоактивної речовини.

 

1. Джерела іонизизуючих випромінювань та види радіоактивних розпадів.

ДЖЕРЕЛАМИ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ (ІВ) можуть бути ядра атомів природно радіоактивних речовин, які існують в природі і розташовані у кінці таблиці Д.І.Менделеева (z>83). Усі ці елементи утворюються як наслідок послідовних радіоактивних перетворювань і складають РАДІОАКТИВНІ РОДИНИ ( їх 4):

1) родина урану U²³⁸₉₂;

2) родина торію Th²³²₉₀;

3) родина актинію Ас²³⁵₉₂;

4) родина плутонію Pu²³⁹₉₄ – отримано штучним шляхом (штучно радіоактивні, це елементи які набули цю ознаку неприродним шляхом).

 

Їх головами є елементи з максимальним подковим номером, а кінцевим членом – стабильний елемент свинець (Pb). На сьогоднішній час встановлені наступні види радіоактивного розпаду та перетворювань атомних ядер: альфа-розпад, бета-розпад, електронне захоплення, внутрішня конверсія, ізомерні перехіди, поділ важких ядер, синтез легких ядер.

Для лікування використовують радіонукліди (р/н), яким притаманні перші п’ять ядерних перетворювань. У ядрі протон та нейтрон з більшою частотою (10^-23 с) обмінюються пі-мезонами, перетворюючись одне на одного. Їх вважають двома станами однієї ядерної частки – нуклону. Нестабільність ядер може бути подвійною: або надлишок, або недостатність нейтронів.

α-радіоактивними є ядра атомів важких елементів з надлишком у ядрах і протонів і нейтронів. При цьому розпаді отримується новий елемент, номер котрого менше на 2, а маса на 4 одиниці ніж бтьківський. Це 1-й закон радіоактивного розпаду.

β- радіоактивними це атоми, в ядрах котрих мають надлишок або недостатність нейтронів. Він притаманний як природно радіоактивним, так і штучним р/н. Ядра, утворенні таким шляхом дають як наслідок ізобари (елементи, атоми котрих мають однакову масу, але різний заряд), кількість зарядів котрих збільшується на 1 (при β^-). Це 2-й закон радіоактивного розпаду.

Або зменьшується на 1 (при β⁺). Це 3-й закон радіоактивного розпаду.

Як α- так і β- розпади супроводжуються γ-випроміненням. Частіше це протікає дуже швидкоплинно, але іноді збуджений рівень нукліду має більш тривале життя (хвилини або години). Це метастабільний стан ядру (m). Такі р/н випромінюють лише γ-промені (наприклад, ^99mТс), що і використовують для діагностики та лікування в наслідок невеликого дозного навантаження та можливості отримувати їх у генераторних системах в лабораторних умовах (наприклад, генератор ^99mТс – молібден ⁹⁹Мо). α-випромінюючі р/н не взмозі бути β-випромінювачами і навпаки.

 

ІЗОТОПИ (грец. «займаючі однакові місця») – речовини, ядра атомів котрих мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. На теперішній час отримані ізотопи усіх хімічних елементів таблиці Менделеева, але не усі з них радіоактивні.

Основну характеристику радіоактивної речовини становить його фізичний період напіврозпаду (Т1/2фіз.) – час, за котрий розпадаеться половина атомів р/н. Крім того ще е біологічний період напіврозпаду (Т1/2біол.) – час, за котрий з організму виводиться половина р/н та ефективний період напіврозпаду (Т1/2еф.) – сума двох попередніх. Наприклад, Т1/2 фіз. урану біля 5 млрд. років, радію – 1590 років, радону – кілька діб, радію А – кілька хвилин, радію С – 10^-4 сек. Ніщо не взмозі зруйнувати атоми стабільних елементів. А радіоактивні атоми, навпаки, руйнуються самостійно, і ніякі умови (ні Т⁰С, ні тиск) не взмозі їх зупинити, або прискорити, або затримати цей процес. Одиниця, для виміру енергії ядерних часток це ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ (ЭВ) – це кінетична енергія електрону, котрий пройшов різницю потенціалів в 1 вольт. 1 эв = 1,6 х 10^-19 Дж.

Кулон (Кл) = 6,2 х 10¹⁸ електронів.

Активність – кількісне вимірювання радіоактивної речовини. Її системна одиниця - Бк (Беккерель) - 1 розпад за 1 секунду. Позасистемна - Ки (Кюрі) - 3,7 х 10¹⁰ розпаді за секунду. 1 Ки = 3,7 х 10¹⁰ Бк.

 

 

Характеристика доз.

Розрізняють опромінення:

- зовнішне – від джерела котре розташовано зовні

- внутрішне – як наслідок розпаду інкорпорованих в органах та тканинах радіоактивних речовин.

Летальна доза (ЛД) -кількість ІВ, отримане усією поверхнею тіла, вона загибельна для людини або тварини. ЛД для усіх савців = 10 Гр.

Порогова доза (ПД) -мінімальна доза опромінення, нижче котрій ефект ушкодження не виявляється. Для людини ПД = 1 Гр.

 

Середня летальна доза (ЛД₅₀) – кількість радіації, отримананою усією поверхнею тіла та причиняючи загибель у 50% випадків. ЛД₅₀ для людини складає 4-5 Гр.