Вопрос 1. Строение атома и физическая характеристика элементарных частиц, входящих в его состав.

Контрольная работа

По дисциплине: Радиобиология.

 

Исполнитель: студентка 3курса

заочного Ф. Т. Ж.

Руководитель:

 

Екатеринбург 2006

Задача 1.

 

Трава на участке выпаса, по данным радиохимического анализа, содержит йод-131 в концентрации 12мКи/кг. Какова активность по йоду -131 будет через 24 дня?

Эта задача на применение закона радиоактивного распада, решается по формуле

At= t/T Ao*2ˉ

где, At-активность вещества через время t;

Ao-исходная активность вещества;

T-период полураспада;

t-время.

_24/8

 

решение:

At=12мКи*2 = 12мКи/8=1,5мКи.

Ответ: активность йода-131 через 24 дня будет 1,5мКи.

 

Задача 11.

 

Какова эквивалентная доза излучения, если животное облучали 7 часов потоком быстрых нейтронов с мощностью излучения 6Гр/час.

Эта задача по расчету дозы и мощности дозы, решается по формуле

H=Dn*Q

где, H-эквивалентная доза;

Dn-поглощенная доза;

Q-коэффициент ОБЭ.

решение:

Н=42Гр*10=420Грей.

Ответ: эквивалентная доза излучения 420Грей.

Задача 21.

 

Какую дозу получит кролик за 30 часов облучения раствором йода-131 активностью 8мКu, если колба с радиозотопом находится в 30см. от животного. Гамма-постоянная йода-131 равна 2,3Р/ч.

Эта задача на расчет активности радионуклидов и дозы, создаваемой гамма-излучением, решается по формуле

D=Kγat/R²

где, D-экспозиционная доза,Р;

Kγ-гамма-постоянная радионуклида,Р/ч;

А-активность, мКu;

t-время облучения, ч;

R-растояние от источника излучения до обьекта излучения, см.

решение:

D=2.3Р/ч*8*30ч/30см²=6,13мКu/

Ответ: кролик получит дозу 6,13мКu.

 

Вопрос 1. Строение атома и физическая характеристика элементарных частиц, входящих в его состав.

 

Строение атома. Атом — это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малых размеров (10ˉ¹³см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом оказывается электрически нейтральным.

В среднем размер целого атома принимается равным 10ˉ⁸см. Следовательно, ядро атома приблизительно в 100000 раз меньше атома.

Открытия о строении атома и атомного ядра относятся к началу XX века. В 1911г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Первые сведения о структуре ядра получены в 1919г., когда в составе ядра открыли протоны. Нейтроны были открыты в 1932г. После этого структура атома окончательно определилась. Согласно современным представлениям, любой атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Элементарная частица в свободном состоянии характеризуется такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или отсутствие заряда), устойчивость и другие свойства. Протон и электрон относятся к так называемым совершенно устойчивым и стабильным частицам, тогда как нейтрон является стабильным, лишь находясь в ядре.

Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы (физическую) принята 1/12 массы изотопа атома углерода ₆С¹². Одна атомная единица массы равняется 1,66*10ˉ²⁷ кг.

Энергию в ядерной физике выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая частица вещества, имеющая заряд) при про­хождении электрического поля с разностью потенциалов в 1 вольт. Обычно пользуются кратной электрон-вольту единицей — мегаэлектронвольт (Мэв), равной миллиону эв (1 Мэв—10⁶ эв).

Энергетический эквивалент 1 а. е. м. составляет 931,14 Мэв (или 14,84*Юˉ⁴ эрг). Электрон - устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а. е. м., энергетический эквивалент которой составляет 0,511 Мэв. Электрон (символ-е) несет один элементарный отрицательный заряд электричества - 1,602-10ˉ¹⁹ кулона. Отрицательно заряженные электроны находятся на относительно очень больших расстояниях (10ˉ⁸ см) вокруг атомного ядра и образуют оболочку атома. Электроны удерживаются в области атома электромагнитными силами притяжения, действующими на них со стороны положительно заряженного ядра. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.

Электроны могут двигаться в атоме по орбитам вполне определенного радиуса. Если электронов три и больше, то они вращаются на орбитах разных радиусов или, как говорят, на разных уровнях. Орбиты группируются в определенные электронные слои, окружающие ядра, создавая его оболочку. Таких слоев максимально может быть семь. Электронные слои принято обозначать (начиная с ближайшего к ядру слоя) буквами K,L,M,O,P,Q. Соответственно числу электронных слоев в периодической системе все эле­менты размещаются в семи периодах.

Наибольшее количество электронов, которое может находиться в одном слое, определяется квантовым соотношением т = 2п², где п — главное квантовое число, которое является и номером слоя (п=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). Следовательно, в К-слое (п=1) может нахо­диться максимум 2 электрона, в L-слое (п-2) — 8 электронов, М-слое (п-3) — 18 электронов и т.д. Общее число электронов в атоме равно положительному, заряду ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии атом в целом электрически нейтрален. Чем ближе к ядру вращается электрон, тем больше его энергия связи с ядром (потенциальная энергия), а уровень энергии вращения (кинетическая энергия) меньше. Поэтому электроны с внешней орбиты, где их энергия связи не превышает 1—2 эв, сорвать легче, и они на внешних орбитах легче, чем на других орбитах, взаимодействуют с окружающей средой, обусловливая важнейшие свойства вещества — его электропроводность, валентность и др.

Перескок отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии. Однако орбиты имеют определенные диаметры, поэтому изменения энергии при перескоках не могут иметь любое значение, а совершаются ступенчато, определенными порциями.

Атомное ядро—это положительно заряженная центральная часть атома, в которой находится основная его масса. Почти вся масса атома (99,95—99,98%) сосредоточена в его ядре, которое вследствие огромной плотности занимает примерно лишь одну стотриллионную часть объема. Размеры атомного ядра ничтожно малы (10ˉ¹³—10ˉ¹² см) по сравнению с размером атома (10ˉ⁸ см). Плотность атома составляет 2*10¹⁴ г/см³, или 200 млн. тонн в 1 см³, т.е. ядерное вещество в 2*10¹⁴ раз тяжелее воды.

Атомное ядро несет заряд положительного электричества и состоит из протонов и нейтронов.

Протон — элементарная частица любого атомного ядра. Масса покоя протона составляет 1,6724-10ˉ²⁷ кг или в относительных единицах 1,007825 а.е.м., т.е. в 1836,13 раза больше массы электрона. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона, т.е. элементарному заряду = 1,6009 * 10ˉ¹⁹ кулона. Символ протона - латинская буква р.

Число протонов в ядре (Z) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Поэтому порядковый или атомный номер элемента является синонимом числа протонов. Так как каждый протон несет элементарный положительный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных зарядов в ядре. Число электронов в оболочке атома определяется числом протонов в ядре, а не наоборот, и химические свойства элементов определяются в конечном итоге числом протонов.

Нейтрон — другой вид ядерных частиц всех элементов. Его нет лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Масса покоя нейтрона немного больше массы протона и составляет 1,6748-10ˉ²⁷ кг, или 1,009665 а.е.м., т.е. больше массы электрона в 1838,7 раза. В отличие от протона нейтрон не имеет заряда, он электрически нейтрален. Символ нейтрона — латинская буква п.

В атомном ядре нейтроны являются стабильными, а в свободном состоянии они неустойчивы. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же элемента может колебаться, поэтому число нейтронов в ядре (N) не характеризует элемент.

Общее название протонов и нейтронов — нуклоны. Нуклоны удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы гораздо (раз в 100) сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживают внутри ядра, одноименно заряженные протоны. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях (10ˉ¹³см). При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны. Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра, которая при некоторых превращениях частично высвобождается, переходит в кинетическую энергию.

Как указывалось, заряд (Z) атомного ядра любого химического элемента определяется числом протонов в ядре и равен атомному номеру элемента. Массу атома (А) практически принимают равной массе ядра, так как масса электронов весьма мала. Но масса ядра слагается из масс всех нуклонов, входящих в ядро, следовательно, сумма чисел протонов Nр и нейтронов NП должна быть равна массовому числу атома, т.е. целому числу А, ближайшему к атомному весу.

Таким образом, число нейтронов в атомном ядре элемента равно разности между массовым числом и атомным номером элемента: NП=А-Z. В принятой в настоящее время транскрипции атомные ядра химических элементов обозначают символом _ZХ^А, где X — символ элемента, А — массовое число, Z — атомный номер.

Простейшим ядром является ядро атома водорода, оно состоит из одного протона. Его заряд и массовое число соответственно равны единице 1Н¹.

Следующий за водородом в периодической системе элемент гелий имеет более сложное ядро, состоящее из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов 2Не⁴.

Изотопы. Ядра атомов, принадлежащих одному и тому же химическому элементу, всегда имеют одинаковое количество протонов, но могут содержать разное число нейтронов. Эти атомы имеют одинаковые химические свойства, но различаются по массе. Такие атомы одного элемента, обладающие различной массой, называются изотопами. Ядра этих атомов имеют одинаковый заряд. В периодической системе элементов Менделеева изотопы одного элемента помещаются в одной и той же клетке; термин «изотоп» означает «занимающий то же место».

Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь от двух до десяти (олово) изотопов, причем в смеси изотопов одного и того же элемента обычно преобладает какой-либо один изотоп, а остальные составляют лишь небольшой процент. Например, известны изотопы кислорода ₈О¹⁶ и 8О¹⁸. Первый изотоп значительно больше распространен в природе, чем второй. В природной смеси на долю первого изотопа приходится приблизительно 99,7%, на долю второго — 0,2% (0,1% приходится на долю других изотопов кислорода). Ядро О¹⁸ содержит на два нейтрона больше, чем ядро О¹⁶.

Азот представлен в природе двумя основными изотопами: ₇N¹⁴ — 99,6% и ₇N¹⁵ — 0,4%; водород также состоит из двух изотопов: протия 1Н¹-99,984% и дейтерия 1Н² — 0,016%. Природный калий состоит из трех изотопов: К³⁹, К⁴⁰ и К⁴¹, а процентное содержание их соответственно равно 93,08; 0,0119 и 6,91.

Атомы, принадлежащие к различным элементам и имеющие ядра с соответственно разными зарядами, могут иметь одинаковое массовое число. Так, например, один из изотопов фосфора имеет массовое число 32 — 15Р³². Такое же массовое число имеет и один из изотопов серы 16S³². Атомы, ядра которых имеют одинаковые массовые числа, но разные заряды и, следовательно, различные свойства, называются изобарами.

Различают стабильные изотопы — изотопы, ядра которых устойчивы и в обычных условиях неизменяемы, и радиоактивные изотопы, ядра которых распадаются, образуя при этом ядра атомов Других элементов. Для атомов, отличающихся составом ядра, употребляется название «нуклиды», а для радиоактивных атомов - «радионуклиды».

Разные типы атомных ядер отличаются друг от друга числом содержащихся в них протонов и нейтронов. В легких ядрах число протонов примерно равно числу нейтронов, в тяжелых ядрах протонов примерно 40%, а нейтронов — 60%. Ядра легких элементов, которые находятся в начале периодической системы и состоят из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов, наиболее устойчивы. У более тяжелых элементов, расположенных в конце! периодической системы (после свинца), ядра состоят из большого числа нуклонов (с преобладанием нейтронов). Ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Эти ядра могут самопроиз-1 вольно распадаться, превращаясь в ядра более легких элементов. Такое явление называется естественной радиоактивностью. Первыми были открыты радиоактивные элементы, расположенные в конце периодической системы элементов Менделеева — уран (U), торий (Тh), полоний (Ро), радий (Rа).