Естественная радиоактивность

Краткая хронология

Основы ядерной физики были заложены в 1911 г. опытами Резерфорда по рассеянию a-частиц золотой фольгой. В результате этих опытов было установлено, что в центре атома есть Å заряженное ядро размером м. Эксперименты по рассеянию a-частиц другими веществами (азотом, фтором, натрием, алюминием) позволили Резерфорду установить, что в состав ядра входят протоны. В 1920 г. Резерфорд предположил, что, кроме протонов, в состав ядра входят и частицы, равные по массе протону, но не имеющие заряда. В 1932 г. английский физик Джордж Чедвик доказал, что такие частицы действительно входят в состав ядер, и назвал их нейтронами. Оба вида частиц, входящих в состав ядра, назвали обобщающим термином нуклоны. Измерения показали, что их массы практически одинаковы и намного превосходят массу электрона: кг; m_n=1838,6×m_e = 1,675×10^-27кг. Напомним, что атомная единица массы: 1(а.е.м.)= кг .

В 1936г. датчанин Нильс Бори советский физик Я.И. Френкельпредложили капельную модель ядра атома, согласно которой нуклоны ведут себя в ядре подобно молекулам в капле жидкости, но роль объединяющей их силы выполняют не электромагнитные силы межмолекулярного взаимодействия, а ядерные силы - новый вид сил, не известный до тех пор человеку.

15.2. Особенности и природа ядерных сил (F_я)    

1) они короткодействующие, т.е. их действие, по сравнению с силой кулоновского взаимодействия  F_К  протонов, становится пренебрежимо малым на расстоянии м,

причём F_я ; вследствие чего ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом нуклонов;

2) они зарядонезависимые, т.е. величина F_я не зависит от зарядов нуклонов;

3)это нецентральные силы, т.е. величина F_я зависит не только от r, но и от взаимной ориентации моментов импульса  (спинов) взаимодействующих нуклонов (оказалось, что нуклоны вращаются вокруг своей оси и центра ядра).

Природа ядерных сил: согласно современным представлениям, ядерное (сильное) взаимодействие осуществляется путём обменамежду нуклонами p-мезонами, являющимися фотонами ядерного поля. В процессе ядерного взаимодействия один нуклон испускает p-мезон, а другой поглощает его. Отметим, что теория ядерного взаимодействия разработана в значительно меньшей степени, чем теория электромагнитного взаимодействия.

Состав ядер. Изотопы

Для обозначения ядер применяют символ , где Х - химический символ элемента, A - массовое число ядра, выраженное в а.е.м. и равное (с учётом того, что 1 а.е.м.) сумме числа протонов Z и числа нейтронов , т.е. A = . Число протонов Z, входящих в состав ядра, определяет порядковый номер элемента в периодической таблице элементов и его заряд ; число Z называют атомным

 В реальных ядрах ; причём, чем больше , тем сильнее это неравенство. Более того, в природе существуют ядра с одинаковыми , но с разными . Такие вещества назвают изотопами, т.е. занимающими место в одной и той же клетке периодической системы химических элементов.

Изотопы- разновидности атомов химического элемента с одинаковыми , отличающиеся количеством нейтронов в ядре. Например, известны четыре изотопа водорода: - протий, - дейтерий, - тритий, - четырёхнуклонный водород. В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов. Так как электронные оболочки изотопов одинаковы, то и их химические свойства (определяемые структурой электронных оболочек) почти одинаковы; но физические свойства изотопов (плотность, радиоактивность) различны. Существование изотопов доказывает, что заряд ядра определяет только химические свойства атома и те его физические свойства, которые зависят от электронной оболочки, например, размеры атома.

Отметим также тот факт, что в естественных условиях химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях. Именно поэтому, несмотря на тщательный выбор эталона для а.е.м., атомные массы химических элементов в таблице Менделеева иногда сильно отличаются от целых чисел, поскольку в таблице приведены усреднённые атомные массы элементов с учётом процентного содержания их изотопов в природе.

Естественная радиоактивность

Чем больше нуклонов образует ядро, тем больше суммарная ядерная сила , действующая на данный нуклон и объединяющая нуклоны в ядро. Но так как ядерная сила обладает свойством насыщения, то с увеличением  возрастание суммарной ядерной силы  происходит меньшими темпами, чем возрастание суммарной кулоновской силы отталкивания протонов  (“размытость” значений F _я при данном Z обусловлена наличием изотопов).

При  наступает равенство =  и ядро разваливается. Если бы не избыток нейтронов в ядре и не разнообразие изотопов, то элементов с  просто не было бы. Но природа (в результате естественного отбора ядер путём радиоактивного распада) "предусмотрела" опережающий рост числа нейтронов  по сравнению с числом протонов  при увеличении массового числа Аядра. В результате равенство =  для некоторых изотопов тяжёлых ядер наступает не при , а при значительно больших  (например, есть устойчивые ядра даже с =105). Но равенство = может выполняться и для ядер некоторых изотопов с очень малыми , вплоть до =1(например, ядра трития  неустойчивы, и вероятность развала данного ядра существенно отлична от нуля).

Самопроизвольный (без внешних воздействий) развал ядер атомов сопровождается испусканием различных микрочастиц и электромагнитного излучения; такой процесс называют естественной радиоактивностью. Это явление было открыто в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем. Оказалось, что радиоактивное излучение имеет три составляющие: a, b и g. Экспериментально было установлено, что:

1) a-лучи представляют собой поток ядер атомов гелия , летящих со скоростью м/с. Эти тяжёлые частицы обладают сильной ионизирующей способностью, но проникающая их способность очень мала (a-частицы полностью поглощаются даже листом бумаги или кожей человека);

2) b-лучи представляют собой поток электронов (или позитронов – электронов с Å зарядом) с различными скоростями. Ионизирующая способность b-лучей примерно в 100 раз меньше, а проникающая способность во столько же раз больше, чем у a-лучей;

3) g-лучи оказались потоком фотонов, т.е. электромагнитными волнами с частотой Гц, что соответствует длине волны м. g-лучи испускаются осколками развалившегося ядра (т.е. новыми, но меньшими ядрами) при их переходе из возбуждённого в основное энергетическое состояние. Особенностями g-лучей являются высокая проникающая способность и сравнительно низкая ионизирующая способность.

Превращения ядер, при их спонтанном делении (т.е. естественная радиоактивность), подчиняются правилам смещения (значений зарядового и массового чисел):

1) при a-распаде из материнского ядра вылетает ядро атома гелия  и образуется новое (дочернее) ядро , т.е.: ®  (например:  ® );    

2) при b-распаде: ® (например:

 ® );

3)g -распад не сопровождается изменением заряда ядра, а изменение массы ядра, обусловленное излучением g-фотона, пренебрежимо мало.