Detekce jádra v atomu. Struktura atomu a atomového jádra. Co je to jádro - v biologii: vlastnosti a funkce

Složení jádra atomu. Výpočet protonů a neutronů

Podle moderní nápady, atom se skládá z jádra a elektronů umístěných kolem něj. Jádro atomu se zase skládá z menších elementárních částic – od určitého počtu protony a neutrony(obecně přijímaný název pro nukleony), propojené jadernými silami.

Počet protonů v jádře určuje strukturu elektronového obalu atomu. A elektronový obal určuje fyzikální Chemické vlastnosti látek. Počet protonů odpovídá sériovému číslu atomu v Mendělejevově periodickém systému chemických prvků, nazývaném také nábojové číslo, atomové číslo, atomové číslo. Například počet protonů v atomu helia je 2. B periodická tabulka má číslo 2 a označuje se jako He 2. Symbolem pro označení počtu protonů je latinské písmeno Z. Při psaní vzorců se číslo udávající počet protonů často nachází pod symbolem prvku buď vpravo nebo doleva: He 2 / 2 He.

Počet neutronů odpovídá specifickému izotopu prvku. Izotopy jsou prvky se stejným atomovým číslem (stejný počet protonů a elektronů), ale různými hmotnostními čísly. Hmotnostní číslo– celkový počet neutronů a protonů v jádře atomu (označuje se latinským písmenem A). Při psaní vzorců je hmotnostní číslo uvedeno v horní části symbolu prvku na jedné straně: He 4 2 / 4 2 He (izotop helia - helium - 4)

Abychom tedy zjistili počet neutronů v konkrétním izotopu, měl by být počet protonů odečten od celkového hmotnostního čísla. Například víme, že atom helia-4 He 4 2 obsahuje 4 elementární částice, protože hmotnostní číslo izotopu je 4. Navíc víme, že He 4 2 má 2 protony. Odečtením od 4 (celkové hmotnostní číslo) 2 (počet protonů) dostaneme 2 - počet neutronů v jádře helia-4.

PROCES VÝPOČTU POČTU FANTOMOVÝCH ČÁSTIC V ATOMOVÉM JÁDŘE. Jako příklad jsme ne náhodou považovali Helium-4 (He 4 2), jehož jádro se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů. Protože jádro helia-4, nazývané částice alfa (částice α), je nejúčinnější v jaderné reakce, často se používá pro experimenty v tomto směru. Stojí za zmínku, že ve vzorcích pro jaderné reakce se místo He 4 2 často používá symbol α.

Právě za účasti alfa částic provedl E. Rutherford jako první oficiální historie fyzikální reakce jaderné transformace. Během reakce částice alfa (He 4 2) „bombardovaly“ jádra izotopu dusíku (N 14 7), což vedlo ke vzniku izotopu kyslíku (O 17 8) a jednoho protonu (p 1 1)

Tato jaderná reakce vypadá takto:

Vypočítejme počet fantomových částic Po před a po této transformaci.

PRO VÝPOČET POČTU FANTOMOVÝCH ČÁSTIC, KTERÉ POTŘEBUJETE:
Krok 1. Spočítejte počet neutronů a protonů v každém jádře:
- počet protonů je uveden ve spodním indikátoru;
- počet neutronů zjistíme odečtením počtu protonů (dolní indikátor) od celkového hmotnostního čísla (horní indikátor).

Krok 2. Spočítejte počet fantomových částic Po v atomovém jádře:
- vynásobte počet protonů počtem fantomových částic Po obsažených v 1 protonu;
- vynásobte počet neutronů počtem fantomových částic Po obsažených v 1 neutronu;

Krok 3. Sečtěte počet fantomových částic Po:
- sečtěte výsledný počet fantomových částic Po v protonech s výsledným počtem v neutronech v jádrech před reakcí;
- sečtěte výsledný počet fantomových částic Po v protonech s výsledným počtem v neutronech v jádrech po reakci;
- porovnejte počet fantomových částic Po před reakcí s počtem fantomových částic Po po reakci.

PŘÍKLAD VYVINUTÉHO VÝPOČTU POČTU FANTOMOVÝCH ČÁSTIC V ATOMOVÝCH JADERCH.
(Jaderná reakce zahrnující částici α (He 4 2), kterou provedl E. Rutherford v roce 1919)

PŘED REAKCÍ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Počet protonů: 7
Počet neutronů: 14-7 = 7
v 1 protonu – 12 Po, což znamená v 7 protonech: (12 x 7) = 84;
v 1 neutronu – 33 Po, což znamená v 7 neutronech: (33 x 7) = 231;
Celkový počet fantomových částic Po v jádře: 84+231 = 315

On 42
Počet protonů – 2
Počet neutronů 4-2 = 2
Počet fantomových částic Po:
v 1 protonu – 12 Po, což znamená ve 2 protonech: (12 x 2) = 24
v 1 neutronu – 33 Po, což znamená ve 2 neutronech: (33 x 2) = 66
Celkový počet fantomových částic Po v jádře: 24+66 = 90

Celkový počet fantomových částic Po před reakcí

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

PO REAKCI (O 17 8) a jednom protonu (p 1 1):
O 17 8
Počet protonů: 8
Počet neutronů: 17-8 = 9
Počet fantomových částic Po:
v 1 protonu – 12 Po, což znamená v 8 protonech: (12 x 8) = 96
v 1 neutronu – 33 Po, což znamená v 9 neutronech: (9 x 33) = 297
Celkový počet fantomových částic Po v jádře: 96+297 = 393

p 11
Počet protonů: 1
Počet neutronů: 1-1=0
Počet fantomových částic Po:
V 1 protonu je 12 Po
Nejsou tam žádné neutrony.
Celkový počet fantomových částic Po v jádře: 12

Celkový počet fantomových částic Po po reakci
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Porovnejme počet fantomových částic Po před a po reakci:

PŘÍKLAD KRÁTKÉHO FORMULÁŘE PRO VÝPOČET POČTU FANTOMOVÝCH ČÁSTIC V JADERNÉ REAKCI.

Známou jadernou reakcí je reakce interakce α-částic s izotopem berylia, při které byl poprvé objeven neutron, projevující se jako samostatná částice v důsledku jaderné přeměny. Tuto reakci provedl v roce 1932 anglický fyzik James Chadwick. Vzorec reakce:

213 + 90 → 270 + 33 - počet fantomových částic Po v každém z jader

303 = 303 - celkový součet fantomových částic Po před a po reakci

Počty fantomových částic Po před a po reakci jsou stejné.

Dlouho předtím, než se objevily spolehlivé údaje o vnitřní struktuře všech věcí, si řečtí myslitelé představovali hmotu ve formě drobných ohnivých částic, které byly v neustálém pohybu. Tato vize světového řádu věcí byla pravděpodobně odvozena z čistě logických závěrů. Přes určitou naivitu a absolutní nedostatek důkazů tohoto tvrzení se ukázalo, že je pravdivé. I když vědci dokázali tento smělý odhad potvrdit až o třiadvacet století později.

Atomová struktura

Koncem 19. století byly zkoumány vlastnosti výbojky, kterou procházel proud. Pozorování ukázala, že v tomto případě jsou emitovány dva proudy částic:

Negativní částice katodových paprsků se nazývaly elektrony. Následně byly v mnoha procesech objeveny částice se stejným poměrem náboje k hmotnosti. Elektrony se zdály být univerzálními složkami různých atomů, které se snadno oddělovaly, když byly bombardovány ionty a atomy.

Částice nesoucí kladný náboj byly reprezentovány jako fragmenty atomů poté, co ztratily jeden nebo více elektronů. Pozitivní paprsky byly ve skutečnosti skupiny atomů bez negativních částic a v důsledku toho s kladným nábojem.

Model Thompson

Na základě experimentů bylo zjištěno, že pozitivní a negativní částice představují podstatu atomu a jsou jeho součástí. Svou teorii navrhl anglický vědec J. Thomson. Podle jeho názoru byla struktura atomu a atomového jádra druhem hmoty, ve které byly negativní náboje vtlačeny do kladně nabité koule, jako rozinky do bábovky. Kompenzace náboje učinila „bábovičku“ elektricky neutrální.

Model Rutherford

Mladý americký vědec Rutherford, který analyzoval stopy, které za sebou zanechaly částice alfa, dospěl k závěru, že Thompsonův model je nedokonalý. Některé částice alfa byly vychylovány v malých úhlech - 5-10 o. Ve vzácných případech byly částice alfa vychylovány ve velkých úhlech 60-80 o a ve výjimečných případech byly úhly velmi velké - 120-150 o. Thompsonův model atomu nedokázal vysvětlit rozdíl.

Rutherford navrhuje nový model, který vysvětluje strukturu atomu a atomového jádra. Fyzika procesu říká, že atom by měl být z 99 % prázdný, s malým jádrem a kolem něj rotujícími elektrony, které se pohybují po drahách.

Výchylky při dopadech vysvětluje tím, že částice atomu mají své vlastní elektrické náboje. Pod vlivem bombardování nabitých částic atomové prvky se v makrokosmu chovají jako běžná nabitá tělesa: částice se stejným nábojem se odpuzují a částice s opačným nábojem se přitahují.

Stav atomů

Na začátku minulého století, kdy byly spuštěny první urychlovače částic, čekaly všechny teorie, které vysvětlovaly strukturu atomového jádra i samotného atomu, na experimentální ověření. V té době již byly interakce alfa a beta paprsků s atomy důkladně prozkoumány. Až do roku 1917 se věřilo, že atomy jsou buď stabilní, nebo radioaktivní. Stabilní atomy nelze štěpit a rozpad radioaktivních jader nelze kontrolovat. Rutherfordovi se ale podařilo tento názor vyvrátit.

První proton

V roce 1911 předložil E. Rutherford myšlenku, že všechna jádra se skládají z identických prvků, jejichž základem je atom vodíku. Vědce k této myšlence přivedl důležitý závěr z předchozích studií struktury hmoty: hmotnosti všech chemických prvků jsou beze zbytku rozděleny hmotností vodíku. Nový předpoklad otevřel nebývalé možnosti a umožnil nám vidět strukturu atomového jádra novým způsobem. Jaderné reakce měly novou hypotézu potvrdit nebo vyvrátit.

Experimenty byly provedeny v roce 1919 s atomy dusíku. Jejich bombardováním alfa částicemi dosáhl Rutherford úžasného výsledku.

Atom N absorboval částici alfa, poté se změnil na atom kyslíku O 17 a emitoval jádro vodíku. Jednalo se o první umělou přeměnu atomu jednoho prvku na jiný. Taková zkušenost dávala naději, že struktura atomového jádra a fyzika existujících procesů umožňují provádět další jaderné přeměny.

Vědec při svých experimentech použil metodu scintilačního záblesku. Na základě frekvence vzplanutí vyvodil závěry o složení a struktuře atomového jádra, charakteristikách generovaných částic, jejich atomové hmotnosti a atomovém čísle. Neznámá částice byla Rutherfordem pojmenována proton. Měl všechny vlastnosti atomu vodíku zbaveného jediného elektronu - jediný kladný náboj a odpovídající hmotnost. Bylo tedy prokázáno, že proton a jádro vodíku jsou stejné částice.

V roce 1930, kdy byly sestrojeny a vypuštěny první velké urychlovače, byl otestován a ověřen Rutherfordův model atomu: každý atom vodíku se skládá z osamoceného elektronu, jehož polohu nelze určit, a volného atomu s osamoceným kladným protonem uvnitř. . Protože protony, elektrony a částice alfa mohou během bombardování vyletět z atomu, vědci se domnívali, že jde o součásti jakéhokoli atomového jádra. Takový model atomu jádra se ale zdál nestabilní – elektrony byly příliš velké na to, aby se do jádra vešly, navíc se objevily vážné potíže spojené s porušením zákona hybnosti a zachování energie. Tyto dva zákony, stejně jako přísní účetní, říkaly, že hybnost a hmotnost během bombardování mizí neznámým směrem. Protože tyto zákony byly obecně přijímány, bylo nutné najít vysvětlení pro takový únik.

Neutrony

Vědci z celého světa provedli experimenty zaměřené na objevování nových složek atomových jader. Ve třicátých letech minulého století němečtí fyzici Becker a Bothe bombardovali atomy berylia alfa částicemi. Zároveň bylo zaznamenáno neznámé záření, které bylo rozhodnuto nazvat G-paprsky. Podrobné studie odhalily některé rysy nových paprsků: mohly se šířit přísně přímočaře, neinteragovaly s elektrickými a magnetické pole, měl vysokou penetrační schopnost. Později byly částice, které tvoří tento typ záření, nalezeny při interakci částic alfa s dalšími prvky – bórem, chromem a dalšími.

Chadwickova domněnka

Poté James Chadwick, kolega a student Rutherforda, přednesl krátkou zprávu v časopise Nature, která se později stala obecně známou. Chadwick upozornil na skutečnost, že rozpory v zákonech zachování lze snadno vyřešit, pokud předpokládáme, že nové záření je proudem neutrálních částic, z nichž každá má hmotnost přibližně stejnou jako hmotnost protonu. S ohledem na tento předpoklad fyzici významně rozšířili hypotézu, která vysvětluje strukturu atomového jádra. Stručně řečeno, podstata přídavků byla redukována na novou částici a její roli ve struktuře atomu.

Vlastnosti neutronu

Objevená částice dostala jméno „neutron“. Nově objevené částice kolem sebe nevytvářely elektromagnetická pole a snadno prošly hmotou bez ztráty energie. Při vzácných srážkách s lehkými atomovými jádry je neutron schopen vyrazit jádro z atomu, čímž ztratí významnou část své energie. Struktura atomového jádra předpokládala přítomnost jiného počtu neutronů v každé látce. Atomy se stejným jaderným nábojem, ale různým počtem neutronů se nazývají izotopy.

Neutrony sloužily jako vynikající náhrada za částice alfa. V současné době se používají ke studiu struktury atomového jádra. Jejich význam pro vědu nelze stručně popsat, ale právě díky bombardování atomových jader neutrony mohli fyzici získat izotopy téměř všech známých prvků.

Složení jádra atomu

V současné době je struktura atomového jádra sbírka protonů a neutronů držených pohromadě jadernými silami. Například jádro helia je shluk dvou neutronů a dvou protonů. Lehké prvky mají téměř stejný počet protonů a neutronů, zatímco těžké prvky mají mnohem větší počet neutronů.

Tento obraz struktury jádra potvrzují experimenty na moderních velkých urychlovačích s rychlými protony. Elektrické odpudivé síly protonů jsou vyváženy jadernými silami, které působí pouze v samotném jádře. Přestože povaha jaderných sil není dosud plně prozkoumána, jejich existence je prakticky prokázána a zcela vysvětluje strukturu atomového jádra.

Vztah mezi hmotou a energií

V roce 1932 zachytil Wilsonův fotoaparát úžasnou fotografii dokazující existenci kladně nabitých částic o hmotnosti elektronu.

Předtím kladné elektrony teoreticky předpovídal P. Dirac. Skutečný kladný elektron byl také objeven v kosmickém záření. Nová částice se nazývala pozitron. Při srážce s jeho dvojníkem - elektronem dochází k anihilaci - vzájemné destrukci dvou částic. Tím se uvolní určité množství energie.

Teorie vyvinutá pro makrokosmos tedy plně vyhovovala pro popis chování nejmenších prvků hmoty.

E. Rutherford při studiu průchodu částice alfa přes tenkou zlatou fólii (viz část 6.2) dospěl k závěru, že atom se skládá z těžkého kladně nabitého jádra a elektronů, které jej obklopují.

Jádro nazývaná centrální část atomu,ve kterém je soustředěna téměř celá hmotnost atomu a jeho kladný náboj.

V složení atomového jádra zahrnuje elementární částice : protony A neutrony (nukleony z latinského slova jádro- jádro). Takový proton-neutronový model jádra navrhl sovětský fyzik v roce 1932 D.D. Ivaněnko. Proton má kladný náboj e + = 1,06 10 –19 C a klidovou hmotnost m p= 1,673·10 –27 kg = 1836 mě. Neutron ( n) – neutrální částice s klidovou hmotností m n= 1,675·10 –27 kg = 1839 mě(kde je hmotnost elektronu mě 0,91·10 –31 kg). Na Obr. Obrázek 9.1 ukazuje strukturu atomu helia podle představ konce 20. - počátku 21. století.

Základní náboj rovná se Ze, Kde E-protonový náboj, Z– číslo poplatku, rovnat se sériové číslo chemický prvek v Mendělejevově periodické tabulce prvků, tj. počet protonů v jádře. Označuje se počet neutronů v jádře N. Obvykle Z > N.

V současnosti známá jádra s Z= 1 až Z = 107 – 118.

Počet nukleonů v jádře A = Z + N volal hromadné číslo . Jádra se stejným Z, ale jinak A jsou nazývány izotopy. Jádra, která se stejným A mít různé Z, jsou nazývány izobary.

Jádro je označeno stejným symbolem jako neutrální atom, kde X– symbol chemického prvku. Například: vodík Z= 1 má tři izotopy: – protium ( Z = 1, N= 0), – deuterium ( Z = 1, N= 1), – tritium ( Z = 1, N= 2), cín má 10 izotopů atd. V naprosté většině izotopů jednoho chemického prvku mají stejnou chemickou látku a podobné fyzikální vlastnosti. Celkem je známo asi 300 stabilních izotopů a více než 2000 přírodních a uměle získaných izotopů. radioaktivní izotopy.

Velikost jádra je charakterizována poloměrem jádra, který má konvenční význam kvůli rozmazání hranice jádra. I E. Rutherford při analýze svých experimentů ukázal, že velikost jádra je přibližně 10–15 m (velikost atomu je 10–10 m). Existuje empirický vzorec pro výpočet poloměru jádra:

Kde R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m. To ukazuje, že objem jádra je úměrný počtu nukleonů.

Hustota jaderné hmoty je řádově 10 17 kg/m 3 a je konstantní pro všechna jádra. Výrazně převyšuje hustoty nejhustších běžných látek.

Protony a neutrony jsou fermiony, protože mít rotaci ħ /2.

Jádro atomu má vnitřní moment hybnosti – nukleární spin :

,

(9.1.2)

Kde já – vnitřní(kompletní)spinové kvantové číslo.

Číslo já přijímá celočíselné nebo poloviční hodnoty 0, 1/2, 1, 3/2, 2 atd. Jádra s dokonce A mít rotace celého čísla(v jednotkách ħ ) a řídit se statistikami Bose–Einstein(bosony). Jádra s zvláštní A mít polocelé rotace(v jednotkách ħ ) a řídit se statistikami Fermi–Dirac(ti. jádra - fermiony).

Jaderné částice mají své vlastní magnetické momenty, které určují magnetický moment jádra jako celku. Jednotkou měření pro magnetické momenty jader je jaderný magneton μ jed:

Tady E- absolutní hodnota elektronového náboje, m p- hmotnost protonů.

Nukleární magneton dovnitř m p/mě= 1836,5 krát méně než Bohrův magneton, z toho vyplývá určují se magnetické vlastnosti atomů magnetické vlastnosti jeho elektrony .

Existuje vztah mezi rotací jádra a jeho magnetickým momentem:

kde γ jed – jaderný gyromagnetický poměr.

Neutron má záporný magnetický moment μ n≈ – 1,913μ jed, protože směr spinu neutronu a jeho magnetický moment jsou opačné. Magnetický moment proton je kladný a rovný μ R≈ 2,793μ jed. Jeho směr se shoduje se směrem rotace protonů.

Rozložení elektrického náboje protonů přes jádro v obecný případ asymetrické. Míra odchylky tohoto rozdělení od sféricky symetrické je kvadrupólový elektrický moment jádra Q. Pokud se předpokládá, že hustota náboje je všude stejná, pak Q určuje pouze tvar jádra. Tedy pro elipsoid revoluce

,

(9.1.5)

Kde b– poloosa elipsoidu ve směru rotace, A– poloosa v kolmém směru. Pro jádro protáhlé podél směru rotace, b > A A Q> 0. Pro jádro zploštělé v tomto směru, b < A A Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = A A Q= 0. To platí pro jádra se spinem rovným 0 resp ħ /2.

Chcete-li zobrazit ukázky, klikněte na příslušný hypertextový odkaz:

Atom je nejmenší částice chemického prvku, která si zachovává všechny své chemické vlastnosti. Atom se skládá z jádra, které má kladný elektrický náboj, a záporně nabitých elektronů. Náboj jádra libovolného chemického prvku je roven součinu Z a e, kde Z je pořadové číslo tohoto prvku v periodické soustavě chemických prvků, e je hodnota elementárního elektrického náboje.

Elektron je nejmenší částice látky se záporným elektrickým nábojem e=1,6·10 -19 coulombů, bráno jako elementární elektrický náboj. Elektrony, rotující kolem jádra, jsou umístěny v elektronových obalech K, L, M atd. K je obal nejblíže k jádru. Velikost atomu je dána velikostí jeho elektronového obalu. Atom může ztratit elektrony a stát se pozitivním iontem nebo získat elektrony a stát se negativním iontem. Náboj iontu určuje počet ztracených nebo získaných elektronů. Proces přeměny neutrálního atomu na nabitý iont se nazývá ionizace.

Atomové jádro(centrální část atomu) se skládá z elementárních jaderných částic - protonů a neutronů. Poloměr jádra je přibližně stotisíckrát menší než poloměr atomu. Hustota atomového jádra je extrémně vysoká. Protony- jedná se o stabilní elementární částice s jediným kladným elektrickým nábojem a hmotností 1836krát větší než hmotnost elektronu. Proton je jádro atomu nejlehčího prvku, vodíku. Počet protonů v jádře je Z. Neutron- je neutrální (bez elektrického náboje) elementární částice s hmotností velmi blízkou hmotnosti protonu. Protože hmotnost jádra se skládá z hmotnosti protonů a neutronů, počet neutronů v jádře atomu je roven A - Z, kde A je hmotnostní číslo daného izotopu (viz). Proton a neutron, které tvoří jádro, se nazývají nukleony. V jádře jsou nukleony spojeny speciálními jadernými silami.

Atomové jádro obsahuje obrovskou zásobu energie, která se uvolňuje při jaderných reakcích. K jaderným reakcím dochází, když atomová jádra interagují s elementárními částicemi nebo s jádry jiných prvků. V důsledku jaderných reakcí vznikají nová jádra. Například neutron se může přeměnit na proton. V tomto případě je beta částice, tj. elektron, vyvržena z jádra.

Přechod protonu na neutron v jádře lze provést dvěma způsoby: buď je emitována částice s hmotností rovnou hmotnosti elektronu, ale s kladným nábojem, nazývaná pozitron (rozpad pozitronu). jádro, nebo jádro zachytí jeden z elektronů z K-slupky, která je mu nejblíže (K -záchyt).

Někdy má vzniklé jádro přebytek energie (je v excitovaném stavu) a po návratu do normálního stavu uvolňuje přebytečnou energii ve formě elektromagnetického záření o velmi krátké vlnové délce - . Energie uvolněná při jaderných reakcích se prakticky využívá v různých průmyslových odvětvích.

Atom (řecky atomos – nedělitelný) je nejmenší částice chemického prvku, která má jeho chemické vlastnosti. Každý prvek se skládá ze specifického typu atomu. Atom se skládá z jádra, které nese kladný elektrický náboj, a záporně nabitých elektronů (viz), tvořících jeho elektronové obaly. Velikost elektrického náboje jádra je rovna Z-e, kde e je elementární elektrický náboj rovný velikosti náboje elektronu (4,8·10 -10 elektrických jednotek) a Z je atomové číslo tohoto prvku v periodická tabulka chemických prvků (viz.). Vzhledem k tomu, že neionizovaný atom je neutrální, počet elektronů v něm obsažených je také roven Z. Složení jádra (viz Atomové jádro) zahrnuje nukleony, elementární částice s hmotností přibližně 1840krát větší než hmotnost elektronu. (rovné 9,1 10 - 28 g), protony (viz), kladně nabité a neutrony bez náboje (viz). Počet nukleonů v jádře se nazývá hmotnostní číslo a označuje se písmenem A. Počet protonů v jádře, rovný Z, určuje počet elektronů vstupujících do atomu, strukturu elektronových obalů a chemickou látku. vlastnosti atomu. Počet neutronů v jádře je A-Z. Izotopy jsou odrůdy téhož prvku, jejichž atomy se od sebe liší hmotnostním číslem A, ale mají stejné Z. V jádrech atomů různých izotopů téhož prvku je tedy různý počet neutronů se stejným počet protonů. Při označování izotopů se nad symbol prvku píše hmotnostní číslo A a pod ním atomové číslo; například izotopy kyslíku jsou označeny:

Rozměry atomu jsou určeny rozměry elektronových obalů a jsou pro všechna Z hodnotou řádově 10-8 cm. Protože hmotnost všech elektronů atomu je několik tisíckrát menší než hmotnost jádra , hmotnost atomu je úměrná hmotnostnímu číslu. Relativní hmotnost atomu daného izotopu se určuje ve vztahu k hmotnosti atomu izotopu uhlíku C12, bráno jako 12 jednotek, a nazývá se hmotnost izotopu. Ukázalo se, že se blíží hmotnostnímu číslu odpovídajícího izotopu. Relativní hmotnost atomu chemického prvku je průměrná (s přihlédnutím k relativnímu zastoupení izotopů daného prvku) hodnota izotopové hmotnosti a nazývá se atomová hmotnost (hmotnost).

Atom je mikroskopický systém a jeho strukturu a vlastnosti lze vysvětlit pouze pomocí kvantové teorie, vytvořené především ve 20. letech 20. století a určené k popisu jevů v atomovém měřítku. Experimenty ukázaly, že mikročástice - elektrony, protony, atomy atd. - kromě korpuskulárních mají vlnové vlastnosti, projevující se v difrakci a interferenci. V kvantové teorii se k popisu stavu mikroobjektů používá určité vlnové pole, charakterizované vlnovou funkcí (Ψ-funkce). Tato funkce určuje pravděpodobnosti možných stavů mikroobjektu, tj. charakterizuje potenciální možnosti projevu některých jeho vlastností. Variační zákon funkce Ψ v prostoru a čase (Schrodingerova rovnice), který umožňuje najít tuto funkci, hraje v kvantové teorii stejnou roli jako Newtonovy pohybové zákony v klasické mechanice. Řešení Schrödingerovy rovnice v mnoha případech vede k diskrétním možným stavům systému. Takže například v případě atomu dostaneme řadu vlnové funkce pro elektrony odpovídající různým (kvantovaným) energetickým hodnotám. Systém hladin atomové energie, vypočítaný metodami kvantové teorie, získal brilantní potvrzení ve spektroskopii. K přechodu atomu ze základního stavu odpovídajícího nejnižší energetické hladině E 0 do některého z excitovaných stavů E i dochází po absorpci určité části energie E i - E 0 . Excitovaný atom přechází do méně excitovaného nebo základního stavu, obvykle emitováním fotonu. V tomto případě je energie fotonu hv rovna rozdílu energií atomu ve dvou stavech: hv = E i - E k kde h je Planckova konstanta (6,62·10 -27 erg·sec), v je frekvence světla.

Kromě atomových spekter, kvantová teorie umožnil vysvětlit další vlastnosti atomů. Zejména valence, povaha chemická vazba a struktura molekul, vznikla teorie periodická tabulka Prvky.

Charakteristickým rysem radioaktivní kontaminace, na rozdíl od kontaminace jinými znečišťujícími látkami, je, že na člověka a objekty životního prostředí nemá škodlivý účinek samotný radionuklid (znečišťující látka), ale záření, jehož je zdrojem.

Existují však případy, kdy je radionuklid toxickým prvkem. Například po havárii jaderné elektrárny Černobyl v r životní prostředí plutonium 239, 242 Pu bylo uvolněno s částicemi jaderného paliva. Kromě toho, že plutonium je alfa zářič a při požití představuje značné nebezpečí, je plutonium samo o sobě toxický prvek.

Z tohoto důvodu se používají dvě skupiny kvantitativních ukazatelů: 1) pro hodnocení obsahu radionuklidů a 2) pro hodnocení dopadu záření na objekt.
Aktivita- kvantitativní měření obsahu radionuklidů v analyzovaném objektu. Aktivita je určena počtem radioaktivních rozpadů atomů za jednotku času. Jednotkou aktivity v SI je Becquerel (Bq) rovný jednomu rozpadu za sekundu (1Bq = 1 rozpad/s). Někdy se používá nesystémová jednotka měření aktivity - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 x 1010 Bq.

Dávka záření- kvantitativní měření dopadu záření na předmět.
Vzhledem k tomu, že účinek záření na objekt lze posoudit podle různé úrovně: fyzikální, chemické, biologické; na úrovni jednotlivých molekul, buněk, tkání či organismů atd. se používá více typů dávek: absorbovaná, efektivní ekvivalent, expozice.

K posouzení změny dávky záření v čase se používá indikátor „dávkového příkonu“. Dávkový příkon je poměr dávka-čas. Například dávkový příkon vnějšího záření z přírodních zdrojů záření v Rusku je 4-20 μR/h.

Hlavní standard pro člověka - hlavní dávkový limit (1 mSv/rok) - je zaveden v jednotkách efektivní ekvivalentní dávky. Existují normy v jednotkách aktivity, úrovně znečištění půdy, VDU, GGP, SanPiN atd.

Struktura atomového jádra.

Atom je nejmenší částice chemického prvku, která si zachovává všechny své vlastnosti. Atom je ve své struktuře komplexní systém sestávající z kladně nabitého jádra velmi malé velikosti (10 -13 cm) umístěného ve středu atomu a záporně nabitých elektronů rotujících kolem jádra na různých drahách. Záporný náboj elektronů se rovná kladnému náboji jádra, přičemž se obecně ukazuje, že je elektricky neutrální.

Atomová jádra se skládají z nukleony - jaderné protony ( Z- počet protonů) a jaderných neutronů (N - počet neutronů). „Jaderné“ protony a neutrony se liší od částic ve volném stavu. Například volný neutron, na rozdíl od neutronu vázaného v jádře, je nestabilní a mění se v proton a elektron.

Počet nukleonů Am (hmotnostní číslo) je součet počtu protonů a neutronů: Am = Z+ N.

Proton - elementární částice jakéhokoli atomu, má kladný náboj, rovnající se náboji elektron. Počet elektronů v obalu atomu je určen počtem protonů v jádře.

Neutron - jiný typ jaderných částic všech prvků. Chybí pouze v jádře lehkého vodíku, sestávajícího z jednoho protonu. Nemá žádný náboj a je elektricky neutrální. V atomovém jádře jsou neutrony stabilní, ale ve volném stavu jsou nestabilní. Počet neutronů v jádrech atomů téhož prvku může kolísat, takže počet neutronů v jádře prvek necharakterizuje.

Nukleony (protony + neutrony) jsou drženy uvnitř atomového jádra jadernými přitažlivými silami. Jaderné síly 100krát silnější než elektromagnetické síly, a proto drží podobně nabité protony uvnitř jádra. Jaderné síly se projevují jen na velmi malé vzdálenosti (10 -13 cm), tvoří potenciální vazebnou energii jádra, která se při některých přeměnách částečně uvolňuje a přeměňuje v kinetickou energii.

Pro atomy, které se liší složením jádra, se používá název „nuklidy“ a pro radioaktivní atomy - „radionuklidy“.

Nuklidy se nazývají atomy nebo jádra s daným počtem nukleonů a daným jaderným nábojem (označení nuklidu A X).

Nazývají se nuklidy se stejným počtem nukleonů (Am = konst). izobary. Například nuklidy 96 Sr, 96 Y, 96 Zr patří do řady izobar s počtem nukleonů Am = 96.

Nuklidy se stejným počtem protonů (Z = const), se nazývají izotopy. Liší se pouze počtem neutronů, patří tedy ke stejnému prvku: 234 U , 235 U, 236 U , 238U .

Izotopy- nuklidy se stejným počtem neutronů (N = Am -Z = konst). Nuklidy: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca patří do řady izotopů s 20 neutrony.

Izotopy se obvykle označují ve formě Z X M, kde X je symbol chemického prvku; M je hmotnostní číslo rovné součtu počtu protonů a neutronů v jádře; Z je atomové číslo nebo náboj jádra, které se rovná počtu protonů v jádře. Vzhledem k tomu, že každý chemický prvek má své konstantní atomové číslo, je obvykle vynecháno a omezeno na zápis pouze hmotnostního čísla, například: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr atd.

Atomy jádra, které mají stejná hmotnostní čísla, ale různé náboje a v důsledku toho různé vlastnosti, se nazývají „izobary“, například jeden z izotopů fosforu má hmotnostní číslo 32 - 15 P 32, jeden z izotopů síry má stejné hmotnostní číslo - 16 S 32.

Nuklidy mohou být stabilní (pokud jsou jejich jádra stabilní a nerozpadají se) a nestabilní (jsou-li jejich jádra nestabilní a podléhají změnám, které v konečném důsledku vedou ke zvýšení stability jádra). Nestabilní atomová jádra, která se mohou samovolně rozkládat, se nazývají radionuklidy. Jev samovolného rozpadu jádra atomu, doprovázeného emisí částic a (nebo) elektromagnetického záření, se nazývá radioaktivita.

V důsledku radioaktivního rozpadu může vzniknout stabilní i radioaktivní izotop, který se zase samovolně rozkládá. Takové řetězce radioaktivních prvků spojených řadou jaderných přeměn se nazývají radioaktivní rodiny.

V současné době IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) oficiálně pojmenoval 109 chemické prvky. Z nich pouze 81 má stabilní izotopy, z nichž nejtěžší je vizmut (Z= 83). U zbývajících 28 prvků jsou známy pouze radioaktivní izotopy s uranem (U~ 92) je nejtěžší prvek vyskytující se v přírodě. Největší přírodní nuklid má 238 nukleonů. Celkem je nyní prokázána existence asi 1700 nuklidů těchto 109 prvků a počet známých izotopů pro jednotlivé prvky se pohybuje od 3 (pro vodík) do 29 (pro platinu).