Sastav jezgre atoma. Izračunavanje protona i neutrona
Prema moderne ideje, atom se sastoji od jezgre i elektrona smještenih oko nje. Jezgra atoma, zauzvrat, sastoji se od manjih elementarnih čestica - od određenog broja protona i neutrona(općeprihvaćeni naziv za njih je nukleoni), međusobno povezani nuklearnim silama.
Broj protona u jezgri određuje strukturu elektronske ljuske atoma. A elektronska ljuska određuje fizikalnu Kemijska svojstva tvari. Broj protona odgovara rednom broju atoma u Mendeljejevljevom periodnom sustavu kemijskih elemenata, koji se naziva i broj naboja, atomski broj, atomski broj. Na primjer, broj protona u atomu helija je 2. B periodni sustav elemenata ima broj 2 i označava se kao He 2. Simbol za označavanje broja protona je latinično slovo Z. Prilikom pisanja formula broj koji označava broj protona često se nalazi ispod simbola elementa, bilo desno od ili lijevo: He 2 / 2 He.
Broj neutrona odgovara određenom izotopu elementa. Izotopi su elementi s istim atomskim brojem (istim brojem protona i elektrona), ali različitim masenim brojevima. Maseni broj– ukupan broj neutrona i protona u jezgri atoma (označava se latiničnim slovom A). Pri pisanju formula maseni broj je naznačen na vrhu simbola elementa s jedne strane: He 4 2 / 4 2 He (Helijev izotop - Helij - 4)
Dakle, da bi se saznao broj neutrona u određenom izotopu, broj protona treba oduzeti od ukupnog masenog broja. Na primjer, znamo da atom helija-4 He 4 2 sadrži 4 elementarne čestice, jer je maseni broj izotopa 4. Štoviše, znamo da He 4 2 ima 2 protona. Oduzimanjem od 4 (ukupni maseni broj) 2 (broj protona) dobivamo 2 - broj neutrona u jezgri helija-4.
PROCES IZRAČUNAVANJA BROJA FANTOMSKIH ČESTICA U ATOMSKOJ JEZGRI. Kao primjer, nismo slučajno razmotrili Helij-4 (He 4 2), čija se jezgra sastoji od dva protona i dva neutrona. Budući da je jezgra helija-4, nazvana alfa čestica (α čestica), najučinkovitija u nuklearne reakcije, često se koristi za eksperimente u tom smjeru. Važno je napomenuti da se u formulama za nuklearne reakcije simbol α često koristi umjesto He 4 2.
Upravo je uz sudjelovanje alfa čestica E. Rutherford izveo prvi službena povijest fizika reakcija nuklearne transformacije. Tijekom reakcije alfa čestice (He 4 2) “bombardirale” su jezgre izotopa dušika (N 14 7), što je rezultiralo stvaranjem izotopa kisika (O 17 8) i jednog protona (p 1 1)
Ova nuklearna reakcija izgleda ovako:
Izračunajmo broj fantomskih Po čestica prije i poslije ove transformacije.
ZA IZRAČUNANJE BROJA FANTOMSKIH ČESTICA KOJE VAM JE POTREBNO:
Korak 1. Izbrojite broj neutrona i protona u svakoj jezgri:
- broj protona je naznačen u donjem indikatoru;
- broj neutrona saznajemo tako da od ukupnog masenog broja (gornji pokazatelj) oduzmemo broj protona (donji pokazatelj).
Korak 2. Izbrojite broj fantomskih Po čestica u atomskoj jezgri:
- pomnožiti broj protona s brojem fantomskih Po čestica sadržanih u 1 protonu;
- pomnožite broj neutrona s brojem fantomskih Po čestica sadržanih u 1 neutronu;
Korak 3. Zbrojite broj fantomskih Po čestica:
- zbroji dobiveni broj fantomskih čestica Po u protonima s dobivenim brojem neutrona u jezgrama prije reakcije;
- zbroji dobiveni broj fantomskih čestica Po u protonima s dobivenim brojem neutrona u jezgrama nakon reakcije;
- usporedite broj fantomskih čestica Po prije reakcije s brojem fantomskih čestica Po nakon reakcije.
PRIMJER RAZVIJENOG IZRAČUNA BROJA FANTOMSKIH ČESTICA U ATOMSKIM JEZGRAMA.
(Nuklearna reakcija s α česticom (He 4 2), koju je izveo E. Rutherford 1919.)
PRIJE REAKCIJE (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Broj protona: 7
Broj neutrona: 14-7 = 7
u 1 protonu – 12 Po, što znači u 7 protona: (12 x 7) = 84;
u 1 neutronu – 33 Po, što znači u 7 neutrona: (33 x 7) = 231;
Ukupan broj fantomskih Po čestica u jezgri: 84+231 = 315
On 4 2
Broj protona – 2
Broj neutrona 4-2 = 2
Broj fantomskih Po čestica:
u 1 protonu – 12 Po, što znači u 2 protona: (12 x 2) = 24
u 1 neutronu – 33 Po, što znači u 2 neutrona: (33 x 2) = 66
Ukupan broj fantomskih Po čestica u jezgri: 24+66 = 90
Ukupan broj fantomskih Po čestica prije reakcije
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
NAKON REAKCIJE (O 17 8) i jedan proton (p 1 1):
O 17 8
Broj protona: 8
Broj neutrona: 17-8 = 9
Broj fantomskih Po čestica:
u 1 protonu – 12 Po, što znači u 8 protona: (12 x 8) = 96
u 1 neutronu – 33 Po, što znači u 9 neutrona: (9 x 33) = 297
Ukupan broj fantomskih Po čestica u jezgri: 96+297 = 393
str 1 1
Broj protona: 1
Broj neutrona: 1-1=0
Broj fantomskih Po čestica:
Postoji 12 Po u 1 protonu
Nema neutrona.
Ukupan broj fantomskih Po čestica u jezgri: 12
Ukupan broj fantomskih Po čestica nakon reakcije
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Usporedimo broj fantomskih čestica Po prije i poslije reakcije:
PRIMJER KRATKE FORME ZA IZRAČUN BROJA FANTOMSKIH ČESTICA U NUKLEARNOJ REAKCIJI.
Poznata nuklearna reakcija je reakcija interakcije α-čestica s izotopom berilija, u kojoj je prvi put otkriven neutron koji se kao rezultat nuklearne transformacije manifestira kao samostalna čestica. Ovu reakciju je 1932. godine izveo engleski fizičar James Chadwick. Formula reakcije:
213 + 90 → 270 + 33 - broj fantomskih čestica Po u svakoj od jezgri
303 = 303 - ukupni zbroj fantomskih Po čestica prije i poslije reakcije
Broj fantomskih Po čestica prije i poslije reakcije je jednak.
Davno prije pojave pouzdanih podataka o unutarnjoj strukturi svih stvari, grčki mislioci zamišljali su materiju u obliku sićušnih vatrenih čestica koje su u neprestanom kretanju. Vjerojatno je ova vizija svjetskog poretka stvari izvedena iz čisto logičkih zaključaka. Unatoč određenoj naivnosti i apsolutnom nedostatku dokaza ove izjave, pokazalo se da je točna. Iako su znanstvenici uspjeli potvrditi ovu hrabru pretpostavku tek dvadeset i tri stoljeća kasnije.
Struktura atoma
Krajem 19. stoljeća istraživana su svojstva izbojne cijevi kroz koju je prolazila struja. Promatranja su pokazala da se u ovom slučaju emitiraju dvije struje čestica:
Negativne čestice katodnih zraka zvale su se elektroni. Kasnije su u mnogim procesima otkrivene čestice s istim omjerom naboja i mase. Činilo se da su elektroni univerzalne komponente raznih atoma, vrlo lako razdvojeni kad ih bombardiraju ioni i atomi.
Čestice s pozitivnim nabojem predstavljene su kao fragmenti atoma nakon što su izgubili jedan ili više elektrona. Zapravo, pozitivne zrake bile su skupine atoma lišene negativnih čestica i, kao rezultat toga, imale pozitivan naboj.
Thompson model
Na temelju pokusa utvrđeno je da pozitivne i negativne čestice predstavljaju bit atoma i da su njegove komponente. Engleski znanstvenik J. Thomson predložio je svoju teoriju. Prema njegovom mišljenju, struktura atoma i atomske jezgre bila je vrsta mase u kojoj su negativni naboji stisnuti u pozitivno nabijenu kuglu, poput grožđica u kolaču. Kompenzacija naboja učinila je "kolačić" električki neutralnim.
Rutherfordov model
Mladi američki znanstvenik Rutherford, analizirajući tragove alfa čestica, došao je do zaključka da je Thompsonov model nesavršen. Neke alfa čestice bile su otklonjene pod malim kutovima - 5-10 o. U rijetkim slučajevima alfa čestice su otklonjene pod velikim kutovima od 60-80 o, au iznimnim slučajevima kutovi su bili vrlo veliki - 120-150 o. Thompsonov model atoma nije mogao objasniti razliku.
Rutherford predlaže novi model koji objašnjava strukturu atoma i atomske jezgre. Fizika procesa kaže da bi atom trebao biti 99% prazan, sa sićušnom jezgrom i elektronima koji rotiraju oko nje, krećući se u orbitama.
Odstupanja pri udarima objašnjava činjenicom da čestice atoma imaju vlastiti električni naboj. Pod utjecajem bombardiranja nabijenih čestica atomski elementi ponašaju se kao obična nabijena tijela u makrokozmosu: čestice s istim nabojem se međusobno odbijaju, a čestice sa suprotnim nabojem privlače.
Stanje atoma
Početkom prošlog stoljeća, kada su pušteni u rad prvi akceleratori čestica, sve teorije koje su objašnjavale strukturu atomske jezgre i samog atoma čekale su eksperimentalnu provjeru. Do tada su interakcije alfa i beta zraka s atomima već bile temeljito proučene. Sve do 1917. vjerovalo se da su atomi ili stabilni ili radioaktivni. Stabilni atomi se ne mogu razdvojiti, a raspad radioaktivnih jezgri ne može se kontrolirati. Ali Rutherford je uspio opovrgnuti ovo mišljenje.
Prvi proton
Godine 1911. E. Rutherford iznio je ideju da se sve jezgre sastoje od identičnih elemenata, čija je osnova atom vodika. Znanstvenika je na ovu ideju potaknuo važan zaključak iz prethodnih istraživanja strukture materije: mase svih kemijskih elemenata podijeljene su bez ostatka s masom vodika. Nova pretpostavka otvorila je neviđene mogućnosti, omogućivši nam da vidimo strukturu atomske jezgre na novi način. Nuklearne reakcije trebale su potvrditi ili opovrgnuti novu hipotezu.
Pokusi su provedeni 1919. s atomima dušika. Bombardirajući ih alfa česticama, Rutherford je postigao nevjerojatan rezultat.
Atom N apsorbirao je alfa česticu, zatim se pretvorio u atom kisika O 17 i emitirao jezgru vodika. To je bila prva umjetna transformacija atoma jednog elementa u drugi. Takvo iskustvo dalo je nadu da struktura atomske jezgre i fizika postojećih procesa omogućuju izvođenje drugih nuklearnih transformacija.
Znanstvenik je u svojim eksperimentima koristio metodu scintilacijskog bljeska. Na temelju učestalosti baklji izveo je zaključke o sastavu i strukturi atomske jezgre, karakteristikama generiranih čestica, njihovoj atomskoj masi i atomskom broju. Rutherford je nepoznatu česticu nazvao proton. Imao je sve karakteristike atoma vodika bez svog jednog elektrona - jedan pozitivan naboj i odgovarajuću masu. Tako je dokazano da su proton i jezgra vodika iste čestice.
Godine 1930., kada su izgrađeni i pušteni u rad prvi veliki akceleratori, ispitan je i dokazan Rutherfordov model atoma: svaki atom vodika sastoji se od usamljenog elektrona, čiji se položaj ne može odrediti, i labavog atoma s usamljenim pozitivnim protonom unutar . Budući da protoni, elektroni i alfa čestice mogu izletjeti iz atoma tijekom bombardiranja, znanstvenici su mislili da su to komponente svake atomske jezgre. Ali takav model atoma jezgre činio se nestabilnim - elektroni su bili preveliki da stanu u jezgru, osim toga, postojale su ozbiljne poteškoće povezane s kršenjem zakona količine gibanja i očuvanja energije. Ova dva zakona, poput strogih računovođa, govorila su da zamah i masa tijekom bombardiranja nestaju u nepoznatom smjeru. Budući da su ti zakoni bili općeprihvaćeni, bilo je potrebno pronaći objašnjenja za takvo curenje.
Neutroni
Znanstvenici diljem svijeta provodili su eksperimente s ciljem otkrivanja novih komponenti atomskih jezgri. Tridesetih godina prošlog stoljeća njemački fizičari Becker i Bothe bombardirali su atome berilija alfa česticama. Istodobno je zabilježeno nepoznato zračenje, koje je odlučeno nazvati G-zrakama. Detaljne studije otkrile su neke značajke novih zraka: mogle su se širiti strogo pravocrtno, nisu bile u interakciji s električnim i magnetska polja, imao je visoku sposobnost prodora. Kasnije su čestice koje tvore ovu vrstu zračenja pronađene tijekom interakcije alfa čestica s drugim elementima - borom, kromom i drugima.
Chadwickova pretpostavka
Tada je James Chadwick, kolega i Rutherfordov učenik, dao kratku poruku u časopisu Nature, koja je kasnije postala općepoznata. Chadwick je skrenuo pozornost na činjenicu da se proturječja u zakonima očuvanja mogu lako riješiti ako pretpostavimo da je novo zračenje tok neutralnih čestica, od kojih svaka ima masu približno jednaku masi protona. S obzirom na tu pretpostavku, fizičari su značajno proširili hipotezu koja objašnjava strukturu atomske jezgre. Ukratko, bit dodataka svela se na novu česticu i njezinu ulogu u strukturi atoma.
Svojstva neutrona
Otkrivena čestica dobila je naziv "neutron". Novootkrivene čestice nisu oko sebe stvarale elektromagnetska polja i lako su prolazile kroz materiju bez gubitka energije. U rijetkim sudarima s lakim atomskim jezgrama, neutron je u stanju izbaciti jezgru iz atoma, gubeći značajan dio svoje energije. Struktura atomske jezgre pretpostavlja prisutnost različitog broja neutrona u svakoj tvari. Atomi s istim nuklearnim nabojem, ali različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi.
Neutroni su poslužili kao izvrsna zamjena za alfa čestice. Trenutno se koriste za proučavanje strukture atomske jezgre. Nemoguće je ukratko opisati njihovo značenje za znanost, ali upravo zahvaljujući bombardiranju atomskih jezgri neutronima fizičari su uspjeli dobiti izotope gotovo svih poznatih elemenata.
Sastav jezgre atoma
Trenutno je struktura atomske jezgre skup protona i neutrona koje zajedno drže nuklearne sile. Na primjer, jezgra helija je nakupina dva neutrona i dva protona. Laki elementi imaju gotovo jednak broj protona i neutrona, dok teški elementi imaju puno veći broj neutrona.
Ovakvu sliku strukture jezgre potvrđuju pokusi na suvremenim velikim akceleratorima s brzim protonima. Električne sile odbijanja protona uravnotežuju se nuklearnim silama, koje djeluju samo u samoj jezgri. Iako priroda nuklearnih sila još nije u potpunosti proučena, njihovo postojanje je praktično dokazano i potpuno objašnjava strukturu atomske jezgre.
Odnos mase i energije
Godine 1932. Wilsonova kamera snimila je nevjerojatnu fotografiju koja dokazuje postojanje pozitivno nabijenih čestica mase elektrona.
Prije toga, pozitivne elektrone je teorijski predvidio P. Dirac. U kozmičkim zrakama također je otkriven pravi pozitivni elektron. Nova čestica nazvana je pozitron. Prilikom sudara sa svojim dvojnikom - elektronom, dolazi do anihilacije - međusobnog uništenja dviju čestica. Time se oslobađa određena količina energije.
Stoga je teorija razvijena za makrokozmos bila potpuno prikladna za opisivanje ponašanja najmanjih elemenata materije.
Proučavajući prolazak alfa čestice kroz tanku zlatnu foliju (vidi odjeljak 6.2), E. Rutherford je došao do zaključka da se atom sastoji od teške pozitivno nabijene jezgre i elektrona koji je okružuju.
Jezgra naziva središnjim dijelom atoma,u kojem je koncentrirana gotovo cjelokupna masa atoma i njegov pozitivni naboj.
U sastav atomske jezgre uključuje elementarne čestice : protoni I neutroni (nukleoni od latinske riječi jezgra- jezgra). Takav proton-neutronski model jezgre predložio je sovjetski fizičar 1932. godine D.D. Ivanenko. Proton ima pozitivan naboj e + = 1,06 10 –19 C i masu mirovanja m str= 1,673·10 –27 kg = 1836 m e. neutron ( n) – neutralna čestica s masom mirovanja m n= 1,675·10 –27 kg = 1839 m e(gdje je masa elektrona m e, jednako 0,91·10 –31 kg). Na sl. Slika 9.1 prikazuje strukturu atoma helija prema idejama s kraja 20. - početka 21. stoljeća.
Naboj jezgre jednaki Ze, Gdje e– naboj protona, Z– broj naplate, jednako serijski broj kemijski element u Mendeljejevom periodnom sustavu elemenata, tj. broj protona u jezgri. Označava se broj neutrona u jezgri N. Obično Z > N.
Trenutno poznate jezgre sa Z= 1 prema Z = 107 – 118.
Broj nukleona u jezgri A = Z + N nazvao maseni broj . Jezgre s istim Z, ali drugačije A se zovu izotopi. Jezgre koje, s istim A imati različite Z, se zovu izobare.
Jezgra je označena istim simbolom kao neutralni atom, gdje x– simbol kemijskog elementa. Na primjer: vodik Z= 1 ima tri izotopa: – protij ( Z = 1, N= 0), – deuterij ( Z = 1, N= 1), – tricij ( Z = 1, N= 2), kositar ima 10 izotopa itd. U velikoj većini izotopi jednog kemijskog elementa imaju isti kemijski ili sličan fizička svojstva. Ukupno je poznato oko 300 stabilnih izotopa i više od 2000 prirodnih i umjetno dobivenih. radioaktivni izotopi.
Veličinu jezgre karakterizira radijus jezgre, koji ima konvencionalno značenje zbog zamagljenosti granice jezgre. Čak je i E. Rutherford, analizirajući svoje pokuse, pokazao da je veličina jezgre približno 10–15 m (veličina atoma je 10–10 m). Postoji empirijska formula za izračunavanje polumjera jezgre:
| , | (9.1.1) |
Gdje R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m. To pokazuje da je volumen jezgre proporcionalan broju nukleona.
Gustoća nuklearne tvari je reda veličine 10 17 kg/m 3 i konstantna je za sve jezgre. Značajno premašuje gustoće najgušćih običnih tvari.
Protoni i neutroni su fermioni, jer imati vrtnju ħ /2.
Jezgra atoma ima intrinzični kutni moment – nuklearni spin :
 ,
|
(9.1.2) |
Gdje ja – unutarnje(potpuna)spinski kvantni broj.
Broj ja prihvaća cjelobrojne ili polucijele vrijednosti 0, 1/2, 1, 3/2, 2 itd. Jezgre sa čak A imati cjelobrojni spin(u jedinicama ħ ) i poštivati statistiku Bose–Einstein(bozoni). Jezgre sa neparan A imati polucijeli spin(u jedinicama ħ ) i poštivati statistiku Fermi–Dirac(oni. jezgre – fermioni).
Nuklearne čestice imaju svoje magnetske momente, koji određuju magnetski moment jezgre u cjelini. Mjerna jedinica za magnetske momente jezgri je nuklearni magneton μ otrov:
| . | (9.1.3) |
Ovdje e– apsolutna vrijednost naboja elektrona, m str– masa protona.
Nuklearni magneton u m str/m e= 1836,5 puta manje od Bohrovog magnetona, slijedi to određuju se magnetska svojstva atoma magnetska svojstva njegove elektrone .
Postoji odnos između spina jezgre i njenog magnetskog momenta:
| , | (9.1.4) |
gdje je γ otrov – nuklearni žiromagnetski omjer.
Neutron ima negativan magnetski moment μ n≈ – 1,913μ otrov jer su smjer vrtnje neutrona i njegov magnetski moment suprotni. Magnetski moment proton je pozitivan i jednak μ R≈ 2,793μ otrov. Smjer mu se poklapa sa smjerom vrtnje protona.
Raspodjela električnog naboja protona po jezgri u opći slučaj asimetričan. Mjera odstupanja ove distribucije od sferno simetrične je kvadrupolni električni moment jezgre Q. Ako se pretpostavi da je gustoća naboja posvuda ista, tada Q određena samo oblikom jezgre. Dakle, za elipsoid revolucije
 ,
|
(9.1.5) |
Gdje b– poluos elipsoida duž smjera vrtnje, A– poluos u okomitom smjeru. Za jezgru izduženu duž smjera vrtnje, b > A I Q> 0. Za jezgru spljoštenu u ovom smjeru, b < a I Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a I Q= 0. To vrijedi za jezgre sa spinom jednakim 0 ili ħ /2.
Za pregled demonstracija kliknite na odgovarajuću hipervezu:
Atom je najmanja čestica kemijskog elementa koja zadržava sva njegova kemijska svojstva. Atom se sastoji od jezgre, koja ima pozitivan električni naboj, i negativno nabijenih elektrona. Naboj jezgre bilo kojeg kemijskog elementa jednak je umnošku Z i e, gdje je Z redni broj ovog elementa u periodnom sustavu kemijskih elemenata, e je vrijednost elementarnog električnog naboja.
Elektron je najmanja čestica tvari s negativnim električnim nabojem e=1,6·10 -19 kulona, uzetim kao elementarni električni naboj. Elektroni, rotirajući oko jezgre, nalaze se u elektronskim ljuskama K, L, M itd. K je ljuska najbliža jezgri. Veličina atoma određena je veličinom njegove elektronske ljuske. Atom može izgubiti elektrone i postati pozitivan ion ili dobiti elektrone i postati negativan ion. Naboj iona određuje broj izgubljenih ili dobivenih elektrona. Proces pretvaranja neutralnog atoma u nabijeni ion naziva se ionizacija.
Atomska jezgra(središnji dio atoma) sastoji se od elementarnih nuklearnih čestica – protona i neutrona. Polumjer jezgre približno je sto tisuća puta manji od polumjera atoma. Gustoća atomske jezgre je izuzetno velika. Protoni- to su stabilne elementarne čestice s jednim pozitivnim električnim nabojem i masom 1836 puta većom od mase elektrona. Proton je jezgra atoma najlakšeg elementa, vodika. Broj protona u jezgri je Z. Neutron- ovo je neutralno (bez električnog naboja) elementarna čestica s masom vrlo bliskom masi protona. Budući da se masa jezgre sastoji od mase protona i neutrona, broj neutrona u jezgri atoma jednak je A - Z, gdje je A maseni broj danog izotopa (vidi). Proton i neutron koji čine jezgru nazivaju se nukleoni. U jezgri su nukleoni povezani posebnim nuklearnim silama.
Atomska jezgra sadrži ogromnu rezervu energije koja se oslobađa tijekom nuklearnih reakcija. Nuklearne reakcije nastaju kada atomske jezgre međusobno djeluju s elementarnim česticama ili s jezgrama drugih elemenata. Kao rezultat nuklearnih reakcija nastaju nove jezgre. Na primjer, neutron se može transformirati u proton. U tom slučaju beta čestica, tj. elektron, biva izbačena iz jezgre.
Prijelaz protona u neutron u jezgri može se izvesti na dva načina: ili čestica mase jednake masi elektrona, ali s pozitivnim nabojem, nazvana pozitron (raspad pozitrona), emitira se iz jezgra, ili jezgra uhvati jedan od elektrona iz njoj najbliže K-ljuske (K -hvatanje).
Ponekad tako nastala jezgra ima višak energije (nalazi se u pobuđenom stanju) te po povratku u normalno stanje oslobađa višak energije u obliku elektromagnetskog zračenja vrlo kratke valne duljine - . Energija koja se oslobađa tijekom nuklearnih reakcija praktično se koristi u raznim industrijama.
Atom (grč. atomos - nedjeljiv) najmanja je čestica nekog kemijskog elementa koja ima njegova kemijska svojstva. Svaki element sastoji se od određene vrste atoma. Atom se sastoji od jezgre, koja nosi pozitivan električni naboj, i negativno nabijenih elektrona (vidi), koji tvore njegove elektronske ljuske. Veličina električnog naboja jezgre jednaka je Z-e, gdje je e elementarni električni naboj jednak po veličini naboju elektrona (4,8·10 -10 električnih jedinica), a Z je atomski broj ovog elementa u periodni sustav kemijskih elemenata (vidi .). Budući da je neionizirani atom neutralan, broj elektrona uključenih u njega također je jednak Z. Sastav jezgre (vidi Atomska jezgra) uključuje nukleone, elementarne čestice čija je masa približno 1840 puta veća od mase elektrona (jednako 9,1 10 - 28 g), protoni (vidi), pozitivno nabijeni, i neutroni bez naboja (vidi). Broj nukleona u jezgri naziva se maseni broj i označava se slovom A. Broj protona u jezgri, jednak Z, određuje broj elektrona koji ulaze u atom, strukturu elektronskih ljuski i kemijsku svojstva atoma. Broj neutrona u jezgri je A-Z. Izotopi su varijante istog elementa čiji se atomi međusobno razlikuju po masenom broju A, ali imaju isti Z. Dakle, u jezgrama atoma različitih izotopa istog elementa postoji različit broj neutrona s istim broj protona. Kod označavanja izotopa iznad simbola elementa upisuje se maseni broj A, a ispod atomski broj; na primjer, izotopi kisika su označeni: 
Dimenzije atoma određene su dimenzijama elektronskih ljuski i za sve su Z vrijednosti reda veličine 10 -8 cm. Budući da je masa svih elektrona atoma nekoliko tisuća puta manja od mase jezgre , masa atoma proporcionalna je masenom broju. Relativna masa atoma danog izotopa određena je u odnosu na masu atoma ugljikovog izotopa C12, uzetu kao 12 jedinica, i naziva se masa izotopa. Ispada da je blizu masenog broja odgovarajućeg izotopa. Relativna težina atoma kemijskog elementa je prosječna (uzimajući u obzir relativnu zastupljenost izotopa danog elementa) vrijednost izotopske težine i naziva se atomska težina (masa).
Atom je mikroskopski sustav, a njegova struktura i svojstva mogu se objasniti samo pomoću kvantne teorije, nastale uglavnom 20-ih godina 20. stoljeća i namijenjene opisivanju pojava na atomskoj razini. Pokusi su pokazali da mikročestice - elektroni, protoni, atomi itd. - osim korpuskularnih, imaju i valna svojstva, koja se očituju u difrakciji i interferenciji. U kvantnoj teoriji za opisivanje stanja mikroobjekata koristi se određeno valno polje koje karakterizira valna funkcija (Ψ-funkcija). Ova funkcija određuje vjerojatnosti mogućih stanja mikroobjekta, tj. karakterizira potencijalne mogućnosti manifestacije određenih njegovih svojstava. Zakon varijacije funkcije Ψ u prostoru i vremenu (Schrodingerova jednadžba), koji omogućuje pronalaženje ove funkcije, igra istu ulogu u kvantnoj teoriji kao Newtonovi zakoni gibanja u klasičnoj mehanici. Rješavanje Schrödingerove jednadžbe u mnogim slučajevima dovodi do diskretnih mogućih stanja sustava. Tako, na primjer, u slučaju atoma dobivamo niz valne funkcije za elektrone koji odgovaraju različitim (kvantiziranim) vrijednostima energije. Sustav atomskih energetskih razina, izračunat metodama kvantne teorije, dobio je briljantnu potvrdu u spektroskopiji. Prijelaz atoma iz osnovnog stanja koje odgovara najnižoj energetskoj razini E 0 u bilo koje od pobuđenih stanja E i događa se nakon apsorpcije određenog dijela energije E i - E 0 . Pobuđeni atom prelazi u manje pobuđeno ili osnovno stanje, obično emitiranjem fotona. U ovom slučaju energija fotona hv jednaka je razlici energija atoma u dva stanja: hv = E i - E k gdje je h Planckova konstanta (6,62·10 -27 erg·sek), v je frekvencija svjetla.
Osim atomskih spektara, kvantna teorija omogućio objašnjenje drugih svojstava atoma. Konkretno, valencija, priroda kemijska veza i strukturi molekula stvorena je teorija periodni sustav elemenata elementi.
Značajka radioaktivne kontaminacije, za razliku od kontaminacije drugim onečišćujućim tvarima, je da na ljude i objekte u okolišu ne djeluje sam radionuklid (polutant), već zračenje čiji je izvor.
Međutim, postoje slučajevi kada je radionuklid toksičan element. Na primjer, nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil u okoliš plutonij 239, 242 Pu otpušten je s česticama nuklearnog goriva. Osim što je plutonij alfa emiter i predstavlja značajnu opasnost kada se unese u organizam, sam plutonij je toksičan element.
Zbog toga se koriste dvije skupine kvantitativnih pokazatelja: 1) za ocjenu sadržaja radionuklida i 2) za ocjenu utjecaja zračenja na objekt.
Aktivnost- kvantitativnu mjeru sadržaja radionuklida u analiziranom objektu. Aktivnost je određena brojem radioaktivnih raspada atoma u jedinici vremena. SI jedinica aktivnosti je Becquerel (Bq) jednak jednom raspadu u sekundi (1Bq = 1 raspad/s). Ponekad se koristi nesustavna jedinica mjerenja aktivnosti - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 ×1010 Bq.
Doza zračenja- kvantitativna mjera utjecaja zračenja na neki objekt.
Zbog činjenice da se učinak zračenja na objekt može procijeniti pomoću različite razine: fizikalni, kemijski, biološki; na razini pojedinih molekula, stanica, tkiva ili organizama itd. koristi se nekoliko vrsta doza: apsorbirana, efektivni ekvivalent, ekspozicija.
Za procjenu promjene doze zračenja tijekom vremena koristi se pokazatelj "brzine doze". Brzina doze je omjer doze i vremena. Na primjer, brzina doze vanjskog zračenja iz prirodnih izvora zračenja u Rusiji je 4-20 μR/h.
Glavni standard za ljude - glavna granica doze (1 mSv/godina) - uvodi se u jedinicama efektivne ekvivalentne doze. Postoje standardi u jedinicama aktivnosti, razinama onečišćenja zemljišta, VDU, GGP, SanPiN itd.
Građa atomske jezgre.
Atom je najmanja čestica kemijskog elementa koja zadržava sva njegova svojstva. Po svojoj strukturi atom je složen sustav koji se sastoji od pozitivno nabijene jezgre vrlo male veličine (10 -13 cm) smještene u središtu atoma i negativno nabijenih elektrona koji rotiraju oko jezgre u različitim orbitama. Negativan naboj elektrona jednak je pozitivnom naboju jezgre, dok se općenito ispostavlja da je električki neutralna.
Atomske jezgre sastoje se od nukleoni - nuklearni protoni ( Z- broj protona) i nuklearnih neutrona (N – broj neutrona). "Nuklearni" protoni i neutroni razlikuju se od čestica u slobodnom stanju. Na primjer, slobodni neutron, za razliku od onog vezanog u jezgri, je nestabilan i pretvara se u proton i elektron.
Broj nukleona Am (maseni broj) je zbroj brojeva protona i neutrona: Am = Z+ N.
proton - elementarna čestica bilo kojeg atoma, ima pozitivan naboj, jednako naboju elektron. Broj elektrona u ljusci atoma određen je brojem protona u jezgri.
Neutron - druga vrsta nuklearnih čestica svih elemenata. Nema ga samo u jezgri lakog vodika, koja se sastoji od jednog protona. Nema naboja i električki je neutralan. U atomskoj jezgri neutroni su stabilni, ali u slobodnom stanju nestabilni. Broj neutrona u jezgri atoma istog elementa može fluktuirati, tako da broj neutrona u jezgri ne karakterizira element.
Nukleoni (protoni + neutroni) unutar atomske jezgre drže se nuklearnim privlačnim silama. Nuklearne sile 100 puta jače od elektromagnetskih sila i stoga drži slično nabijene protone unutar jezgre. Nuklearne sile se manifestiraju samo na vrlo malim udaljenostima (10 -13 cm), one čine potencijalnu energiju vezanja jezgre, koja se tijekom nekih transformacija djelomično oslobađa i prelazi u kinetičku energiju.
Za atome koji se razlikuju po sastavu jezgre koristi se naziv "nuklidi", a za radioaktivne atome - "radionuklidi".
Nuklidi nazivaju se atomi ili jezgre sa zadanim brojem nukleona i zadanim jezgrinim nabojem (oznaka nuklida A X).
Nuklidi koji imaju isti broj nukleona (Am = const) nazivaju se izobare. Na primjer, nuklidi 96 Sr, 96 Y, 96 Zr pripadaju nizu izobara s brojem nukleona Am = 96.
Nuklidi koji imaju isti broj protona (Z = const), nazivaju se izotopi. Razlikuju se samo po broju neutrona, pa pripadaju istom elementu: 234 U , 235 U, 236 U , 238U .
Izotopi- nuklidi s istim brojem neutrona (N = Am -Z = const). Nuklidi: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca pripadaju nizu izotopa s 20 neutrona.
Izotopi se obično označavaju u obliku Z X M, gdje je X simbol kemijskog elementa; M je maseni broj jednak zbroju broja protona i neutrona u jezgri; Z je atomski broj ili naboj jezgre, jednak broju protona u jezgri. Budući da svaki kemijski element ima svoj konstantni atomski broj, on se obično izostavlja i ograničava na pisanje samo masenog broja, na primjer: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr itd.
Atomi jezgre koji imaju iste masene brojeve, ali različite naboje i, prema tome, različita svojstva nazivaju se "izobare", na primjer, jedan od izotopa fosfora ima maseni broj od 32 - 15 P 32, jedan od izotopa sumpora ima isti maseni broj - 16 S 32.
Nuklidi mogu biti stabilni (ako su im jezgre stabilne i ne raspadaju se) i nestabilne (ako su im jezgre nestabilne i podliježu promjenama koje u konačnici dovode do povećanja stabilnosti jezgre). Nestabilne atomske jezgre koje se mogu spontano raspasti nazivaju se radionuklidi. Pojava spontanog raspada jezgre atoma, praćena emisijom čestica i (ili) elektromagnetskim zračenjem, naziva se radioaktivnost.
Kao rezultat radioaktivnog raspada može nastati i stabilan i radioaktivni izotop, koji se pak spontano raspada. Takvi lanci radioaktivnih elemenata povezani nizom nuklearnih transformacija nazivaju se radioaktivne obitelji.
Trenutno je IUPAC (Međunarodna unija čiste i primijenjene kemije) službeno imenovao 109 kemijski elementi. Od njih samo 81 ima stabilne izotope, od kojih je najteži bizmut (Z= 83). Za preostalih 28 elemenata poznati su samo radioaktivni izotopi, uz uran (U~ 92) je najteži element pronađen u prirodi. Najveći prirodni nuklid ima 238 nukleona. Ukupno je sada dokazano postojanje oko 1700 nuklida ovih 109 elemenata, a broj poznatih izotopa za pojedine elemente kreće se od 3 (za vodik) do 29 (za platinu).
