Sammensetningen av kjernen til et atom. Beregning av protoner og nøytroner
I følge moderne ideer Et atom består av en kjerne og elektroner rundt den. Kjernen til et atom består på sin side av mindre elementærpartikler - fra en viss mengde protoner og nøytroner(det vanlige navnet er nukleoner), sammenkoblet av kjernefysiske krefter.
Antall protoner i kjernen bestemmer strukturen til elektronskallet til atomet. Og elektronskallet bestemmer det fysiske Kjemiske egenskaper stoffer. Antall protoner tilsvarer serienummeret til et atom i Mendeleevs periodiske system av kjemiske elementer, også kalt ladningsnummer, atomnummer, atomnummer. For eksempel er antall protoner i et heliumatom 2. In periodiske tabell den står på nummer 2 og er betegnet som He 2. Symbolet for antall protoner er den latinske bokstaven Z. Når man skriver formler, er tallet som angir antall protoner ofte plassert under elementsymbolet, enten til høyre eller til venstre: He 2/2 He.
Antall nøytroner tilsvarer en bestemt isotop av et element. Isotoper er grunnstoffer med samme atomnummer (samme antall protoner og elektroner), men forskjellige massetall. Massenummer- det totale antallet nøytroner og protoner i kjernen til et atom (angitt med den latinske bokstaven A). Når du skriver formler, er massetallet angitt øverst på grunnstoffsymbolet på en av sidene: He 4 2 / 4 2 He (Helium isotop - Helium - 4)
For å finne ut antall nøytroner i en bestemt isotop, bør antallet protoner trekkes fra det totale massetallet. For eksempel vet vi at et Helium-4 He 4 2-atom inneholder 4 elementærpartikler, siden massenummeret til isotopen er 4. Samtidig vet vi at He 4 2 har 2 protoner. Trekker vi fra 4 (totalt massetall) 2 (antall protoner) får vi 2 - antall nøytroner i helium-4-kjernen.
PROSESSEN FOR BEREGNING AV ANTALL FANTOMISKE PO-PARTIKLER I ATOMENS KJERNER. Som et eksempel vurderte vi bevisst Helium-4 (He 4 2), hvis kjerne består av to protoner og to nøytroner. Siden Helium-4-kjernen, kalt alfa-partikkelen (α-partikkel), har størst effektivitet i kjernefysiske reaksjoner, brukes den ofte til eksperimenter i denne retningen. Det skal bemerkes at i formlene for kjernereaksjoner brukes symbolet α ofte i stedet for He 4 2 .
Det var med deltakelse av alfapartikler at E. Rutherford utførte den første offisiell historie fysikkreaksjon av kjernefysisk transformasjon. Under reaksjonen "bombarderte" α-partikler (He 4 2) kjernene til nitrogenisotopen (N 14 7), noe som resulterte i dannelsen av en oksygenisotop (O 17 8) og ett proton (p 1 1)
Denne kjernefysiske reaksjonen ser slik ut:
La oss beregne antall fantom Po-partikler før og etter denne transformasjonen.
FOR Å BEREGNE ANTALL FANTOMPARTIKLER VED DET ER NØDVENDIG:
Trinn 1. Regn ut antall nøytroner og protoner i hver kjerne:
- antall protoner er angitt i den nedre indikatoren;
- vi finner ut antall nøytroner ved å trekke antall protoner (nedre indikator) fra det totale massetallet (øvre indikator).
Trinn 2. Regn ut antall fantom Po-partikler i atomkjernen:
- multipliser antall protoner med antall fantom Po-partikler i 1 proton;
- multipliser antall nøytroner med antall fantom Po-partikler inneholdt i 1 nøytron;
Trinn 3. Legg til antall fantompartikler ved å:
- legg til den mottatte mengden fantom Po-partikler i protoner med den mottatte mengden i nøytroner i kjerner før reaksjonen;
- legg til den mottatte mengden fantom Po-partikler i protoner med den mottatte mengden i nøytroner i kjerner etter reaksjonen;
- sammenligne antall fantom Po-partikler før reaksjonen med antall fantom Po-partikler etter reaksjonen.
EKSEMPEL PÅ DETALJERT BEREGNING AV ANTALL FANTOMISKE PO-PARTIKLER I atomkjernen.
(Kjernereaksjon som involverer en a-partikkel (He 4 2), utført av E. Rutherford i 1919)
FØR REAKSJON (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Antall protoner: 7
Antall nøytroner: 14-7 = 7
i 1 proton - 12 Po, som betyr i 7 protoner: (12 x 7) \u003d 84;
i 1 nøytron - 33 Po, som betyr i 7 nøytroner: (33 x 7) = 231;
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 84+231 = 315
Han 4 2
Antall protoner - 2
Antall nøytroner 4-2 = 2
Antall fantompartikler etter:
i 1 proton - 12 Po, som betyr i 2 protoner: (12 x 2) \u003d 24
i 1 nøytron - 33 Po, som betyr i 2 nøytroner: (33 x 2) = 66
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 24+66 = 90
Totalt antall fantom Po-partikler før reaksjonen
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
ETTERREAKSJON (O 17 8) og ett proton (s. 1 1):
O 17 8
Antall protoner: 8
Antall nøytroner: 17-8 = 9
Antall fantompartikler etter:
i 1 proton - 12 Po, som betyr i 8 protoner: (12 x 8) \u003d 96
i 1 nøytron - 33 Po, som betyr i 9 nøytroner: (9 x 33) = 297
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 96+297 = 393
s 1 1
Antall protoner: 1
Antall nøytroner: 1-1=0
Antall fantompartikler etter:
I 1 proton - 12 Po
Det er ingen nøytroner.
Det totale antallet fantom Po-partikler i kjernen: 12
Totalt antall fantompartikler Po etter reaksjonen
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
La oss sammenligne antall fantom Po-partikler før og etter reaksjonen:
EKSEMPEL PÅ EN REDUSERT FORM FOR BEREGNING AV ANTALL FANTOMISKE PO-PARTIKLER I EN atomreaksjon.
En velkjent kjernereaksjon er reaksjonen av interaksjonen mellom α-partikler og en berylliumisotop, der nøytronet først ble oppdaget, som manifesterte seg som en uavhengig partikkel som et resultat av kjernefysisk transformasjon. Denne reaksjonen ble utført i 1932 av den engelske fysikeren James Chadwick. Reaksjonsformel:
213 + 90 → 270 + 33 - antall fantom Po-partikler i hver av kjernene
303 = 303 - total sum av fantom Po-partikler før og etter reaksjonen
Antall fantom Po-partikler før og etter reaksjonen er like.
Lenge før fremveksten av pålitelige data om den indre strukturen til alle ting, forestilte greske tenkere materie i form av de minste brennende partiklene som var i konstant bevegelse. Sannsynligvis ble denne visjonen om tingenes verdensorden avledet fra rent logiske konklusjoner. Til tross for noe naivitet og absolutt mangel på bevis for denne uttalelsen, viste det seg å være sant. Selv om forskere var i stand til å bekrefte en dristig gjetning bare tjuetre århundrer senere.
Strukturen til atomer
På slutten av 1800-tallet ble egenskapene til et utløpsrør som en strøm ble ført gjennom, undersøkt. Observasjoner har vist at to strømmer av partikler sendes ut:
De negative partiklene i katodestrålene ble kalt elektroner. Deretter ble det funnet partikler med samme ladning-til-masse-forhold i mange prosesser. Elektroner så ut til å være universelle bestanddeler av forskjellige atomer, ganske lett adskilt ved bombardement av ioner og atomer.
Partikler som bærer en positiv ladning ble representert av fragmenter av atomer etter at de mistet ett eller flere elektroner. Faktisk var de positive strålene grupper av atomer som var blottet for negative partikler, og derfor hadde en positiv ladning.
Thompson modell
På grunnlag av eksperimenter ble det funnet at positive og negative partikler representerte essensen av atomet, var dets bestanddeler. Den engelske vitenskapsmannen J. Thomson foreslo sin teori. Etter hans mening var strukturen til atomet og atomkjernen en slags masse der negative ladninger ble presset inn i en positivt ladet ball, som rosiner i en cupcake. Ladekompensasjon gjorde kaken elektrisk nøytral.
Rutherford modell
Den unge amerikanske forskeren Rutherford, som analyserte sporene etter alfapartikler, kom til den konklusjonen at Thompson-modellen er ufullkommen. Noen alfapartikler ble avbøyd av små vinkler - 5-10 o. I sjeldne tilfeller ble alfapartikler avbøyd gjennom store vinkler på 60-80 o , og i unntakstilfeller var vinklene svært store - 120-150 o . Thompsons modell av atomet kunne ikke forklare en slik forskjell.
Rutherford foreslår en ny modell som forklarer strukturen til atomet og atomkjernen. Fysikken til prosesser sier at et atom må være 99 % tomt, med en liten kjerne og elektroner som roterer rundt seg, som beveger seg i baner.
Han forklarer avvikene ved sammenstøt med at partiklene i atomet har sine egne elektriske ladninger. Under påvirkning av bombardering av ladede partikler atomiske elementer oppfører seg som vanlige ladede legemer i makrokosmos: partikler med samme ladninger frastøter hverandre, og med motsatte ladninger tiltrekker de seg.
Tilstanden til atomer
På begynnelsen av forrige århundre, da de første partikkelakseleratorene ble lansert, ventet alle teorier som forklarer strukturen til atomkjernen og selve atomet på eksperimentell verifisering. På den tiden var interaksjonene mellom alfa- og beta-stråler med atomer allerede blitt grundig studert. Fram til 1917 trodde man at atomer enten var stabile eller radioaktive. Stabile atomer kan ikke splittes, nedbrytningen av radioaktive kjerner kan ikke kontrolleres. Men Rutherford klarte å tilbakevise denne oppfatningen.
Første proton
I 1911 fremmet E. Rutherford ideen om at alle kjerner består av de samme grunnstoffene, og grunnlaget for dette er hydrogenatomet. Denne ideen ble foranlediget av en viktig konklusjon fra tidligere studier av materiens struktur: massene til alle kjemiske elementer er delt sporløst av massen av hydrogen. Den nye antagelsen åpnet for enestående muligheter, og tillot oss å se strukturen til atomkjernen på en ny måte. Kjernefysiske reaksjoner måtte bekrefte eller avkrefte den nye hypotesen.
Eksperimenter ble utført i 1919 med nitrogenatomer. Ved å bombardere dem med alfapartikler, oppnådde Rutherford et fantastisk resultat.
N-atomet absorberte alfapartikkelen, ble deretter til et oksygenatom O 17 og sendte ut en hydrogenkjerne. Dette var den første kunstige transformasjonen av et atom av ett grunnstoff til et annet. En slik opplevelse ga håp om at strukturen til atomkjernen, fysikken til eksisterende prosesser gjør det mulig å utføre andre kjernefysiske transformasjoner.
Forskeren brukte i sine eksperimenter metoden for scintillasjon - blinker. Fra blinkfrekvensen trakk han konklusjoner om sammensetningen og strukturen til atomkjernen, om egenskapene til partiklene som ble født, om deres atommasse og serienummer. Den ukjente partikkelen ble navngitt av Rutherford protonet. Den hadde alle egenskapene til et hydrogenatom strippet for sitt eneste elektron - en enkelt positiv ladning og en tilsvarende masse. Dermed ble det bevist at protonet og hydrogenkjernen er de samme partiklene.
I 1930, da de første store akseleratorene ble bygget og lansert, ble Rutherfords modell av atomet testet og bevist: hvert hydrogenatom består av et ensomt elektron, hvis posisjon ikke kan bestemmes, og et løst atom med et ensomt positivt proton inni. . Siden protoner, elektroner og alfapartikler kan fly ut av et atom når de bombarderes, trodde forskerne at de var bestanddelene i ethvert atoms kjerne. Men en slik modell av kjerneatomet virket ustabil - elektronene var for store til å passe inn i kjernen, i tillegg var det alvorlige vanskeligheter knyttet til brudd på loven om momentum og bevaring av energi. Disse to lovene sa, i likhet med strenge regnskapsførere, at farten og massen under bombardementet forsvinner i ukjent retning. Siden disse lovene var allment aksepterte, var det nødvendig å finne forklaringer på en slik lekkasje.
Nøytroner
Forskere over hele verden satte opp eksperimenter med sikte på å oppdage nye bestanddeler av atomkjernene. På 1930-tallet bombarderte de tyske fysikerne Becker og Bothe berylliumatomer med alfapartikler. I dette tilfellet ble det registrert en ukjent stråling, som det ble besluttet å kalle G-stråler. Detaljerte studier avslørte noen funksjoner ved de nye bjelkene: de kunne forplante seg strengt i en rett linje, samhandlet ikke med elektriske og magnetiske felt, hadde høy penetreringskraft. Senere ble partiklene som danner denne typen stråling funnet i samspillet mellom alfapartikler med andre elementer - bor, krom og andre.
Chadwicks hypotese
Så ga James Chadwick, en kollega og student av Rutherford, en kort rapport i magasinet Nature, som senere ble godt kjent. Chadwick trakk oppmerksomheten til det faktum at motsetningene i bevaringslovene lett kan løses hvis vi antar at den nye strålingen er en strøm av nøytrale partikler, som hver har en masse omtrent lik massen til et proton. Tatt i betraktning denne antagelsen, suppleret fysikere betydelig hypotesen som forklarer strukturen til atomkjernen. Kort fortalt ble essensen av tilleggene redusert til en ny partikkel og dens rolle i atomets struktur.
Egenskaper til nøytronet
Den oppdagede partikkelen fikk navnet "nøytron". De nyoppdagede partiklene dannet ikke elektromagnetiske felt rundt seg og passerte lett gjennom materie uten å miste energi. Ved sjeldne kollisjoner med lette atomkjerner er et nøytron i stand til å slå ut en kjerne fra et atom, samtidig som det mister en betydelig del av energien. Strukturen til atomkjernen antok tilstedeværelsen av et annet antall nøytroner i hvert stoff. Atomer med samme kjerneladning, men forskjellig antall nøytroner, kalles isotoper.
Nøytroner har fungert som en utmerket erstatning for alfapartikler. For tiden brukes de til å studere strukturen til atomkjernen. Kort fortalt kan deres betydning for vitenskapen ikke beskrives, men det var takket være bombardementet av atomkjerner av nøytroner at fysikere var i stand til å skaffe isotoper av nesten alle kjente grunnstoffer.
Sammensetningen av kjernen til et atom
For tiden er strukturen til atomkjernen en samling av protoner og nøytroner som holdes sammen av kjernekrefter. For eksempel er en heliumkjerne en klump av to nøytroner og to protoner. Lette grunnstoffer har nesten like mange protoner og nøytroner, mens tunge grunnstoffer har mye større antall nøytroner.
Dette bildet av strukturen til kjernen bekreftes av eksperimenter med moderne store akseleratorer med raske protoner. De elektriske frastøtningskreftene til protoner balanseres av kraftige krefter som bare virker i selve kjernen. Selv om arten av kjernefysiske krefter ennå ikke er fullt ut forstått, er deres eksistens praktisk talt bevist og forklarer fullt ut strukturen til atomkjernen.
Forholdet mellom masse og energi
I 1932 tok et skykammer et fantastisk fotografi som beviste eksistensen av positivt ladede partikler, med massen til et elektron.
Før dette ble positive elektroner teoretisk spådd av P. Dirac. Et ekte positivt elektron ble også oppdaget i kosmisk stråling. Den nye partikkelen ble kalt positron. Når den kolliderer med sin tvilling - et elektron, oppstår utslettelse - den gjensidige utslettelse av to partikler. Dette frigjør en viss mengde energi.
Dermed var teorien utviklet for makrokosmos fullt egnet for å beskrive oppførselen til de minste elementene i materie.
Ved å undersøke passasjen av en α-partikkel gjennom en tynn gullfolie (se avsnitt 6.2), kom E. Rutherford til den konklusjon at et atom består av en tung positivt ladet kjerne og elektroner som omgir den.
kjerne kalt sentrum av atomet,der nesten all massen til et atom og dets positive ladning er konsentrert.
I sammensetningen av atomkjernen inkluderer elementærpartikler : protoner Og nøytroner (nukleoner fra det latinske ordet cellekjernen- kjerne). En slik proton-nøytronmodell av kjernen ble foreslått av den sovjetiske fysikeren i 1932 D.D. Ivanenko. Protonet har en positiv ladning e + = 1,06 10 -19 C og en hvilemasse m p\u003d 1,673 10 -27 kg \u003d 1836 meg. nøytron ( n) er en nøytral partikkel med hvilemasse m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 meg(hvor massen til elektronet meg, er lik 0,91 10 -31 kg). På fig. 9.1 viser strukturen til heliumatomet i henhold til ideene fra slutten av XX - begynnelsen av XXI århundre.
Kjernelading er lik Ze, Hvor e er ladningen til protonet, Z- ladenummer lik serienummer kjemisk grunnstoff i Mendeleevs periodiske system av grunnstoffer, dvs. antall protoner i kjernen. Antall nøytroner i en kjerne er angitt N. Som oftest Z > N.
Kjerner med Z= 1 til Z = 107 – 118.
Antall nukleoner i kjernen EN = Z + N kalt massenummer . kjerner med det samme Z, men annerledes EN kalt isotoper. Kjerner, som samtidig EN har forskjellige Z, er kalt isobarer.
Kjernen er betegnet med samme symbol som det nøytrale atomet, hvor X er symbolet for et kjemisk grunnstoff. For eksempel: hydrogen Z= 1 har tre isotoper: – protium ( Z = 1, N= 0), er deuterium ( Z = 1, N= 1), – tritium ( Z = 1, N= 2), tinn har 10 isotoper, og så videre. I de aller fleste isotoper av samme kjemiske grunnstoff har de samme kjemiske og nære fysiske egenskaper. Totalt er det kjent rundt 300 stabile isotoper og mer enn 2000 naturlige og kunstig oppnådde. radioaktive isotoper.
Størrelsen på kjernen er preget av radiusen til kjernen, som har en betinget betydning på grunn av uskarpheten av kjernegrensen. Selv E. Rutherford, som analyserte sine eksperimenter, viste at størrelsen på kjernen er omtrent 10–15 m (størrelsen på et atom er 10–10 m). Det er en empirisk formel for å beregne kjerneradiusen:
| , | (9.1.1) |
Hvor R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. Av dette kan man se at volumet til kjernen er proporsjonalt med antall nukleoner.
Tettheten til kjernestoffet er i størrelsesorden 10 17 kg/m 3 og er konstant for alle kjerner. Det overskrider sterkt tettheten til de tetteste vanlige stoffene.
Protoner og nøytroner er fermioner, fordi har spinn ħ /2.
Kjernen til et atom har eget vinkelmomentum – kjernefysisk spinn :
 ,
|
(9.1.2) |
Hvor Jeg – innvendig(fullstendig)spinn kvantenummer.
Antall Jeg aksepterer heltalls- eller halvheltallsverdier 0, 1/2, 1, 3/2, 2 osv. Kjerner med til og med EN ha heltallsspinn(i enheter ħ ) og følg statistikken Bose–Einstein(bosoner). Kjerner med merkelig EN ha halvt heltallsspinn(i enheter ħ ) og følg statistikken Fermi–Dirac(de. kjerner er fermioner).
Kjernepartikler har sine egne magnetiske momenter, som bestemmer det magnetiske momentet til kjernen som helhet. Enheten for å måle de magnetiske momentene til kjernene er kjernemagneton μ gift:
| . | (9.1.3) |
Her e er den absolutte verdien av elektronladningen, m p er massen til protonet.
Kjernemagneton inn m p/meg= 1836,5 ganger mindre enn Bohr-magnetonet, derav følger det de magnetiske egenskapene til atomer bestemmes magnetiske egenskaper dets elektroner .
Det er et forhold mellom kjernens spinn og dens magnetiske øyeblikk:
| , | (9.1.4) |
hvor γ gift - kjernefysisk gyromagnetisk forhold.
Nøytronet har et negativt magnetisk moment μ n≈ – 1,913μ gift fordi retningen til nøytronspinnet og dets magnetiske moment er motsatt. Magnetisk øyeblikk proton er positivt og lik μ R≈ 2.793μ gift. Retningen sammenfaller med retningen til protonspinnet.
Fordelingen av den elektriske ladningen til protoner over kjernen i generell sak asymmetrisk. Målet for avviket til denne fordelingen fra sfærisk symmetrisk er quadrupol elektrisk moment av kjernen Q. Hvis ladningstettheten antas å være den samme overalt, da Q bestemmes kun av formen på kjernen. Så, for en revolusjonellipsoide
 ,
|
(9.1.5) |
Hvor b er halvaksen til ellipsoiden langs spinnretningen, EN- akse i vinkelrett retning. For en kjerne strukket i retningen av spinn, b > EN Og Q> 0. For en nucleus oblate i denne retningen, b < en Og Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = en Og Q= 0. Dette gjelder for kjerner med spinn lik 0 eller ħ /2.
For å se demoer, klikk på den aktuelle hyperlenken:
Et atom er den minste partikkelen i et kjemisk grunnstoff som beholder alle sine kjemiske egenskaper. Et atom består av en positivt ladet kjerne og negativt ladede elektroner. Ladningen til kjernen til ethvert kjemisk element er lik produktet av Z ved e, der Z er serienummeret til dette elementet i det periodiske systemet av kjemiske elementer, e er verdien av den elementære elektriske ladningen.
Elektron- dette er den minste partikkelen av et stoff med negativ elektrisk ladning e=1,6·10 -19 coulombs, tatt som en elementær elektrisk ladning. Elektroner, som roterer rundt kjernen, er plassert på elektronskallene K, L, M osv. K er skallet nærmest kjernen. Størrelsen på et atom bestemmes av størrelsen på elektronskallet. Et atom kan miste elektroner og bli et positivt ion, eller få elektroner og bli et negativt ion. Ladningen til et ion bestemmer antall elektroner som går tapt eller oppnådd. Prosessen med å gjøre et nøytralt atom til et ladet ion kalles ionisering.
atomkjernen(den sentrale delen av atomet) består av elementære kjernefysiske partikler - protoner og nøytroner. Radiusen til kjernen er omtrent hundre tusen ganger mindre enn radiusen til atomet. Tettheten til atomkjernen er ekstremt høy. Protoner– Dette er stabile elementarpartikler som har en enhet positiv elektrisk ladning og en masse 1836 ganger større enn massen til et elektron. Protonet er kjernen til det letteste grunnstoffet, hydrogen. Antall protoner i kjernen er Z. Nøytron er nøytral (uten elektrisk ladning) elementær partikkel med en masse som er veldig nær den til et proton. Siden massen til kjernen er summen av massen av protoner og nøytroner, er antallet nøytroner i kjernen til et atom A - Z, hvor A er massetallet til en gitt isotop (se). Protonet og nøytronet som utgjør kjernen kalles nukleoner. I kjernen er nukleoner bundet av spesielle kjernekrefter.
Atomkjernen har et enormt energilager, som frigjøres under kjernefysiske reaksjoner. Kjernereaksjoner oppstår når atomkjerner samhandler med elementære partikler eller med kjernene til andre elementer. Som et resultat av kjernefysiske reaksjoner dannes nye kjerner. For eksempel kan et nøytron forvandles til et proton. I dette tilfellet blir en beta-partikkel, det vil si et elektron, kastet ut fra kjernen.
Overgangen i kjernen til et proton til et nøytron kan utføres på to måter: enten sendes en partikkel med masse lik massen til et elektron, men med positiv ladning, kalt positron (positronforfall), ut fra kjernen, eller kjernen fanger et av elektronene fra nærmeste K-skall (K -fangst).
Noen ganger har den dannede kjernen et overskudd av energi (den er i en opphisset tilstand) og, som går over i normal tilstand, frigjør overflødig energi i form av elektromagnetisk stråling med en veldig kort bølgelengde -. Energien som frigjøres under kjernefysiske reaksjoner brukes praktisk talt i ulike industrier.
Et atom (gresk atomos - udelelig) er den minste partikkelen i et kjemisk grunnstoff som har sine kjemiske egenskaper. Hvert element er bygd opp av visse typer atomer. Strukturen til et atom inkluderer kjernen som bærer en positiv elektrisk ladning, og negativt ladede elektroner (se), og danner dets elektroniske skall. Verdien av den elektriske ladningen til kjernen er lik Z-e, der e er den elementære elektriske ladningen, lik i størrelse med ladningen til elektronet (4,8 10 -10 e.-st. enheter), og Z er atomnummeret av dette grunnstoffet i det periodiske systemet av kjemiske elementer (se .). Siden et ikke-ionisert atom er nøytralt, er antallet elektroner inkludert i det også lik Z. Sammensetningen av kjernen (se. Atomkjernen) inkluderer nukleoner, elementærpartikler med en masse som er omtrent 1840 ganger større enn massen til en elektron (lik 9,1 10 - 28 g), protoner (se), positivt ladede og ladningsløse nøytroner (se). Antall nukleoner i kjernen kalles massetallet og er betegnet med bokstaven A. Antall protoner i kjernen, lik Z, bestemmer antall elektroner som kommer inn i atomet, strukturen til elektronskjellene og kjemikaliet egenskapene til atomet. Antall nøytroner i kjernen er A-Z. Isotoper kalles varianter av samme grunnstoff, hvis atomer skiller seg fra hverandre i massenummer A, men har samme Z. I kjernene av atomer av forskjellige isotoper av ett element er det således et annet antall nøytroner med samme antall protoner. Ved utpeking av isotoper skrives massetallet A øverst på grunnstoffsymbolet, og atomnummeret nederst; for eksempel er isotoper av oksygen betegnet: 
Dimensjonene til et atom bestemmes av dimensjonene til elektronskallene og for alle er Z ca 10 -8 cm Siden massen til alle elektronene i atomet er flere tusen ganger mindre enn massen til kjernen, vil massen av atomet er proporsjonalt med massetallet. Den relative massen til et atom i en gitt isotop bestemmes i forhold til massen til et atom i karbonisotopen C 12, tatt som 12 enheter, og kalles isotopmassen. Det viser seg å være nær massetallet til den tilsvarende isotopen. Den relative vekten til et atom til et kjemisk grunnstoff er gjennomsnittsverdien (med tanke på den relative overfloden av isotopene til et gitt element) av isotopvekten og kalles atomvekten (massen).
Atomet er et mikroskopisk system, og dets struktur og egenskaper kan bare forklares ved hjelp av kvanteteori, skapt hovedsakelig på 20-tallet av 1900-tallet og designet for å beskrive fenomener i atomskala. Eksperimenter har vist at mikropartikler – elektroner, protoner, atomer osv. – i tillegg til korpuskulære, har bølgeegenskaper som viser seg i diffraksjon og interferens. I kvanteteorien brukes et bestemt bølgefelt preget av en bølgefunksjon (Ψ-funksjon) for å beskrive tilstanden til mikroobjekter. Denne funksjonen bestemmer sannsynlighetene for mulige tilstander til et mikroobjekt, det vil si at den karakteriserer de potensielle mulighetene for manifestasjon av en eller annen av dens egenskaper. Variasjonsloven til funksjonen Ψ i rom og tid (Schrödinger-ligningen), som gjør det mulig å finne denne funksjonen, spiller samme rolle i kvanteteorien som Newtons bevegelseslover i klassisk mekanikk. Løsningen av Schrödinger-ligningen fører i mange tilfeller til diskrete mulige tilstander i systemet. Så, for eksempel, når det gjelder et atom, serien bølgefunksjoner for elektroner som tilsvarer forskjellige (kvantiserte) energiverdier. Systemet med energinivåer til atomet, beregnet ved kvanteteoriens metoder, har fått strålende bekreftelse i spektroskopi. Overgangen til et atom fra grunntilstanden som tilsvarer det laveste energinivået E 0 til en hvilken som helst av de eksiterte tilstandene E i skjer når en viss del av energien E i - E 0 absorberes. Et eksitert atom går inn i en mindre eksitert eller grunntilstand, vanligvis med emisjon av et foton. I dette tilfellet er fotonenergien hv lik forskjellen mellom energiene til et atom i to tilstander: hv= E i - E k hvor h er Plancks konstant (6,62·10 -27 erg·sek), v er frekvensen av lys.
I tillegg til atomspektre, kvanteteori lov til å forklare andre egenskaper ved atomer. Spesielt valensen, naturen kjemisk forbindelse og strukturen til molekyler, ble det laget en teori periodisk system elementer.
Et trekk ved radioaktiv forurensning, i motsetning til forurensning fra andre forurensninger, er at det ikke er radionuklidet (forurensningen) i seg selv som har en skadelig effekt på mennesker og miljøgjenstander, men strålingen, kilden til den er.
Imidlertid er det tilfeller når et radionuklid er et giftig element. For eksempel etter ulykken ved atomkraftverket i Tsjernobyl i miljø plutonium 239, 242 Pu ble kastet ut med partikler av kjernebrensel. I tillegg til at plutonium er en alfa-emitter og utgjør en betydelig fare når det kommer inn i kroppen, er plutonium i seg selv et giftig grunnstoff.
Av denne grunn brukes to grupper av kvantitative indikatorer: 1) for å vurdere innholdet av radionuklider og 2) for å vurdere effekten av stråling på et objekt.
Aktivitet- et kvantitativt mål på innholdet av radionuklider i det analyserte objektet. Aktivitet bestemmes av antall radioaktive henfall av atomer per tidsenhet. SI-enheten for aktivitet er Becquerel (Bq) lik en desintegrasjon per sekund (1Bq = 1 henfall/s). Noen ganger brukes en aktivitetsmåleenhet utenfor systemet - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.
Stråledose er et kvantitativt mål på virkningen av stråling på et objekt.
På grunn av at effekten av stråling på et objekt kan vurderes på ulike nivåer: fysisk, kjemisk, biologisk; på nivå med individuelle molekyler, celler, vev eller organismer, etc., brukes flere typer doser: absorbert, effektiv ekvivalent, eksponering.
For å vurdere endringen i stråledosen over tid, brukes indikatoren "doserate". Dosehastighet er forholdet mellom dose og tid. For eksempel er doseraten for ekstern eksponering fra naturlige strålingskilder i Russland 4-20 μR/t.
Hovedstandarden for mennesker - hoveddosegrensen (1 mSv / år) - introduseres i enheter av den effektive ekvivalentdosen. Det er standarder i aktivitetsenheter, nivåer av landforurensning, VDU, GWP, SanPiN, etc.
Strukturen til atomkjernen.
Et atom er den minste partikkelen i et kjemisk grunnstoff som beholder alle sine egenskaper. I sin struktur er et atom et komplekst system som består av en positivt ladet kjerne av svært liten størrelse (10 -13 cm) plassert i sentrum av atomet og negativt ladede elektroner som roterer rundt kjernen i forskjellige baner. Den negative ladningen til elektronene er lik den positive ladningen til kjernen, mens den generelt viser seg å være elektrisk nøytral.
Atomkjerner er bygd opp av nukleoner - kjernefysiske protoner ( Z- antall protoner) og kjernefysiske nøytroner (N er antall nøytroner). "Nukleære" protoner og nøytroner skiller seg fra partikler i fri tilstand. For eksempel er et fritt nøytron, i motsetning til et bundet i en kjerne, ustabilt og blir til et proton og et elektron.
Antall nukleoner Am (massetall) er summen av antall protoner og nøytroner: Am = Z + N.
Proton - elementærpartikkel av ethvert atom, den har en positiv ladning, lik ladningen elektron. Antall elektroner i skallet til et atom bestemmes av antall protoner i kjernen.
nøytron - en annen type kjernefysiske partikler av alle grunnstoffer. Det er bare fraværende i kjernen av lett hydrogen, som består av ett proton. Den har ingen ladning og er elektrisk nøytral. I atomkjernen er nøytroner stabile, mens de i fri tilstand er ustabile. Antall nøytroner i kjernene til atomer av samme grunnstoff kan svinge, så antallet nøytroner i kjernen karakteriserer ikke grunnstoffet.
Nukleoner (protoner + nøytroner) holdes inne i atomkjernen av kjernefysiske tiltrekningskrefter. kjernefysiske styrker 100 ganger sterkere enn elektromagnetiske krefter og holder derfor like-ladede protoner inne i kjernen. Kjernekrefter manifesterer seg bare på svært små avstander (10 -13 cm), de utgjør den potensielle bindingsenergien til kjernen, som delvis frigjøres under noen transformasjoner og går over i kinetisk energi.
For atomer som er forskjellige i sammensetningen av kjernen, brukes navnet "nuklider", og for radioaktive atomer - "radionuklider".
Nuklider kalle atomer eller kjerner med et gitt antall nukleoner og en gitt ladning av kjernen (nuklidbetegnelse A X).
Nuklider som har samme antall nukleoner (Am = const) kalles isobarer. For eksempel tilhører nuklidene 96 Sr, 96 Y, 96 Zr serien av isobarer med antall nukleoner Am = 96.
Nuklider som har samme antall protoner (Z= const) kalles isotoper. De skiller seg bare i antall nøytroner, derfor tilhører de samme element: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .
isotoper- nuklider med samme antall nøytroner (N = Am -Z = const). Nuklider: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca tilhører isotopserien med 20 nøytroner.
Isotoper er vanligvis betegnet som Z X M, hvor X er symbolet på et kjemisk grunnstoff; M er massetallet lik summen av antall protoner og nøytroner i kjernen; Z er atomnummeret eller ladningen til kjernen, lik antall protoner i kjernen. Siden hvert kjemisk element har sitt eget permanente atomnummer, er det vanligvis utelatt og begrenset til å skrive bare massetallet, for eksempel: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr, etc.
Atomer i kjernen som har samme massetall, men forskjellige ladninger og følgelig forskjellige egenskaper kalles "isobarer", for eksempel har en av fosforisotopene et massetall på 32 - 15 P 32, en av svovelisotopene har samme massenummer - 16 S 32 .
Nuklider kan være stabile (hvis kjernene deres er stabile og ikke forfaller) eller ustabile (hvis kjernene deres er ustabile og gjennomgår endringer som til slutt øker stabiliteten til kjernen). Ustabile atomkjerner som spontant kan forfalle kalles radionuklider. Fenomenet spontant forfall av kjernen til et atom, ledsaget av utslipp av partikler og (eller) elektromagnetisk stråling, kalles radioaktivitet.
Som et resultat av radioaktivt forfall kan det dannes både en stabil og en radioaktiv isotop, som i sin tur går spontant ned. Slike kjeder av radioaktive elementer forbundet med en rekke kjernefysiske transformasjoner kalles radioaktive familier.
For tiden har IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) offisielt gitt navnet til 109 kjemiske elementer. Av disse har bare 81 stabile isotoper, hvorav den tyngste er vismut. (Z= 83). For de resterende 28 grunnstoffene er kun radioaktive isotoper kjent, med uran (u~ 92) er det tyngste elementet som finnes i naturen. Den største av de naturlige nuklidene har 238 nukleoner. Totalt er eksistensen av rundt 1700 nuklider av disse 109 grunnstoffene nå bevist, med antall isotoper kjent for individuelle grunnstoffer fra 3 (for hydrogen) til 29 (for platina).
