Sammansättningen av en atoms kärna. Beräkning av protoner och neutroner
Enligt moderna idéer En atom består av en kärna och elektroner runt den. En atoms kärna består i sin tur av mindre elementarpartiklar - från en viss mängd protoner och neutroner(det vanliga namnet för vilket är nukleoner), sammankopplade av kärnkrafter.
Antal protoner i kärnan bestämmer strukturen hos atomens elektronskal. Och elektronskalet bestämmer det fysiska Kemiska egenskaperämnen. Antalet protoner motsvarar serienumret på en atom i Mendelejevs periodiska system av kemiska grundämnen, även kallat laddningsnummer, atomnummer, atomnummer. Till exempel är antalet protoner i en heliumatom 2. In periodiska systemet den står på nummer 2 och betecknas som He 2. Symbolen för antalet protoner är den latinska bokstaven Z. När man skriver formler är siffran som anger antalet protoner ofta placerad under elementsymbolen, antingen till höger eller till vänster: He 2/2 He.
Antal neutroner motsvarar en viss isotop av ett grundämne. Isotoper är grundämnen med samma atomnummer (samma antal protoner och elektroner) men olika massatal. Massnummer- det totala antalet neutroner och protoner i en atoms kärna (betecknas med den latinska bokstaven A). När du skriver formler anges massnumret överst på elementsymbolen på en av sidorna: He 4 2 / 4 2 He (Heliumisotop - Helium - 4)
Således, för att ta reda på antalet neutroner i en viss isotop, bör antalet protoner subtraheras från det totala masstalet. Till exempel vet vi att en Helium-4 He 4 2-atom innehåller 4 elementarpartiklar, eftersom isotopens massnummer är 4. Samtidigt vet vi att He 4 2 har 2 protoner. Subtraherar vi från 4 (totalt massatal) 2 (antal protoner) får vi 2 - antalet neutroner i kärnan i Helium-4.
PROCESSEN FÖR BERÄKNING AV ANTALET FANTOMISKA PO-PARTIKLAR I ATOMENS KÄRN. Som ett exempel betraktade vi medvetet Helium-4 (He 4 2), vars kärna består av två protoner och två neutroner. Eftersom Helium-4-kärnan, kallad alfapartikeln (α-partikel), har störst effektivitet i kärnreaktioner, används det ofta för experiment i denna riktning. Det bör noteras att i formlerna för kärnreaktioner används ofta symbolen α istället för He 4 2 .
Det var med deltagande av alfapartiklar som E. Rutherford utförde den första officiella historia fysikreaktion av kärnomvandling. Under reaktionen "bombarderade" α-partiklar (He 4 2) kärnorna i kväveisotopen (N 14 7), vilket resulterade i bildandet av en syreisotop (O 17 8) och en proton (p 1 1)
Denna kärnreaktion ser ut så här:
Låt oss beräkna antalet fantom Po-partiklar före och efter denna transformation.
FÖR ATT BERÄKNA ANTALET FANTOMPARTIKLAR MED DET ÄR NÖDVÄNDIGT:
Steg 1. Beräkna antalet neutroner och protoner i varje kärna:
- antalet protoner anges i den nedre indikatorn;
- vi tar reda på antalet neutroner genom att subtrahera antalet protoner (nedre indikatorn) från det totala masstalet (övre indikatorn).
Steg 2. Beräkna antalet fantom Po-partiklar i atomkärnan:
- multiplicera antalet protoner med antalet fantom Po-partiklar som finns i 1 proton;
- multiplicera antalet neutroner med antalet fantom Po-partiklar som finns i 1 neutron;
Steg 3. Lägg till antalet fantompartiklar genom att:
- Lägg till den mottagna mängden fantom Po-partiklar i protoner med den mottagna mängden i neutroner i kärnor före reaktionen;
- tillsätt den mottagna mängden fantom Po-partiklar i protoner med den mottagna mängden i neutroner i kärnor efter reaktionen;
- jämföra antalet fantom Po-partiklar före reaktionen med antalet fantom Po-partiklar efter reaktionen.
EXEMPEL PÅ DEN DETALJERADE BERÄKNINGEN AV ANTALET FANTOMISKA PO-PARTIKLAR I ATOMKÄRNAN.
(Kärnreaktion som involverar en a-partikel (He 4 2), utförd av E. Rutherford 1919)
FÖRE REAKTION (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Antal protoner: 7
Antal neutroner: 14-7 = 7
i 1 proton - 12 Po, vilket betyder i 7 protoner: (12 x 7) \u003d 84;
i 1 neutron - 33 Po, vilket betyder i 7 neutroner: (33 x 7) = 231;
Totalt antal fantom Po-partiklar i kärnan: 84+231 = 315
Han 4 2
Antal protoner - 2
Antal neutroner 4-2 = 2
Antal fantompartiklar efter:
i 1 proton - 12 Po, vilket betyder i 2 protoner: (12 x 2) \u003d 24
i 1 neutron - 33 Po, vilket betyder i 2 neutroner: (33 x 2) = 66
Totalt antal fantom Po-partiklar i kärnan: 24+66 = 90
Totalt antal fantom Po-partiklar före reaktionen
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
EFTERREAKTION (O 17 8) och en proton (p 1 1):
O 17 8
Antal protoner: 8
Antal neutroner: 17-8 = 9
Antal fantompartiklar efter:
i 1 proton - 12 Po, vilket betyder i 8 protoner: (12 x 8) \u003d 96
i 1 neutron - 33 Po, vilket betyder i 9 neutroner: (9 x 33) = 297
Totalt antal fantom Po-partiklar i kärnan: 96+297 = 393
p 1 1
Antal protoner: 1
Antal neutroner: 1-1=0
Antal fantompartiklar efter:
I 1 proton - 12 Po
Det finns inga neutroner.
Det totala antalet fantom Po-partiklar i kärnan: 12
Totalt antal fantompartiklar Po efter reaktionen
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Låt oss jämföra antalet fantom Po-partiklar före och efter reaktionen:
EXEMPEL PÅ EN MINSKAD FORM AV BERÄKNING AV ANTALET FANTOMISKA PO-PARTIKLAR I EN KÄRNREAKTION.
En välkänd kärnreaktion är reaktionen mellan α-partiklars interaktion med en berylliumisotop, där neutronen först upptäcktes, som manifesterade sig som en oberoende partikel som ett resultat av kärnomvandling. Denna reaktion utfördes 1932 av den engelske fysikern James Chadwick. Reaktionsformel:
213 + 90 → 270 + 33 - antalet fantom Po-partiklar i var och en av kärnorna
303 = 303 - total summa av fantom-Po-partiklar före och efter reaktionen
Antalet fantom Po-partiklar före och efter reaktionen är lika.
Långt före uppkomsten av tillförlitliga data om alla tings inre struktur föreställde sig grekiska tänkare materia i form av de minsta eldiga partiklarna som var i konstant rörelse. Förmodligen härleddes denna vision av tingens världsordning från rent logiska slutsatser. Trots viss naivitet och absolut brist på bevis för detta uttalande visade det sig vara sant. Även om forskare kunde bekräfta en djärv gissning bara tjugotre århundraden senare.
Atomernas struktur
I slutet av 1800-talet undersöktes egenskaperna hos ett urladdningsrör genom vilket en ström fördes. Observationer har visat att två strömmar av partiklar emitteras:
Katodstrålarnas negativa partiklar kallades elektroner. Därefter hittades partiklar med samma laddning-till-massa-förhållande i många processer. Elektroner verkade vara universella beståndsdelar av olika atomer, ganska lätt att separera genom bombardemang av joner och atomer.
Partiklar som bär en positiv laddning representerades av fragment av atomer efter att de förlorat en eller flera elektroner. Faktum är att de positiva strålarna var grupper av atomer som saknade negativa partiklar och därför hade en positiv laddning.
Thompson modell
På basis av experiment fann man att positiva och negativa partiklar representerade atomens väsen, var dess beståndsdelar. Den engelske vetenskapsmannen J. Thomson föreslog sin teori. Enligt honom, strukturen av atomen och atomkärnan var en massa negativa laddningar som trängdes ihop i en positivt laddad boll som russin i en kaka. Laddningskompensation gjorde kakan elektriskt neutral.
Rutherford modell
Den unge amerikanske vetenskapsmannen Rutherford, som analyserade spåren efter alfapartiklar, kom till slutsatsen att Thompson-modellen är ofullkomlig. Vissa alfapartiklar avböjdes av små vinklar - 5-10 o . I sällsynta fall avböjdes alfapartiklar i stora vinklar på 60-80 o , och i undantagsfall var vinklarna mycket stora - 120-150 o . Thompsons modell av atomen kunde inte förklara en sådan skillnad.
Rutherford föreslår en ny modell som förklarar strukturen av atomen och atomkärnan. Processernas fysik säger att en atom måste vara 99% tom, med en liten kärna och elektroner som kretsar runt den, som rör sig i omloppsbanor.
Han förklarar avvikelserna vid nedslag med att atomens partiklar har sina egna elektriska laddningar. Under påverkan av att bombardera laddade partiklar beter sig atomära element som vanliga laddade kroppar i makrokosmos: partiklar med samma laddningar stöter bort varandra, och med motsatta laddningar attraherar de.
Atomernas tillstånd
I början av förra seklet, när de första partikelacceleratorerna lanserades, väntade alla teorier som förklarade atomkärnans struktur och själva atomen på experimentell verifiering. Vid den tiden hade växelverkan mellan alfa- och beta-strålar med atomer redan studerats grundligt. Fram till 1917 trodde man att atomer var antingen stabila eller radioaktiva. Stabila atomer kan inte delas, sönderfallet av radioaktiva kärnor kan inte kontrolleras. Men Rutherford lyckades motbevisa denna åsikt.
Första protonen
1911 lade E. Rutherford fram idén att alla kärnor består av samma grundämnen, vars grund är väteatomen. Denna idé föranleddes av en viktig slutsats från tidigare studier av materiens struktur: massorna av alla kemiska element delas spårlöst av massan av väte. Det nya antagandet öppnade för oöverträffade möjligheter, vilket gjorde det möjligt för oss att se strukturen av atomkärnan på ett nytt sätt. Kärnreaktioner var tvungna att bekräfta eller motbevisa den nya hypotesen.
Experiment utfördes 1919 med kväveatomer. Genom att bombardera dem med alfapartiklar uppnådde Rutherford ett fantastiskt resultat.
N-atomen absorberade alfapartikeln, förvandlades sedan till en syreatom O 17 och avgav en vätekärna. Detta var den första konstgjorda omvandlingen av en atom av ett grundämne till ett annat. En sådan erfarenhet gav hopp om att strukturen hos atomkärnan, fysiken i befintliga processer gör det möjligt att utföra andra kärnomvandlingar.
Forskaren använde i sina experiment metoden för scintillation - blixtar. Från frekvensen av blixtar drog han slutsatser om sammansättningen och strukturen av atomkärnan, om egenskaperna hos de födda partiklarna, om deras atommassa och serienummer. Den okända partikeln namngavs av Rutherford protonen. Den hade alla egenskaper hos en väteatom avskalad från sin enda elektron - en enda positiv laddning och en motsvarande massa. Således bevisades det att protonen och kärnan av väte är samma partiklar.
1930, när de första stora acceleratorerna byggdes och lanserades, testades och bevisades Rutherfords modell av atomen: varje väteatom består av en ensam elektron, vars position inte kan bestämmas, och en lös atom med en ensam positiv proton inuti . Eftersom protoner, elektroner och alfapartiklar kan flyga ut ur en atom när de bombarderas, trodde forskare att de var beståndsdelarna i någon atoms kärna. Men en sådan modell av kärnatomen verkade instabil - elektronerna var för stora för att passa in i kärnan, dessutom fanns det allvarliga svårigheter förknippade med brott mot lagen om momentum och bevarande av energi. Dessa två lagar, liksom strikta revisorer, sa att farten och massan under bombardementet försvinner i en okänd riktning. Eftersom dessa lagar var allmänt accepterade var det nödvändigt att hitta förklaringar till en sådan läcka.
Neutroner
Forskare runt om i världen satte upp experiment som syftade till att upptäcka nya beståndsdelar i atomernas kärnor. På 1930-talet bombarderade de tyska fysikerna Becker och Bothe berylliumatomer med alfapartiklar. I det här fallet registrerades en okänd strålning som man beslöt att kalla G-strålar. Detaljerade studier avslöjade några egenskaper hos de nya strålarna: de kunde fortplanta sig strikt i en rak linje, interagerade inte med elektriska och magnetiska fält, hade en hög penetrerande kraft. Senare hittades partiklarna som bildar denna typ av strålning i interaktionen av alfapartiklar med andra element - bor, krom och andra.
Chadwicks hypotes
Sedan gav James Chadwick, en kollega och student till Rutherford, en kort rapport i tidningen Nature, som senare blev välkänd. Chadwick uppmärksammade det faktum att motsättningarna i bevarandelagarna lätt kan lösas om vi antar att den nya strålningen är en ström av neutrala partiklar, som var och en har en massa som är ungefär lika med massan av en proton. Med tanke på detta antagande kompletterade fysiker avsevärt hypotesen som förklarar atomkärnans struktur. Kortfattat reducerades essensen av tilläggen till en ny partikel och dess roll i atomens struktur.
Neutronens egenskaper
Den upptäckta partikeln fick namnet "neutron". De nyupptäckta partiklarna bildade inga elektromagnetiska fält runt sig och passerade lätt genom materia utan att förlora energi. Vid sällsynta kollisioner med lätta atomkärnor kan neutronen slå ut kärnan från atomen och förlora en betydande del av sin energi. Atomkärnans struktur antog närvaron av olika antal neutroner i varje ämne. Atomer med samma kärnladdning men olika antal neutroner kallas isotoper.
Neutroner har fungerat som en utmärkt ersättning för alfapartiklar. För närvarande används de för att studera strukturen av atomkärnan. Kortfattat kan deras betydelse för vetenskapen inte beskrivas, men det var tack vare bombarderingen av atomkärnor av neutroner som fysiker kunde erhålla isotoper av nästan alla kända grundämnen.
Sammansättningen av en atoms kärna
För närvarande är strukturen av atomkärnan en samling protoner och neutroner som hålls samman av kärnkrafter. Till exempel är en heliumkärna en klump av två neutroner och två protoner. Lätta grundämnen har nästan lika många protoner och neutroner, medan tunga grundämnen har ett mycket större antal neutroner.
Denna bild av kärnans struktur bekräftas av experiment med moderna stora acceleratorer med snabba protoner. Protonernas elektriska avstötningskrafter balanseras av kraftiga krafter som endast verkar i själva kärnan. Även om kärnkrafternas natur ännu inte är helt klarlagd, är deras existens praktiskt taget bevisad och förklarar till fullo strukturen av atomkärnan.
Samband mellan massa och energi
1932 tog en molnkammare ett fantastiskt fotografi som bevisade förekomsten av positivt laddade partiklar, med massan av en elektron.
Dessförinnan förutspåddes positiva elektroner teoretiskt av P. Dirac. En riktig positiv elektron upptäcktes också i kosmisk strålning. Den nya partikeln kallades positronen. När den kolliderar med sin tvilling - en elektron, uppstår förintelse - den ömsesidiga förintelsen av två partiklar. Detta frigör en viss mängd energi.
Således var teorin som utvecklades för makrokosmos fullt lämpad för att beskriva beteendet hos de minsta elementen i materien.
När E. Rutherford undersökte passagen av en α-partikel genom en tunn guldfolie (se avsnitt 6.2), kom E. Rutherford till slutsatsen att en atom består av en tung positivt laddad kärna och elektroner som omger den.
kärna kallas atomens centrum,där nästan all massa av en atom och dess positiva laddning är koncentrerad.
I sammansättningen av atomkärnan inkluderar elementarpartiklar : protoner Och neutroner (nukleoner från det latinska ordet kärna- kärna). En sådan proton-neutronmodell av kärnan föreslogs av den sovjetiske fysikern 1932 D.D. Ivanenko. Protonen har en positiv laddning e + = 1,06 10 -19 C och en vilomassa m sid\u003d 1,673 10 -27 kg \u003d 1836 mig. Neutron ( n) är en neutral partikel med vilomassa m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 mig(där elektronens massa mig, är lika med 0,91 10 -31 kg). På fig. 9.1 visar strukturen för heliumatomen enligt idéerna från slutet av XX - början av XXI-talet.
Kärnladdning lika Ze, Var eär protonens laddning, Z- avgiftsnummer lika med serienummer kemiskt grundämne i Mendelejevs periodiska system av grundämnen, dvs. antalet protoner i kärnan. Antalet neutroner i en kärna betecknas N. Vanligtvis Z > N.
Kärnor med Z= 1 till Z = 107 – 118.
Antal nukleoner i kärnan A = Z + N kallad massnummer . kärnor med detsamma Z, men annorlunda A kallad isotoper. Kärnor, som samtidigt A har olika Z, kallas isobarer.
Kärnan betecknas med samma symbol som den neutrala atomen, där Xär symbolen för ett kemiskt grundämne. Till exempel: väte Z= 1 har tre isotoper: – protium ( Z = 1, N= 0), är deuterium ( Z = 1, N= 1), – tritium ( Z = 1, N= 2), tenn har 10 isotoper, och så vidare. I de allra flesta isotoper av samma kemiska grundämne har de samma kemiska och nära fysikaliska egenskaper. Totalt är cirka 300 stabila isotoper och mer än 2000 naturliga och artificiellt erhållna kända. radioaktiva isotoper.
Storleken på kärnan kännetecknas av kärnans radie, som har en villkorlig betydelse på grund av att kärnans gräns är suddig. Till och med E. Rutherford, som analyserade sina experiment, visade att storleken på kärnan är cirka 10–15 m (storleken på en atom är 10–10 m). Det finns en empirisk formel för att beräkna kärnradien:
| , | (9.1.1) |
Var R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. Av detta kan man se att kärnans volym är proportionell mot antalet nukleoner.
Densiteten av kärnämnet är i storleksordningen 10 17 kg/m 3 och är konstant för alla kärnor. Det överstiger avsevärt densiteten för de tätaste vanliga ämnena.
Protoner och neutroner är fermioner, därför att har snurr ħ /2.
Kärnan i en atom har eget rörelsemängd – kärnkraftssnurr :
 ,
|
(9.1.2) |
Var jag – inre(komplett)spin kvantnummer.
siffra jag accepterar heltals- eller halvheltalsvärden 0, 1/2, 1, 3/2, 2, etc. Kärnor med även A ha heltalssnurr(i enheter ħ ) och följ statistiken Bose–Einstein(bosoner). Kärnor med udda A ha halvt heltals spin(i enheter ħ ) och följ statistiken Fermi–Dirac(de där. kärnor är fermioner).
Kärnpartiklar har sina egna magnetiska moment, som bestämmer det magnetiska momentet för kärnan som helhet. Enheten för att mäta kärnornas magnetiska moment är kärnmagneton μ gift:
| . | (9.1.3) |
Här eär det absoluta värdet av elektronladdningen, m sidär protonens massa.
Kärnmagnet i m sid/mig= 1836,5 gånger mindre än Bohr-magneten, därav följer det atomernas magnetiska egenskaper bestäms magnetiska egenskaper dess elektroner .
Det finns ett samband mellan kärnans spinn och dess magnetiska moment:
| , | (9.1.4) |
där γ gift - kärngyromagnetiskt förhållande.
Neutronen har ett negativt magnetiskt moment μ n≈ – 1,913μ gift eftersom neutronspinnets riktning och dess magnetiska moment är motsatta. Magnetiskt ögonblick protonen är positiv och lika med μ R≈ 2.793μ gift. Dess riktning sammanfaller med riktningen för protonspinnet.
Fördelningen av den elektriska laddningen av protoner över kärnan i allmänt fall asymmetriskt. Måttet på avvikelsen för denna fördelning från sfäriskt symmetrisk är kärnans fyrpoliga elektriska moment F. Om laddningstätheten antas vara densamma överallt, då F bestäms endast av kärnans form. Så, för en ellipsoid av revolution
 ,
|
(9.1.5) |
Var bär ellipsoidens halvaxel längs spinnriktningen, A- axel i vinkelrät riktning. För en kärna som sträcker sig längs snurrriktningen, b > A Och F> 0. För en kärna oblate i denna riktning, b < a Och F < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a Och F= 0. Detta gäller för kärnor med spin lika med 0 eller ħ /2.
För att se demos, klicka på lämplig hyperlänk:
En atom är den minsta partikeln i ett kemiskt element som behåller alla sina kemiska egenskaper. En atom består av en positivt laddad kärna och negativt laddade elektroner. Laddningen av kärnan av något kemiskt element är lika med produkten av Z med e, där Z är serienumret för detta element i det periodiska systemet av kemiska element, e är värdet av den elementära elektriska laddningen.
Elektron- detta är den minsta partikeln av ett ämne med en negativ elektrisk laddning e=1,6·10 -19 coulombs, taget som en elementär elektrisk laddning. Elektroner, som roterar runt kärnan, finns på elektronskalen K, L, M etc. K är skalet närmast kärnan. Storleken på en atom bestäms av storleken på dess elektronskal. En atom kan förlora elektroner och bli en positiv jon, eller få elektroner och bli en negativ jon. Laddningen av en jon bestämmer antalet elektroner som förloras eller vinner. Processen att förvandla en neutral atom till en laddad jon kallas jonisering.
atomkärnan(den centrala delen av atomen) består av elementära kärnpartiklar - protoner och neutroner. Kärnans radie är ungefär hundra tusen gånger mindre än atomens radie. Atomkärnans täthet är extremt hög. Protoner- Det här är stabila elementarpartiklar som har en enhetlig positiv elektrisk laddning och en massa som är 1836 gånger större än en elektrons massa. Protonen är kärnan i det lättaste grundämnet, väte. Antalet protoner i kärnan är Z. Neutronär neutral (har ingen elektrisk laddning) elementarpartikel med en massa mycket nära en protons. Eftersom massan av kärnan är summan av massan av protoner och neutroner, är antalet neutroner i en atoms kärna A - Z, där A är masstalet för en given isotop (se). Protonen och neutronen som utgör kärnan kallas nukleoner. I kärnan är nukleoner bundna av speciella kärnkrafter.
Atomkärnan har ett enormt förråd av energi, som frigörs vid kärnreaktioner. Kärnreaktioner inträffar när atomkärnor interagerar med elementarpartiklar eller med kärnor av andra element. Som ett resultat av kärnreaktioner bildas nya kärnor. Till exempel kan en neutron omvandlas till en proton. I detta fall stöts en beta-partikel, det vill säga en elektron, ut från kärnan.
Övergången i en protons kärna till en neutron kan utföras på två sätt: antingen emitteras en partikel med en massa som är lika med massan av en elektron, men med en positiv laddning, kallad en positron (positronsönderfall), från kärnan, eller så fångar kärnan en av elektronerna från närmaste K-skal (K -infångning).
Ibland har den bildade kärnan ett överskott av energi (den är i ett exciterat tillstånd) och, som går över i det normala tillståndet, släpper överskottsenergi i form av elektromagnetisk strålning med en mycket kort våglängd -. Den energi som frigörs vid kärnreaktioner används praktiskt taget inom olika industrier.
En atom (grekiska atomos - odelbar) är den minsta partikeln av ett kemiskt grundämne som har sina kemiska egenskaper. Varje grundämne består av vissa typer av atomer. Strukturen hos en atom inkluderar kärnan som bär en positiv elektrisk laddning och negativt laddade elektroner (se), som bildar dess elektroniska skal. Värdet på kärnans elektriska laddning är lika med Z-e, där e är den elementära elektriska laddningen, lika stor som elektronens laddning (4,8 10 -10 e.-st. enheter), och Z är atomnumret av detta element i det periodiska systemet av kemiska element (se .). Eftersom en icke-joniserad atom är neutral är antalet elektroner som ingår i den också lika med Z. Kärnans sammansättning (se. Atomkärnan) inkluderar nukleoner, elementarpartiklar med en massa som är ungefär 1840 gånger större än massan av en elektron (lika med 9,1 10 - 28 g), protoner (se), positivt laddade och laddningslösa neutroner (se). Antalet nukleoner i kärnan kallas masstalet och betecknas med bokstaven A. Antalet protoner i kärnan, lika med Z, bestämmer antalet elektroner som kommer in i atomen, strukturen på elektronskalen och kemikalien atomens egenskaper. Antalet neutroner i kärnan är A-Z. Isotoper kallas varianter av samma grundämne, vars atomer skiljer sig från varandra i massnummer A, men har samma Z. Således finns det i kärnorna av atomer av olika isotoper av ett grundämne ett annat antal neutroner med samma antal protoner. Vid beteckning av isotoper skrivs masstalet A överst på elementsymbolen och atomnumret längst ned; till exempel är isotoper av syre betecknade: 
Dimensionerna av en atom bestäms av dimensionerna på elektronskalen och för alla är Z cirka 10 -8 cm. Eftersom massan av alla elektroner i atomen är flera tusen gånger mindre än massan av kärnan, är massan av atomen är proportionell mot masstalet. Den relativa massan av en atom i en given isotop bestäms i förhållande till massan av en atom i kolisotopen C 12, taget som 12 enheter, och kallas isotopmassan. Det visar sig vara nära masstalet för motsvarande isotop. Den relativa vikten av en atom av ett kemiskt element är medelvärdet (med hänsyn tagen till den relativa förekomsten av isotoper av ett visst element) värdet av isotopvikten och kallas atomvikten (massan).
En atom är ett mikroskopiskt system, och dess struktur och egenskaper kan endast förklaras med hjälp av kvantteorin, skapad främst på 1900-talets 20-tal och avsedd att beskriva fenomen i atomär skala. Experiment har visat att mikropartiklar – elektroner, protoner, atomer etc. – förutom korpuskulära, har vågegenskaper som visar sig i diffraktion och interferens. Inom kvantteorin används ett visst vågfält som kännetecknas av en vågfunktion (Ψ-funktion) för att beskriva tillståndet hos mikroobjekt. Denna funktion bestämmer sannolikheterna för möjliga tillstånd för ett mikroobjekt, det vill säga den karakteriserar de potentiella möjligheterna för manifestationen av en eller annan av dess egenskaper. Variationslagen för funktionen Ψ i rum och tid (Schrödinger-ekvationen), som gör det möjligt att hitta denna funktion, spelar samma roll i kvantteorin som Newtons rörelselagar inom klassisk mekanik. Lösningen av Schrödinger-ekvationen leder i många fall till diskreta möjliga tillstånd i systemet. Så, till exempel, i fallet med en atom, serien vågfunktioner för elektroner som motsvarar olika (kvantiserade) energivärden. Atomens energinivåsystem, beräknat med kvantteorins metoder, har fått lysande bekräftelse inom spektroskopi. En atoms övergång från grundtillståndet motsvarande den lägsta energinivån E 0 till något av de exciterade tillstånden E i sker när en viss del av energin E i - E 0 absorberas. En exciterad atom går in i ett mindre exciterat eller grundtillstånd, vanligtvis med emission av en foton. I detta fall är fotonenergin hv lika med skillnaden mellan energierna hos en atom i två tillstånd: hv= E i - Ek k där h är Plancks konstant (6,62·10 -27 erg·sek), v är frekvensen av ljus.
Förutom atomspektra, kvantteorin får förklara andra egenskaper hos atomer. I synnerhet valensen, naturen kemisk bindning och strukturen av molekyler skapades teorin om det periodiska systemet av element.
En egenskap hos radioaktiv förorening, till skillnad från förorening av andra föroreningar, är att det inte är radionukliden (föroreningen) som har en skadlig effekt på människor och miljöföremål, utan strålningen som den är källan till.
Det finns dock fall då en radionuklid är ett giftigt element. Till exempel efter olyckan vid kärnkraftverket i Tjernobyl i miljö plutonium 239, 242 Pu kastades ut med partiklar av kärnbränsle. Förutom att plutonium är en alfasändare och utgör en betydande fara när det kommer in i kroppen, är plutonium i sig ett giftigt grundämne.
Av denna anledning används två grupper av kvantitativa indikatorer: 1) för att bedöma innehållet av radionuklider och 2) för att bedöma strålningens påverkan på ett objekt.
Aktivitet- ett kvantitativt mått på innehållet av radionuklider i det analyserade objektet. Aktiviteten bestäms av antalet radioaktiva sönderfall av atomer per tidsenhet. SI-enheten för aktivitet är Becquerel (Bq) lika med en desintegration per sekund (1Bq = 1 sönderfall/s). Ibland används en aktivitetsmätenhet utanför systemet - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.
Stråldosär ett kvantitativt mått på strålningens inverkan på ett föremål.
På grund av att effekten av strålning på ett föremål kan bedömas på olika nivåer: fysikaliska, kemiska, biologiska; på nivån för enskilda molekyler, celler, vävnader eller organismer etc. används flera typer av doser: absorberad, effektiv ekvivalent, exponering.
För att bedöma förändringen i stråldosen över tid används indikatorn "doshastighet". Doshastighetär förhållandet mellan dos och tid. Till exempel är doshastigheten för extern exponering från naturliga strålningskällor i Ryssland 4-20 μR/h.
Huvudstandarden för människor - huvuddosgränsen (1 mSv/år) - införs i enheter av den effektiva ekvivalenta dosen. Det finns standarder i verksamhetsenheter, nivåer av markföroreningar, bildskärm, GWP, SanPiN, etc.
Atomkärnans struktur.
En atom är den minsta partikeln i ett kemiskt element som behåller alla sina egenskaper. I sin struktur är en atom ett komplext system som består av en positivt laddad kärna av mycket liten storlek (10 -13 cm) placerad i atomens centrum och negativt laddade elektroner som roterar runt kärnan i olika banor. Elektronernas negativa laddning är lika med kärnans positiva laddning, medan den i allmänhet visar sig vara elektriskt neutral.
Atomkärnor är uppbyggda av nukleoner - nukleära protoner ( Z- antal protoner) och kärnneutroner (N är antalet neutroner). "Nukleära" protoner och neutroner skiljer sig från partiklar i fritt tillstånd. Till exempel är en fri neutron, till skillnad från en bunden i en kärna, instabil och förvandlas till en proton och en elektron.
Antalet nukleoner Am (massatal) är summan av antalet protoner och neutroner: Am = Z + N.
Proton - elementarpartikel av någon atom, den har en positiv laddning som är lika med laddningen av en elektron. Antalet elektroner i en atoms skal bestäms av antalet protoner i kärnan.
Neutron - en annan sorts kärnpartiklar av alla grundämnen. Det saknas endast i kärnan av lätt väte, som består av en proton. Den har ingen laddning och är elektriskt neutral. I atomkärnan är neutroner stabila, medan de i fritt tillstånd är instabila. Antalet neutroner i kärnorna av atomer av samma grundämne kan fluktuera, så antalet neutroner i kärnan kännetecknar inte grundämnet.
Nukleoner (protoner + neutroner) hålls inne i atomkärnan av nukleära attraktionskrafter. kärnkrafter 100 gånger starkare än elektromagnetiska krafter och håller därför lika laddade protoner inuti kärnan. Kärnkrafter manifesterar sig endast på mycket små avstånd (10 -13 cm), de utgör kärnans potentiella bindningsenergi, som delvis frigörs under vissa omvandlingar och övergår i kinetisk energi.
För atomer som skiljer sig åt i kärnans sammansättning används namnet "nuklider" och för radioaktiva atomer - "radionuklider".
Nuklider kalla atomer eller kärnor med ett givet antal nukleoner och en given laddning av kärnan (nuklidbeteckning A X).
Nuklider med samma antal nukleoner (Am = const) kallas isobarer. Till exempel hör nukliderna 96 Sr, 96 Y, 96 Zr till en serie isobarer med antalet nukleoner Am = 96.
Nuklider som har samma antal protoner (Z= const) kallas isotoper. De skiljer sig endast i antalet neutroner, därför tillhör de samma element: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .
isotoper- nuklider med samma antal neutroner (N = Am -Z = const). Nuklider: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca tillhör isotopserien med 20 neutroner.
Isotoper betecknas vanligtvis som Z X M, där X är symbolen för ett kemiskt element; M är masstalet lika med summan av antalet protoner och neutroner i kärnan; Z är kärnans atomnummer eller laddning, lika med antalet protoner i kärnan. Eftersom varje kemiskt grundämne har sitt eget permanenta atomnummer, är det vanligtvis utelämnat och begränsat till att bara skriva massatalet, till exempel: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr, etc.
Atomer i kärnan som har samma masstal, men olika laddningar och följaktligen olika egenskaper kallas "isobarer", till exempel har en av fosforisotoperna ett masstal på 32 - 15 P 32, en av svavelisotoperna har samma massnummer - 16 S 32 .
Nuklider kan vara stabila (om deras kärnor är stabila och inte sönderfaller) eller instabila (om deras kärnor är instabila och genomgår förändringar som så småningom ökar stabiliteten hos kärnan). Instabila atomkärnor som spontant kan sönderfalla kallas radionuklider. Fenomenet med spontant sönderfall av en atoms kärna, åtföljt av emission av partiklar och (eller) elektromagnetisk strålning, kallas radioaktivitet.
Som ett resultat av radioaktivt sönderfall kan både en stabil och en radioaktiv isotop bildas, som i sin tur sönderfaller spontant. Sådana kedjor av radioaktiva grundämnen sammankopplade genom en serie kärnomvandlingar kallas radioaktiva familjer.
För närvarande har IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) officiellt gett namnet till 109 kemiska grundämnen. Av dessa har endast 81 stabila isotoper, varav den tyngsta är vismut. (Z= 83). För de återstående 28 grundämnena är endast radioaktiva isotoper kända, med uran (u~ 92) är det tyngsta elementet som finns i naturen. Den största av de naturliga nukliderne har 238 nukleoner. Totalt har förekomsten av cirka 1700 nuklider av dessa 109 grundämnen nu bevisats, med antalet kända isotoper för enskilda grundämnen från 3 (för väte) till 29 (för platina).
