Основные характеристики ядер

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Ядра ряда атомов (радионуклиды) подвержены самопроизвольным превращениям, в результате которых возникают ионизирующие излучения в виде квантов электромагнитной энергии и элементарных частиц. Эти излучения, взаимодействуя с биологическими тканями, оказывают сильное воздействие на биологические объекты, производя сильные структурные и функциональные изменения. Рассмотрению законов радиоактивности и их медико-биологическому применению посвящен данный раздел.

Основные характеристики ядер

Ядра атомов состоят из элементарных частиц, называемых ну­клонами, которые подразделяются на протоны и нейтроны. Протон имеет массу, близкую к однойI атомной единице массы (а.е.м.), и заряд, равный по величине и противоположный по знаку заряду электрона. Ней­трон не имеет заряда, его масса примерно на 0,001 а.е.м. превышает массу протона.

Электрический заряд ядра q определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и может быть определен по порядко­вому номеру элемента в таблице Менделеева: q = Ze, где е = 1,6 ×10^-19 Кл - положительный заряд протона,

Массовое число (A) определяется числом нуклонов в ядре: А = Z+N,

где Z - число протонов, N - число нейтронов. Символическая запись ядра элемента . Нижний индекс у элемента означает порядковый номер, верхний - массовое число.

Радиус ядра (R) зависит от массового числа и может быть вычислен (в метрах) по приближенной формуле:

R=1,5×10^-15 × .

Нуклоны в ядре связаны особыми ядерными силами, которые превы­шают силы электростатического отталкивания между протонами и обеспечивают ядру достаточную устойчивость. Ядерные силы обла­дают специфическими свойствами:

1) Короткодействие. Они действуют только на расстояниях порядка размеров самого ядра.

2) Сильнодействие. Они на несколько порядков выше, чем силы любых известных в природе взаимодействий.

3) Зарядовая независимость. Силы ядерного взаимодействия между двумя протонами такие же, как и между двумя нейтронами или между нейтроном и протоном.

4) Насыщение. Каждый нуклон взаимодействует только с огра­ниченным числом окружающих его нуклонов.

Устойчивость атомных ядер зависит от общего числа нуклонов в ядре, а также от соотношения числа нейтронов и протонов N/Z. Наиболее устойчивы ядра с относительно небольшим числом нуклонов и значением N/Z = 1. При увеличении общего числа нуклонов в ядре и превышении числа нейтронов над протонами (N/Z > 1,6) устой­чивость ядра ослабляется и может происходить его самопроизвольный распад.

Капельная модель строения ядер атомов считает взаимодействие ну­клонов подобным взаимодействию молекул в капле жидкости - предполагается, что нуклоны поверхностного слоя в ядре испытывают одностороннее притяжение от глубже расположенных нуклонов (дей­ствует как бы аналог сил поверхностного натяжения). Эта модель хорошо объясняет механизм ядерных реакций и, особенно, реакции деления ядер.

Оболочечная модель базируется на предположении о распределении нуклонов по энергетическим уровням (оболочкам). Наибольшей ус­тойчивостью обладают ядра с заполненными уровнями. Такая модель объясняет особую прочность ядер с определенными комплексами чи­сел протонов и нейтронов.

Рассмотрение взаимодействия нуклонов в ядре с помощью аппарата квантовой механики приводит к выводу об особой обменной природе ядерных сил.

Согласно современным представлениям, нуклоны в ядре постоянно и быстро (в течение 10 ^-23 с) обмениваются особыми частицами - виртуальными p-мезонами. Виртуальными их называют потому, что за краткостью времени их жизни они не могут быть обнаружены экспериментально.

Действие ядерных сил обуславливает наличие определенной энергиисвязи (e_св) нуклонов в ядре. Это энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов, или, соответственно, энергия, необходимая для разрушения ядра дей­ствием внешних сил. Из соотношения Эйнштейна между массой и энергией при выделении энергии связи должно происходить умень­шение массы покоя частиц:

М_Я c² = å m_н с² - e_св ,

где М_Я - масса ядра, m_н- масса нуклона, с - скорость света в вакууме. Таким образом, масса ядра меньше суммы масс состав­ляющих его нуклонов и эта разница определяется величиной энергии связи.

Удельная энергия связи (e_уд) представляет среднее значение энергии связи, приходящееся на один нуклон: e_уд = e_св / А. Она имеет максимальное значение.для ядер с числом нуклонов А = 50 - 60 и достигает здесь значения 8,7 МэВ/нуклон. Для более легких элементов она резко уменьшается и для более тяжелых также происходит ее плавное уменьшение. Отсюда воз­никают две возможности высвобождения и использования ядерной энергии: первая - цепная ядерная реакция, при которой происходит деление ядра тяжелого элемента (например ) c образованием более устойчивых ядер и выделением энергии, вторая - реакция ядерного синтеза легких элементов, сопровождающаяся образованием более устойчивого ядра большей массы и выделением энергии.

Поиск по сайту: