Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 26. Атомне ядро. Радіоактивність

Опрацювавши параграф, ви навчитесь оперувати поняттями і термінами: радіоактивність, види радіоактивного випромінювання.

Зможете пояснити протонно-нейтронну модель атомного ядра, стійкість ядер, альфа- і бета-розпади, дефект мас.

Ознайомитесь із дозиметрією.

ПРОТОННО-НЕЙТРОННА МОДЕЛЬ ЯДРА АТОМА. Провівши серію дослідів, Дж. Чедвік виявив потік електрично нейтральних частинок із масою, близькою до маси протона, які дістали назву «нейтрони». У 1932 р. український фізик Д. Іваненко (рис. 26.1) першим запропонував протонно-нейтрону модель атомного ядра: на основі аналізу експериментальних даних він припустив, що ядро складається лише з протонів і нейтронів.

Рис. 26.1. Дмитро Дмитрович Іваненко (1904—1994), український фізик-теоретик, автор протон-нейтронної моделі атомного ядра

Ідея про будову ядер тільки з важких частинок не сприймалася фізиками. Думка про те, що електронів усередині ядра немає, була висловлена Діраком ще в 1930 р. Відкриття нейтрона багатьма розглядалося, як несуттєве. Просту картину світу, в якій фундаментальними «цеглинками світобудови» були протон і електрон, ніхто не хотів ускладнювати введенням нових частинок.

Д. Іваненко вважав, що нейтрон і протон є елементарними частинками, можуть переходити один в одного, випускаючи електрон або позитрон. Надалі протон і нейтрон почали розглядати як два стани однієї частинки — нуклона, й ідея Іваненко стала загальноприйнятою.

Отже, у природничих науках використовується планетарна модель атома з протонно-нейтронною моделлю ядра (рис. 26.2).

Рис. 26.2 Модель атома Нітрогену

Згідно з цією моделлю кількість нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів у ядрі атома, дорівнює нуклонному числу атома А; кількість протонів дорівнює заряду ядра атома Z; кількість нейтронів визначається їх різницею N = A - Z.

Ядра більшості хімічних елементів стійкі. Це свідчить про те, що протони та нейтрони утримуються в ядрі певними силами. Що ж це за сили? Ці сили не можуть бути силами електростатичної взаємодії, оскільки до складу атомних ядер входять протони й сила електростатичного відштовхування, навпаки, прагнула б розщепити ядро. Гравітаційне притягання між протонами в 1036 разів є меншими, ніж електростатичне відштовхування. Отже, в ядрі між нуклонами існує особливий тип взаємодії, яку називають сильною, а сили, які їй відповідають, називають ядерними. Ядерні сили приблизно в 100 разів перевищують значення кулонівських сил, що діють в ядрі між протонами.

Ядерні сили є короткодіючими. На відстанях більших за 3 · 10-15 м вони практично не діють і різко збільшуються на відстані 2,2 · 10-15 м. Коли ж нуклони, зіткнувшись, зближаються на відстані 0,5 · 10-15 м, ядерні сили виявляють себе як сили відштовхування.

У сучасній фізиці загальноприйнятою є теорія, згідно з якою ядерні сили мають обмінний характер. У 1935 р. японський фізик Х. Юкава висунув гіпотезу про те, що в природі існують частинки масою в 200-300 разів більшою від маси електрона, і саме через них здійснюється взаємодія нуклонів. Такі частинки були виявлені експериментально у 1947 р. Вони одержали назву пі-мезонів.

Пі-мезони не входять до складу протонів і нейтронів, а випромінюються і поглинаються ними.

Хідекі Юкава (1907—1981), японський фізик-теоретик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1949)

ЕНЕРГІЯ ЗВ'ЯЗКУ АТОМНОГО ЯДРА. Якщо порівняти масу атомного ядра із сумою мас відокремлених нуклонів, які його утворюють, то з'ясується, що вони не збігаються: маса ядра завжди менша за суму мас його складових на величину Δm. Цю величину називають дефектом мас.

Δm = Zmp + Nmn - mя

Причина виникнення дефекту мас полягає в тому, що для утворення ядра з вільних протонів і нейтронів потрібно виконати роботу, яка дорівнює енергії зв'язку. Згідно із законом взаємозв'язку маси та енергії, зміна енергії на ΔЕ супроводжується пропорційною зміною маси системи на Δm:

ΔЕ = Δmс2, де с — швидкість світла у вакуумі.

Як одиниця маси в атомній та ядерній фізиці використовується атомна одиниця маси (1,66057 · 10-27 кг), а як одиниця енергії — 1 МеВ (1,6 · 10-13 Дж).

Тому енергію зв'язку атомного ядра зазвичай розраховують у МеВ за формулою Езв = 931,5Δm, де маса подана у атомних одиницях маси.

Питомою енергією зв'язку називають енергію зв'язку, яка припадає на один нуклон.

Для різних хімічних елементів енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, різна. При збільшенні масового числа елемента вона змінюється, причому від Гідрогену до Феруму енергія зв'язку зростає, потім, приблизно від Феруму до Криптону, залишається майже сталою, а далі зменшується. Отже, найбільшу енергію зв'язку на один нуклон мають ядра елементів, що стоять на початку або наприкінці таблиці Менделєєва, тобто при утворенні легких і важких ядер. Тому, якщо здійснити такі ядерні реакції, за яких утворюватимуться ядра середньої маси з легших ядер завдяки їх синтезу або з важких ядер способом їх поділу на два легші ядра, виділятиметься величезна кількість ядерної енергії.

Таблиця 26.1

Маси деяких ізотопів

Ізотоп

21H

42

73Li

136C

2010Ne

22688Ra

Маса, а.о.м.

2,014102

4,002603

7,016004

13,00335

19,99244

226,02541

РАДІОАКТИВНІСТЬ. У 1896 р. професор фізики Паризької політехнічної школи А. Беккерель досліджував здатність різних кристалів випускати під дією сонячного світла промені, подібні до рентгенівських. Беккерель вважав, що кристали під дією світла будуть викривляти промені, які можуть діяти на фотографічні плівки, загорнуті в чорний папір. Між кристалом та фотоплівкою містився екран, зроблений з мідних дротинок. Тому після проявлення фотоплівка виявилась засвіченою скрізь, крім ділянок, які були закриті мідними дротинками.

Серед кристалів, з якими працював Беккерель була сіль Урану K2UO2(SO4)2 · 2H2O. Погода в ці дні була хмарною. Тому Беккерель заховав фотоплівку в шухляду разом із кристалом уранової солі. Коли минуло кілька днів, фотоплівку проявили. При цьому з'ясувалося, що вона потемніла та містить чітке зображення мідного екрана, хоч сіль Урану й не опромінювали сонячним світлом. Беккерель дійшов висновку, що промені, які діяли на фотоплівку, випускає Уран.

У 1898 р. Марія Склодовська-Кюрі виявила, що подібні промені випускає Торій, а потім вона разом зі своїм чоловіком П'єром Кюрі відкрила Радій. Подружжя Кюрі назвали це явище радіоактивністю, а речовини, здатні випускати таке випромінювання, — радіоактивними.

Радіоактивність — явище спонтанного перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок.

У 1903 р. Беккерель одержав Нобелівську премію з фізики за відкриття спонтанної радіоактивності, а разом з ним цієї премії біло удостоєне й подружжя Кюрі за дослідження радіоактивного випромінювання. Марія Склодовська-Кюрі була також нагороджена Нобелівською премією з хімії в 1911 р. за відкриття Радію та Полонію, вивчення властивостей Радію.

Антуан Анрі Беккерель (1852—1908), французький фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1903), один із першовідкривачів радіоактивності

Марія Склодовська-Кюрі (1867—1934) французький фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1903) та хімії (1911)

П'єр Кюрі (1859—1906), французький фізик, один із перших дослідників радіоактивності, лауреат Нобелівської премії з фізики (1903)

ВИДИ РАДІОАКТИВНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. Вивчаючи фізичну природу радіоактивного випромінювання, було з'ясовано, що воно не є однорідним. У 1899 р. Резерфорд відкрив α- та β-промені, а в 1900 р. французький фізик Пол Вілард відкрив γ-промені, що відрізнялися від α- та β-променів, оскільки не відхилялися в магнітному та електричному полях (рис. 26.3). Детальні дослідження радіоактивного випромінювання дали змогу з'ясувати його природу.

Рис. 26.3. Відхилення радіоактивних променів у магнітному та електричному полях

α-промені — потік ядер атомів Гелію 42Не — важких позитивно заряджених частинок масою 4 а.о.м. (1 а. о. м. = 1,67 · 10-27 кг) та зарядом q = 2е, швидкість яких 10 000 км/с. Пролітаючи крізь речовину, α-частинки поступово втрачають енергію, іонізуючи молекули речовини, і врешті зупиняються. За час свого руху одна α-частинка здатна йонізувати сотні тисяч пар йонів. У повітрі довжина вільного пробігу α-частинок від 2 до 12 см, а у твердих речовинах — менше міліметра. Тому їх легко зупинити аркушем паперу.

β-промені — потік швидких електронів. Швидкості електронів можуть наближатися до швидкості світла. Внаслідок малої маси β-частинки активно розсіюються у речовині, йонізуючи її. Щоб затримати β-частинку, досить листа металу товщиною 3 мм.

Особливо небезпечними α- та β-частинки є при потраплянні в організм людини чи тварини — у легені, шлунок та шкіру.

γ-промені — високоенергетичне електромагнітне випромінювання. Взаємодіючи з електронними оболонками атомів, сприяють утворенню швидких електронів, які йонізують середовище. Для їх поглинання потрібен шар свинцю товщиною 20 см.

Саме ці промені в побуті називають «радіація». Радіоактивні речовини й ділянки території, де є небезпека потрапити під вплив радіоактивного випромінювання, позначають спеціальним знаком безпеки (рис. 26.4). Радіоактивне випромінювання не фіксується органами чуття людини, проте відомо, що воно може призвести до згубних наслідків.

Рис. 26.4 Знак безпеки. Небезпечно. Радіоактивні матеріали.

Радіоактивні перетворення ядер підкорюються правилам зміщення:

Наприклад, при α-розпаді Урану-238 утворюється елемент, протонне число якого 92 - 2 = 90, а нуклонне 238 - 4 = 234.

Отже, в результаті утвориться Торій-234. Рівняння реакції α-розпаду Урану-238 можна записати Отже: 23892U → 23490Th + 42He. Торій-234 також радіоактивний й зазнає β-розпаду 23490Th → 23491Pa + 0-1e.

Дозиметрія — розділ технічної фізики, завданням якої є вимірювання і розрахунки дози в полях джерел випромінювання та вимірювання активності радіоактивних препаратів.

Методи вимірювання дози ґрунтуються на застосуванні йонізаційних камер, лічильних трубок, фотоплівки, сцинтиляційних або хімічних дозиметрів. На рис. 26.5 зображено побутові дозиметри. Під час використання дозиметрів слід чітко дотримуватись інструкцій виробника.

Рис. 26.5. Дозиметри-радіометри РКС-01, «СТОРА», МКС-05 та «ТЕРРА-П»

Дозиметр — прилад, призначений для вимірювання потужності дози іонізуючого випромінювання довкілля, яке реєструється за певний проміжок часу.

Сучасні дозиметри використовують для екологічних досліджень довкілля, радіометричного контролю на підприємствах, для контролю радіаційного стану житла, будівель і споруд, прилеглих до них територій, предметів побуту, одягу, транспорту, поверхні ґрунту.

ДОЗИ ВИПРОМІНЮВАННЯ. Випромінювання радіоактивних речовин справляє дуже активний вплив на живі організми. Рухаючись у живому організмі, уламок ядра руйнує частинки живих клітин, у результаті клітина гине чи порушується її генетичний код. Найбільш чутливими до випромінювання частинок є ядра клітин, особливо тих, які швидко поділяються. Тому передусім випромінювання вражають кістковий мозок, через що порушується кровообіг. Далі вражаються клітини шлункового тракту та інших органів. Сильний вплив справляє випромінювання на спадковість, вражаючи гени в хромосомах.

Інколи випромінювання може бути корисним: γ-випромінюванням пригнічують ракові пухлини.

Вплив радіоактивного випромінювання на живі організми характеризується дозою опромінювання — відношенням поглинутої енергії йонізованого випромінювання до маси речовини, яка опромінюється:

У СІ одиницею дози опромінювання є грей [D] = 1 Гр = 1 Дж/кг.

1 Гр дорівнює поглинутій дозі випромінювання, за якої опромінюваній речовині масою 1 кг, передається енергія йонізуючого випромінювання 1 Дж.

Використовують також позасистемну одиницю 1 рад (rad — за першими літерами англійського словосполучення radation absorbed dose — поглинута доза випромінювання).

1 рад — це доза, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія 10-2 Дж.

Експозиційна доза випромінювання — доза рентгенівського і гамма-випромінювання, яка визначається за йонізацією повітря.

Одиницею експозиційної дози є кулон на кілограм (Кл/кг). Якщо експозиційна доза 1 Кл/кг, то це означає, що сумарний заряд усіх йонів одного знака, утворених в 1 кг повітря, дорівнює 1 Кл.

Позасистемна одиниця експозиційної дози — рентген (Р). 1 Р означає, що в 1 см3 повітря за нормальних умов утворюється йонів із загальним зарядом кожного знаку

Еквівалентна доза випромінювання — міра біологічного впливу йонізуючого випромінювання на живий організм. При опроміненні живих організмів, зокрема людини, виникають біологічні ефекти, які однієї і тої самої поглинутої дози різні для різних видів випромінювання. Прийнято порівнювати біологічні ефекти, які зумовлюються будь-якими йонізуючими випромінюваннями, з ефектами від рентгенівського й гамма-випромінювань. У процесі короткочасного опромінення людини доза в 20-50 Р призводить до змін у крові, доза в 100-250 Р спричиняє променеву хворобу, а доза в 600 Р — смертельна. Природний фон радіації дорівнює річній дозі 0,2 Р, гранично допустима доза — 5 Р за рік.

БЕР (біологічний еквівалент рентгена) — позасистемна одиниця еквівалентної дози йонізуючого випромінювання 1 Б = 0,01 Дж/кг.

ЗАХИСТ ВІД ЙОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. Можна використовувати захисні стіни, для цього з матеріалів з великою атомною масою, наприклад, свинцю. На практиці широко використовують залізобетон. Для захисту від потоку нейтронів потрібно спочатку уповільнити їх водою, а потім використати стінку з берилію.

Товщина шару заданого матеріалу, що зменшує рівень радіації у два рази, називається шаром половинного ослаблення. Співвідношення рівня радіації до і після захисту називається коефіцієнтом захисту. Зі збільшенням товщини шару протирадіаційного захисту кількість пропущеної радіації спадає експоненціально. Так, якщо шар половинного ослаблення злежалого ґрунту становить 9,1 см, то насип товщиною 91 см (типовий насип над протирадіаційним сховищем) зменшить кількість радіації в 210, або у 1024 рази.

! Головне в цьому параграфі

Радіоактивність — явище спонтанного перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок. α-промені — потік ядер атомів Гелію; β-промені — потік швидких електронів; γ-промені — високоенергетичне електромагнітне випромінювання. Випромінювання радіоактивних речовин справляє дуже активний вплив на живі організми. Рухаючись у живому організмі, уламок ядра руйнує частинки живих клітин, у результаті клітина гине чи порушується її генетичний код.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. З яких частинок складається атом? Атомне ядро? 2. Як визначити кількість протонів у ядрі? кількість нейтронів? 3. Який тип взаємодії забезпечує утримання електронів у ядрі атома? 4. Чому виникає дефект мас? Чим це можна пояснити? 5. Що є причиною радіоактивного випромінювання? Яка природа α-, β-, γ-випромінювання? 6. Поясніть, чому радіоактивне випромінювання у електростатичному та магнітному полях розкладається на складові (рис. 26.4) 7. Навіщо радіоактивні речовини маркують спеціальним знаком безпеки?