Ренгенология

Страница: 1/4

Строение атома и характеристика основных элементарных частиц входящих в его состав

Все тела, включая нас самих, состоят из мельчайших “кирпичиков”, называемых атомами. Существует столько типов таких “кирпичиков”, сколько имеется в природе химических элементов. Химический элемент — это совокуп­ность атомов одного и того же типа.

Мысль о том, что вещество построено из мельчайших “частичек”, высказывалась еще древнегреческими учены­ми. Они-то и назвали эти частички атомами (от греческого слова, означающего “неделимый”). Древние греки предполагали, что атомы имеют форму правильных многогранни­ков: куба (“атомы земли”), тетраэдра (“атомы огня”), окта­эдра (“атомы воздуха”), икосаэдра (“атомы воды”). Прошло более двадцати столетий, прежде чем были получены экс­периментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. Окончательно эта идея утвердилась в науке во второй половине XIX века благодаря успехам химии и молекулярно-кинетической теории. К началу XX века физики уже знали, что атомы имеют размеры порядка 10'10 м и массу 10'27 кг. К этому времени стало ясно, что атомы вовсе не “неделимы”, что они обладают определен­ной внутренней структурой, разгадка которой позволит объяснить периодичность свойств химических элементов, выявленную Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907).

В 1903 году, вскоре после открытия электрона, англий­ский физик ДжозефДжон Томсон (1856-1940) предложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром около 10"10 м, внутрь которой вкраплены электроны (см- Элементарные частицы). Суммарный отри­цательный заряд электронов компенсируется положитель­ным зарядом сферы. Когда электроны колеблются относи­тельно центра сферы, атом излучает свет. Томсон считал, что электроны группируются в слои вокруг центра.

В модели, предложенной Томсоном, масса атома рав­номерно распределена по его объему. Ошибочность такого предположения вскоре доказал английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937). В 1908-1911 годах под его руковод­ством были выполнены опыты по рассеянию а-частиц (ядер гелия) металлической фольгой, а -частица свободно проходила сквозь тонкую фольгу, испытывая лишь незна­чительные отклонения; однако в отдельных редких случаях (примерно в одном на 10000) наблюдалось рассеяние а-частиц на угол больше 90°.

“Это было почти так же невероятно, — вспоминал впоследствии Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас”.

Опыты по рассеянию а-частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме — атомном ядре, диаметр которого примерно в

10000 раз меньше диаметра атома. Большинство а-частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, лишь изредка сталкиваясь с ним и “отскакивая” назад.

Эксперименты Резерфорда послужили основой для создания протонно-нейтронной модели атома. Эта модель к определяет современные представления об устройстве атома.

Итак, в центре атома находится атомное ядро (его размеры порядка 10'14 м); весь остальной объем атома — это электроны. Внутри ядра электронов нет (это стало ясно в начале 30-х годов); ядро состоит из положительно заря­женных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре; это есть атомный номер данного химического элемента (его поряд­ковый номер в периодической системе). Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, поэтому почти- вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны в разной степени связаны с ядром;

некоторые из них “теряются” относительно легко, при этом атом превращается в положительный ион. Приобретая до­полнительные электроны, атом становится отрицательным ионом.

Создавая свою модель атома, Резерфорд предположил, что между отрицательно заряженными электронами и по­ложительно заряженным ядром действуют кулоновские силы. Ясно, что покоиться внутри атома электроны не могут, так как они упали бы тогда на ядро, поэтому, по предположению Резерфорда, электроны движутся вокруг ядра, -подобно тому как планеты обращаются вокруг Со­лнца. Поэтому резерфордовская модель атома была названа планетарной.

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она совершенно необходима для объяснения опыта по рассеянию а-час­тиц. Но такая модель противоречит законам механики и электродинамики. Она не позволяет объяснить факт суще­ствования атома, его устойчивость. Ведь движение электро­нов по орбитам происходит с ускорением, причем очень большим. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромаг­нитные волны с частотой, равной числу его оборотов вокруг ядра в секунду. Излучение сопровождается потерей энер­гии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают совершенно строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ни­чтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро, и атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитных волн. Отсюда следует важнейший вывод: к явлениям атомных масштабов законы классичес­кой физики неприменимы.

Выход из крайне затруднительного положения был найден в 1913 году великим датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), который ввел свои знаменитые кванто­вые постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излуче­ния. Вот они:

Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состо-яниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еп. В стационарном состоянии атом не излуча­ет.

Этот постулат находится в явном противоречии с клас­сической механикой, согласно которой энергия движущих­ся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамике Максвелла, так как допускает возмож­ность ускоренного движения без излучения электромаг­нитных волн.

Второй постулат: при переходе атома из одного стаци­онарного состояния в другое испускается или поглоща­ется квант электромагнитной энергии.

Второй постулат тоже противоречит электродинамике Максвелла, согласно которой частота излученного света равна частоте обращения электрона по орбите. По теории Бора частота связана только с изменением энергии атома.

АТОМНОЕ ЯДРО

Согласно протонно-нейтронной модели атомные ядра состоят из элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов (см. также Атом).

Известно, что заряд протона положительный и равен заряду электрона.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса равна 1.00867 а.е.м. 1 атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома углерода и связана с килограммом соот­ношением 1 а.е.м. =1.6605 • 10-27 кг; 1 а.е.м. соответствует энергии 931.5 МэВ).

Число протонов в ядре называется зарядом ядра и равняется числу электронов в атомной оболочке, так как атом'в целом нейтрален. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента zb таблице Менде­леева.

Массовым числом ядра А называют сумму числа прото­нов Z и числа нейтронов N в ядре: A=Z+N.

Так как массы протона и нейтрона близки друг к другу, то массовое число А очень близко к относительной атомной массе элемента. Массовые числа могут быть определены путем грубого измерения масс ядер приборами, не облада­ющими особо большой точностью.

Однако указанные в таблице Менделеева относитель­ные атомные массы некоторых элементов сильно отлича­ются от целого числа. Так, для бора она равна 10.81, для хлора — 35.45. Почему? Оказывается, ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов при одинаковом числе протонов в ядре и электронов в электронной оболочке,

Такие ядра имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке таблицы Менделеева. Это изотопы. Химически простые природные вещества являются смесью изотопов. Так, бор состоит из смеси двух изото- пов: 20% его составляет изотоп с массовым числом 10 (5 протонов, 5 нейтронов), а 80% — с массовым числом 11 (5 протонов и 6 нейтронов).

Характеристика наиболее опастных для некоторых продуктов ядерного деления

Стронций - щелочноземельный элемент второй аналитической группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, поэтому по химическим свойствам сходен с другими представителями этой группы - кальцием, барием. Он имеет более 10 радиоактивных изо-топов - от стронция-81 до стронция-97, наиболее важными из которых являются стронций-89 (период полураспада 51 сут, максимальная энергия бета-излучения 1,46 МэВ) и стронций-90 (период полураспада 28 лет, максимальная энергия бета-излучения 0,54 МэВ). Образуются они при делении урана в реакторах, а также при взрывах атомных бомб как продукты ядерного деления.

Стронций-90 претерпевает бета-распад и превращается в дочерний радиоактивный элемент иттрий-90, который находится с ним в равно­весном состоянии по радиоактивности. Период полураспада иттрия-90 составляет 64,2 ч, максимальная энергия бета-частиц 2,18 МэВ.

Как и другие радионуклиды, стронций-90 выпадает на поверхность земли в виде твердых частиц или с дождем в растворенном или нераст­воренном коллоидном состоянии и попадает на растительный покров или непосредственно на поверхность почвы. Около 70 % его задержи­вается в верхнем (до 5 см) слое почвы с очень большой сорбционной способностью в связи с богатым содержанием гумусовых веществ, имеющих высокую ионообменную емкость поглощения. В растения стронций попадает при оседании радиоактивных осадков из атмосфе­ры на поверхность листьев, стеблей и репродуктивных органов (аэральный путь) и при извлечении его из почвенного раствора корня­ми растений (почвенный путь). Почвенный путь поступления в рас­тения через корни менее интенсивный по сравнению с воздушным. Так, коэффициент накопления стронция-90 для клевера при аэральном пути поступления в 27 раз выше, чем при почвенном, для кукурузы он различается в 130 раз. В эксперименте при разбрызгивании раствора стронция-90 и цезия-137 на надземные части растений задерживалось пшеницей 20-60 %, капустой 8-20, картофелем 25-65, листьями сахарной свеклы 15-20, травами в плотном травостое 50-60 % нане­сенного количества радионуклидов. Особенности усвоения радионук­лидов растениями из почвы зависят от ее физико-химических свойств, вида растений, физико-химических параметров радионуклидов и технологии возделывания культур. Например, ряд экспериментов показал, что накопление стронция-90 растениями из темно-серой лесной почвы превышало таковое из дерново-подзолистой супесчаной и дерново-подзолистой песчаной соответственно в 1,1 и 5,2 раза.

Реферат опубликован: 15/06/2005 (6854 прочтено)