Нуклид (лат. nucleus - «ядро») - разновидность атома, определяемая его массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием его ядра, имеющим достаточное время жизни для его наблюдения. Официальное рекомендуемое определение термина по IUPAC Compendium of Chemical Terminology, 2nd Edition, 1997 (Краткий справочник терминов ИЮПАК, 2-е издание): A species of atom, characterized by its mass number, atomic number and nuclear energy state, provided that the mean life in that state is long enough to be observable.
Общее описание

Из определения нуклида следует, что это любой атом с определённым числом протонов (Z ) и нейтронов (N ), с ядром, находящимся в определённом энергетическом состоянии (основном состоянии или одном из изомерных состояний). Сумма A = Z + N представляет собой массовое число, а число протонов Z - атомный номер. Для обозначения нуклида элемента (E) используют запись вида: , причём индексы Z и N могут опускаться. Распространённым является обозначение E-A (например, углерод-12, уран-238). Для нуклидов, представляющих собой метастабильные возбуждённые состояния (изомеры), используют букву m в верхнем правом индексе, например 180m Ta. Если существует более одного возбуждённого изомерного состояния с данными A и Z , то для них (в порядке возрастания энергии) используют индексы m 1, m 2 и т. д. либо последовательность букв m , n , p , q ,…

Нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (обладающие одинаковым числом протонов) называются изотопами. Применение термина изотоп в единственном числе вместо термина нуклид хотя и, строго говоря, неверно, однако широко распространено. Относительная атомная масса нуклида округлённо равна его массовому числу, только для углерода-12 она по определению точно равна 12.
Классификация

Нуклиды делятся на стабильные и радиоактивные (радионуклиды). Стабильные нуклиды не испытывают спонтанных радиоактивных превращений из основного состояния ядра. Радионуклиды путём радиоактивных превращений переходят в другие нуклиды. В зависимости от типа распада, образуются либо другой нуклид того же самого элемента (при нейтронном или двухнейтронном распаде), либо нуклид другого элемента (распады, изменяющие заряд ядра без вылета нуклонов, т. е. бета-распад, электронный захват, позитронный распад, все виды двойного бета-распада), либо два или несколько новых нуклидов (альфа-распад, протонный распад, кластерный распад, спонтанное деление).

Среди радионуклидов выделяются короткоживущие и долгоживущие. Радионуклиды, существующие на Земле с момента её формирования, часто называют природными долгоживущими ; такие нуклиды имеют период полураспада, превышающий 5·108 лет. Для каждого элемента были искусственно получены радионуклиды; для элементов с номером (т. е. числом протонов), близким к одному из «магических чисел», количество известных нуклидов может доходить до нескольких десятков. Наибольшим количеством известных нуклидов - по 34 - обладают платина и осмий (без учёта изомерных состояний). Некоторые элементы имеют лишь один стабильный нуклид (например, золото и кобальт), а максимальным числом стабильных нуклидов - 10 - обладает олово. У многих элементов все нуклиды радиоактивны (все элементы, имеющие атомный номер больше, чем у свинца, а также технеций и прометий). Общее число известных нуклидов всех элементов превышает 3100 (без учёта изомеров; на сегодня известно около 1000 нуклидов в основных состояниях, для которых существуют одно или несколько метастабильных возбуждённых состояний с периодом полураспада, превышающим 0,1 мкс).

Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ

Лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер.

Строение атома. Элементарные частицы. Виды радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада.

1. Строение атома.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона . Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.

В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.

Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т. д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а. е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода (12С).

1 а. е.м. = 1,67*10-27 кг

Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.

1эВ = 1,602*10-19Кл

Кроме этого массу часто выражают в энергетических эквивалентах (это энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а. е.м., составляет 931,5МэВ (106 эВ).

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон . Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером . Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (АZX).

Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы:

Ядерные силы.

Протоны и нейтроны внутри атомного ядра удерживаются ядерными силами . Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра. Установлено, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра, из чего следует, что для разделения ядра на его составляющие нужно затратить энергию. Минимальная энергия, необходимая для этого называется энергией связи ядра .

Такая же картина наблюдается, если сложить массы нуклонов, составляющих ядро атома. Расчетная масса ядра окажется больше фактической масса ядра. Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.

Ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у нуклонов, действуют только на очень малых расстояниях (10-13см) и с увеличением расстояния между ядерными частицами очень быстро ослабевают.

Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.

Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы π-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные π-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.

Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а. е.м. или 938,27 МэВ.

Число протонов в ядре (атомный номер ) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.

Нейтрон ( n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а. е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента (1).

Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а. е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10-28кг. Энергетический эквивалент а. е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10-19Кл.

Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P, Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:

m=2 n2 ,

где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее.

Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.

Переход отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии (поглощается или испускается квант энергии). Согласно постулатам Бора атомная система находится в стационарном состоянии, которое характеризуется определенной энергией. Бесконечно долго каждый атом может находиться только в стационарном состоянии с минимальной энергией, которое называется основным или нормальным . Все остальные стационарные состояния атома с большими энергиями называются возбужденными . Переход электрона с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра (с большей энергией) называется процессом возбуждения .

В результате соударения с другими атомами, с любой заряженной частицей или при поглощении фотона электромагнитного излучения атом может перейти из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает с. Из любого возбужденного состояния атом самопроизвольно переходит в основное состояние, этот процесс сопровождается излучением фотонов (квантов). В зависимости от разности энергий атома в двух состояниях, между которыми совершается переход, испускаемый квант электромагнитного излучения может принадлежать диапазону радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.

При сильных электрических воздействиях электроны могут вырываться за пределы атома. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией . В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.

Изотопы, изотоны, изобары.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами . Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице, но разное массовое число (3919К, 4019К, 4119К). Поскольку заряды ядер этих атомов одинаковые, элементарные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам. Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь изотопов. Обычно в смеси изотопов одного определенного элемента преобладает один изотоп, а остальные составляют только небольшой процент (например, калий состоит из: 39К – 93,08%; 40К – 0,0119%; 41К – 6,91%) (4).

Чтобы отличить изотопы одного химического элемента друг от друга, перед названием элемента сверху приписывают массовое число, равное сумме всех частиц ядра данного изотопа, а снизу – заряд ядра (число протонов), соответствующий порядковому номеру элемента в таблице. Так, наиболее распространенный в природе легкий водород 11Н (протий) содержит 1 протон, редко встречающийся среди атомов водорода 21Н (дейтерий) -1 протон и 1 нейтрон, а никогда не встречающийся в природе 31Н (тритий) – 1 протон и 2 нейтрона (тритий получают искусственным путем, облучая дейтерий медленными нейтронами) (4).

Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные ) изотопы . К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами . В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных.

Условие устойчивости атомных ядер: устойчивыми являются лишь те из атомных ядер, которые обладают минимальной энергией по сравнению со всеми ядрами, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.

Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами . Например 136С имеет шесть протонов и семь нейтронов, 147N имеетсемь протонов и тоже семь нейтронов.

Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т. е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами .

Например: 104Be, 105B, 106C и т. д.

Различие в энергии атомных ядер изобаров определяется наличием у протонов электрического заряда и существованием различия в массах протона и нейтрона. Так ядра, содержащие значительно больше протонов, чем нейтронов, оказываются нестабильными, так как обладают избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра же, имеющие больше нейтронов, чем протонов, нестабильны из-за того, что масса нейтрона больше массы протона, а увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии. От избыточной энергии ядра могут освобождаться двумя путями:

1. путем самопроизвольного деления ядер на более устойчивые части;

2. путем самопроизвольного изменения заряда ядра на единицу (превращение протоны в нейтрон или нейтрона в протон).

Элементарные частицы.

Элементарные частицы не являются молекулами, атомами или ядрами. Они имеют радиус (R) равный 10-14 – 10-15м и энергию (W) около 106 – 108 эВ. Сейчас общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны или квазистабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это электроны , входящие в состав атомов, их античастицы – позитроны ; протоны и нейтроны , входящие в состав атомных ядер; фотоны γ, являющиеся квантами электромагнитного поля. Сюда же можно отнести электронные (анти)нейтрино νе, рождающиеся в процессах бета-превращений и в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории. К ним относятся мюоны (мю-мезоны) μ– – тяжелый аналог электрона (mμ ≈ 200mе) зарегистрированы в космических лучах; пионы (пи-мезоны) π+, π0, π– – переносчики ядерного взаимодействия и другие.

У каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением «тильды» над ним. Массы, время жизни и спины частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку.

2. Виды радиоактивного распада.

Радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением . Само явление носит название радиоактивный распад .

Радиоактивные превращения, происходящие в природе, называются естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), - искусственной радиоактивностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват (К-захват), внутренняя конверсия, деление ядер.

Альфа-распад – это самопроизвольное деление неустойчивого атомного ядра на α-частицу (ядро атома гелия 42Не) и ядро-продукт (дочернее ядро).При этом заряд ядра продукта уменьшается на 2 положительные единицы, а массовое число на 4 единицы. При этом образующийся элемент-продукт смещается влево относительно исходного на две клетки периодической системы:

Альфа-радиоактивными являются практически все (за редким исключением) ядра атомов элементов с порядковым номером 82 и больше (те, что в периодической таблице стоят за свинцом 82Pb). Альфа-частица, вылетая из ядра, приобретает кинетическую энергию порядка 4-9 МэВ.

Бета-распад – это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер с испусканием β-частицы, при котором их заряд изменяется на единицу. В основе этого процесса лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям.

Если в ядре имеется излишек нейтронов («нейтронная перегрузка» ядра), то происходит электронный β- - распад , при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино (массовое и зарядовое число которой равно 0).

10n → 11p + e – + ν – || AZX → AZ+1Y + β – + ν – +Q || 4019K → 4020Ca + β – + ν – + Q.

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу (элемент сдвигается в периодической системе на один номер вправо от исходного), а массовое число остается без изменений. Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный (β+ ) распад , при котором ядро испускает позитрон (частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:

11p → 10n + e+ + ν+ || AZX → AZ-1Y + β+ + ν+ +Q || 3015P → 3014Si + β+ + ν+ +Q

Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе на один номер левее от исходного, массовое число остается без изменения. Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е+ и е-) по 0,511 МэВ. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два γ-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение – аннигиляционное . Таким образом, при позитронном распаде за пределы материнского атома влетают не частицы, а два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ.

Энергетический спектр β-частиц любого бета-источника является непрерывным (от сотых долей МэВ – мягкое излучение, до 2-3 МэВ – жесткое).

Электронный захват – самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд уменьшается на единицу за счет захвата одного из орбитальных электронов и превращения протона в нейтрон.

Это происходит, если в ядре имеется излишек протонов, но недостаточно энергии для позитронного распада. Один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему К-слоя (К-захват) или реже L-слоя (L-захват) и превращается в нейтрон с испусканием нейтрино. При этом дочерний элемент, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе на одну клетку влево от исходного.

11p + 0-1е → 10n + ν+ || AZX + 0-1е → AZ-1Y + ν+ + hν || 12352Te + 0-1е → 12351Sb + ν+ + hν

На освободившееся место в К-слое перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего со следующего слоя и т. д. Каждый переход электрона со слоя на слой сопровождается выделением энергии в виде квантов электромагнитного излучения (рентгеновского диапазона).

Позитронный распад и электронных захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов (4).

Деление ядер – это спонтанное деление ядра, при котором оно, без какого либо внешнего воздействия, распадается на две, как правило, неравные части. Так ядро урана может делиться на ядра бария (56Ва) и криптона (36Kr). Этот тип распада характерен для изотопов элементов стоящих в периодической системе за ураном. Под действием сил электростатического отталкивания одноименных зарядов ядра-осколки приобретают кинетическую энергию порядка 165 МэВ и разлетаются в разные стороны с огромными скоростями.

Внутренняя конверсия . Возбужденное ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L-, или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Затем один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

3. Закон радиоактивного распада.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Радиоактивный распад идет непрерывно, скорость этого процесса и его характер определяются строением ядра. Поэтому на этот процесс нельзя повлиять никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Кроме того, распад носит вероятностных характер, то есть нельзя точно определить, когда и какой именно атом распадется, но в каждый промежуток времени распадается в среднем какая то определенная часть атомов.

Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоянная радиоактивного распада λ для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадется в единицу времени. Постоянную распада выражают в обратных единицах времени с-1, мин-1, ч-1 и т. д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер со временем убывает, а не растет.

Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавливает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.

Математическое выражение этого закона, описывающее процесс убывания количества радиоактивных ядер со временем, отображается следующей формулой:

Nt = N0e-λ t , (Nt = N0e-0,693t/Т ) (1),

где, Nt – число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени;

N0 – исходное число радиоактивных ядер в момент времени t=0;

λ – постоянная радиоактивного распада (=0,693/Т);

Т – период полураспада данного радиоизотопа.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике пользуются периодом полураспада.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т и выражается в единицах времени.

Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от долей секунды до миллионов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различным периодом полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) – 13153I (8,05 суток), 21484Po (1,64*10-4сек.) и долгоживущие (годы) – 23892U (T=4.47 млрд. лет), 13755Cs (30 лет), 9038Sr (29 лет).

Между периодом полураспада и постоянной распада существует обратная зависимость, т. е. чем больше λ, тем меньше Т, и наоборот.

Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой (Рис. 2.1.). Как видно из рисунка, с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаюсь к нулю [ и др., 1999].

Рис. 2.1. Графическое изображение закона радиоактивного распада.

Активность радиоактивного элемента равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного вещества, тем выше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т. е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность.

В системе СИ единицей активности является беккерель (Бк) – распад в секунду (расп/с). Наряду с Бк используется внесистемная единица – кюри (Ки). 1Ки – это активность любого радиоактивного вещества (изотопа) в котором происходит 3,7*1010 актов распада в секунду. Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия.

1Ки = 3,7*1010 Бк; 1мКи = 37МБк 1мкКи = 37 кБк

Активность любого радиоактивного препарата по истечении времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:

At = A0е-0,693 t/Т (2),

где At – активность препарата через время t;

А0 – исходная активность препарата;

е – основание натуральных логарифмов (е=2,72);

t – время, в течение которого распадался радиоизотоп;

Т – период полураспада; значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (мин., сек., часы, дни и т. д.).

(Пример: Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на определенный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента через неделю. Период полураспада Т элемента 32Р составляет 14,3 дня. Активность 32Р через 7 суток. At = 5 * 2,720,693*7/14,3 = 5 * 2,720,34 = 3,55 мКи).

Единицы кюри (Ки) для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этих целей введена другая единица – эквивалент 1 мг радия (мг-экв. радия). Миллиграмм-эквивалент радия – это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона радия РФ при использовании платинового фильтра толщиной 0,5 мм. Единица миллиграмм-эквивалент радия не установлена существующими стандартами, но широко используется на практике.

Точечный источник в 1мг (1мКи) радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации через платиновую пластину толщиной 0,5 мм создает в воздухе на расстоянии 1см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эту величину называют ионизационной гамма-постоянной радия и обозначают буквой Кγ . Гамма-постоянная радия принята за эталон мощности дозы излучания. С ней сравнивают Кγ всех других гамма-излучателей. Существуют таблицы гамма-постоянных для большинства радиоактивных изотопов.

Так, гамма-постоянная 60Со составляет 13,5 Р/ч. Сравнение гамма-постоянных радия и 60Со показывает, что 1 мКи радионуклида 60Со создает дозу излучения, в 1,6 раза большую, чем 1 мКи радия (13,5/8,4=1,6). Иначе говоря, по создаваемой дозе излучения в воздухе 1 мКи радионуклида 60Со эквивалентен 1,6 мКи радия, т. е. гамма-излучение, испускаемое препаратом 60Со активностью 0,625 мКи, создает такую же дозу излучения, что и 1 мКи радия.

Гамма-эквивалент М изотопа связан с его активностью А (мКи) через ионизационную гамма-постоянную Кγ соотношениями:

М = АКγ/8,4 или А = 8,4М/Кγ (3),

которые позволяют перейти от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в мКи и наоборот.

Тема: Нуклиды и изотопы. Понятие о природе

радиоактивности.

Дата проведения урока:

Тема: Нуклиды и изотопы. Понятие о природе радиоактивности. 8 класс

Сформировать понятия «нуклид», «изотопы», расширить представления учащихся о понятии «химический элемент», сформировать первоначальные представления о природе радиоактивности.

Задачи:

1.Обеспечить усвоение понятия «нуклид», понятия «изотопы» на основании разрешения проблемной ситуации, уточнение понятия «химический элемент»; дать понятие о природе радиоактивности.

2. Продолжить развитие учебно - организационных

умений, учебно-интеллектуальных (анализировать, сопоставлять, сравнивать, обобщать, делать выводы), учебно-информационных (работать с учебной книгой, материалами самопроверки, диагностическими

и рефлексивными тестами, со схемами), учебно-коммуникативных (слушать, владеть устной и

письменной речью, сотрудничать).

3. Воспитывать умение участвовать в коллективном

обсуждении результатов собственной учебной деятельности, воспитывать экологическую культуру, обращая внимание на опасности связанные с использованием радиоактивности

Оборудование:

Тип урока:

Учебник, периодическая система химических элементов, конспект.

Комбинированный.

Технологическая карта

( 13 мин.)

1. Проверка домашнего задания.

1. Мотивация.

Индивидуальный опрос.

(3 человека)

Сообщает тему урока.

Отвечают на вопросы учителя.

Открывают тетрадь, записывают дату и новую тему.

Формирование новых знаний (20 мин.)

1. Понятие «нуклид».

1. Изотопы.

3.3 Относительная атомная масса.

3.3Понятие радиоактивности.

Вводит понятие «нуклид».

Дает определение понятия «изотопы», предлагает отметить в конспекте определения.

Дает понятие « Относительная атомная масса».

Дает представление о радиоактивности.

Слушают объяснение

учителя, делают

соответствующие записи

в рабочей тетради.

Слушают, конспектируют.

Слушают, конспектируют.

Слушают, конспектируют.

Применение новых знаний и умений

(6 мин.)

Формулирует вопросы для закрепления новой темы.

Отвечают на вопросы. Решают задачи у доски и в тетрадях.

Домашнее задание (2 мин.)

Объясняет выполнение домашнего задания.

Записывают домашнее задание в дневник.

Рефлексия (2 мин.)

Организация оценки урока учениками, их самооценки в усвоении нового материала.

Оценивают урок, дают самооценку усвоения материала.

Ход урока.

Организационный момент.

Актуализация знаний.

2.1 Проверка домашнего задания.

Вопрос для первого учащегося:

Планетарная модель строения атома.

Дополнительный вопрос:

Чему равны заряд ядра и число электронов у атомов следующих элементов: N , Al , Fe , Br , Au ?

Вопрос для второго учащегося:

Какие существуют параметры для характеристики атома?

Дополнительный вопрос:

Какова формулировка периодического закона Д.И.Менделеева?

Вопрос для третьего учащегося:

Какова структура Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева?

Дополнительный вопрос:

Как изменяются свойства химических элементов в малом периоде?

2.1 Мотивация.

Большинство элементов, содержащихся в природе, состоит из нескольких видов атомов, отличающихся значениями относительной атомной массы. Пример: хлор в природе встречается как смесь двух видов атомов, один из которых содержит 18, а другой – 20 нейтронов в ядре.

Каждый вид атомов независимо от принадлежности к конкретному элементу однозначно описывается числом нуклонов (суммой протонов и нейтронов). Поэтому число видов атомов превышает число элементов.

Формирование новых знаний.

Вот мы и подошли к теме нашего урока: Нуклиды и изотопы. Понятие о природе радиоактивности. Запишите его в тетрадь.

1. Нуклиды.

Исследованиями начала XX в. было установлено, что атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы. Это объясняется тем, что в их ядрах при одном и том же числе протонов может находиться разное число нейтронов. Общее число протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называется массовым числом атома (А):

А = Z + N.

Массовое число практически определяет массу ядра, а следовательно,

и массу всего атома, так как масса электронов составляет ничтожную часть

общей массы атома.

Заряд ядра атома Z (т. е. число протонов) и его массовое число А указывают числовыми индексами слева от символа химического элемента -

Z R

например :

16 19 92

35 S, 40 K, 238 U

Запишем определение в тетрадь:

Вид атомов с определенным значением атомного номера и массового

числа называется нуклидом.

Для обозначения нуклида используют название элемента или его символ, где указывают только массовое число: углерод-12, или

12 16 32

С; кислород-16, или О; сера-35, или S.

Число нейтронов N у любого нуклида легко подсчитать по разности

N = А − Z. Так, у нуклида серы 35S в ядре находится 19 нейтронов (35 − 16 =19), а у нуклида калия 40К - 21 (40 − 19 = 21) и у нуклида урана 238

U - 146 (238 − 92 = 146) нейтронов.

Еще один вопрос стоял перед учеными: почему относительные атомные массы большинства элементов не являются целочисленными величинами, хотя массовые числа их нуклидов выражаются целыми числами?

Открытие изотопов позволило дать ответ на этот вопрос.

3.2 Изотопы.

В начале XX в. было доказано, что большинство химических элементов в природе существует в виде нескольких нуклидов. Так, природный литий (Z = 3), кроме нуклидов, в ядрах которых находится 4 нейтрона, имеет нуклиды с числом нейтронов 3. Массовые числа таких нуклидов равны соответственно 6 и 7:

3 3

6 Li и 7 Li

Нуклиды такого типа назвали изотопами. Запишем определение (учащиеся записывают в тетради):

Изотопами называются нуклиды, имеющие одинаковый атомный но-

мер (т. е. одинаковое число протонов в ядре), но различные массовые

числа. Следовательно, нуклиды

3 3

6 Li и 7 Li - изотопы лития, а нуклиды

1 1 1

1 Н 2 Н 2 Н - изотопы водорода. Другими словами, изотопы - это разновидности атомов одного и того же элемента, в ядрах которых содержится разное число нейтронов.

Слово «изотопы» в переводе с греческого языка означает«занимающие

одно место». Изотопы любого элемента действительно занимают одно место в периодической системе, так как принадлежат одному и тому же элементу. Следовательно, и химические свойства изотопов данного элемента также будут одинаковы. Теперь мы можем дать более точное определение химического элемента. Запишем его в тетрадь (учащиеся записывают определение в тетрадь):

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Следовательно, атомы данного химического элемента - это нуклиды

с одинаковым зарядом ядра (атомным номером).

3.3 Относительная атомная масса

В природе большинство химических элементов существуют в виде смеси нуклидов, каждый из которых характеризуется своим собственным значением массового числа. Поэтому относительная атомная масса данного элемента является усредненной величиной относительных атомных масс его нуклидов. Конечно, при этом учитывается содержание каждого нуклида в природной смеси.

Теперь понятно, почему относительная атомная масса калия меньше, чем аргона. У калия более 93 % его природных атомов имеет массовое число 39, а у аргона 99 % природной смеси приходится на долю нуклида аргон-40. Поэтому относительная атомная масса калия ближе к 39, а аргона - к 40. Однако заряд ядра атомов калия равен 19 +, а аргона 18 +, и поэтому в таблице они размещаются согласно этой главной характеристике химического элемента.

Уточним и запишем в тетрадь определение относительной атомной массы химического элемента.

Относительная атомная масса элемента - физическая величина, которая показывает, во сколько раз средняя масса атомов данного химического элемента больше 1/12части массы нуклида углерода-12 (12С).

Обобщая сказанное выше, можно записать:

Массовое число = Число нуклонов в ядре.

Порядковый номер = Число протонов в ядре или число электронов в оболочке атома.

Разность между массовым числом и порядковым номером = число нейтронов в ядре.

3.4 Явление радиоактивности.

Все нуклиды можно разделить на два типа: стабильные и радиоактивные.

Само название «стабильный» говорит об устойчивости данного нуклида, т. е. его способности существовать без изменения состава ядра сколь угодно долго. Большинство нуклидов, входящих в состав окружающих нас веществ, являются стабильными. Это водород-1, кислород-16, углерод-12, литий-6, литий-7 и др. Стабильность этих нуклидов определяется прежде всего устойчивостью их ядер.

Устойчивость ядра зависит только от соотношения между числом протонов и нейтронов (для каждого элемента оно свое). Если это соотношение выходит за определенные пределы, ядро (а вместе с ним и атом) становится неустойчивым. Оно самопроизвольно распадается, превращаясь в ядра атомов других элементов. При этом происходит испускание различных частиц. Это явление и есть радиоактивность.

Ребята, давайте запишем это определение. Учащиеся записывают определение в тетрадь.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение не-

устойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц.

Например, ядра атомов радия Ra-226 распадаются на ядра атомов радона Rn-222 и ядра атомов гелия He-4 (посмотрите на рисунок № 18 на странице 48 учебника):

226 222 4

Ra → Rn + He .

88 86 2

Нуклиды, способные к радиоактивному распаду, называются радионуклидами . Например, уран-238, иод-131, стронций-90, цезий-137 - радионуклиды.

Устойчивость радионуклидов характеризуют периодом полураспада. Период полураспада (τ1/2) - это время, в течение которого распадается половина первоначального количетва ядер радиоактивных атомов элемента. Очевидно, что спустя два периода полураспада останется четверть, а спустя три - одна восьмая всех имевшихся радионуклидов. Чем больше период полураспада, тем дольше сохраняется радионуклид и тем продолжительнее

его влияние на окружающую среду и человека. Например, с апреля 1986 г. после аварии на Чернобыльской АЭС прошло уже больше пятисот периодов полураспада иода-131(τ1/2 = 8,5 сут), и он практически исчез. В то же время цезий-137 (τ1/2 равен примерно 30 лет) и другие радионуклиды продолжают находиться на зараженных территориях.

Применение новых знаний.

Ребята, а сейчас давайте с вами повторим пройденный материал (учащиеся, совместно с учителем отвечают на вопросы).

Дайте определение понятий: «нуклид», «изотопы», «химический элемент»,

«радиоактивность».

16 17 3 4

Укажите состав ядер нуклидов изотопов: а) O, O; б) He, He.

Запишите символы нуклидов цинка, ядра которых содержат 34, 36, 38, 40 нейтронов.

234 235 238

Поясните, чем отличаются нуклиды изотопов урана 92 U 92 U 92 U

Домашнее задание.

§ 10 (устно), зад. 5, 7, 10.

Рефлексия.

Ребята вам понравилось занятие? Нарисуйте в виде смайликов свое отношение к занятию.

(N ), причём ядро находится в определённом энергетическом состоянии (основном состоянии или одном из изомерных состояний).

Число протонов Z представляет собой атомный номер элемента, а сумма A = Z + N - массовое число. Нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (то есть обладающие одинаковым числом протонов), называются изотопами , одинаковое массовое число - изобарами , одинаковое число нейтронов - изотонами . Атомы изотопов являются атомами одного и того же химического элемента (например, изотопы кислорода кислород-16, кислород-17 и кислород-18 имеют одинаковое число протонов, Z = 8 , но разное число нейтронов, N = 8, 9 и 10 ). При этом одинаковые изотопы одного и того же элемента могут представлять собой разные нуклиды - изомеры ; именно поэтому предпочтительно употребление термина «нуклид» (а не «изотоп») при описании явлений, связанных с радиоактивностью . Атомы изобаров относятся к разным химическим элементам, например азот-16, кислород-16 и фтор-16; в каждой изобарической цепочке (то есть в полном наборе изобаров, имеющих данное массовое число) все химические элементы различны, если не учитывать изомерных состояний нуклидов. Так, в изобарической цепочке с A = 6 известны 4 нуклида: водород-6 с N = 5 и Z = 1 , гелий-6 (4, 2), литий-6 (3, 3) и бериллий-6 (2, 4); теоретически может существовать также бор-6 (1, 5), но экспериментально он не наблюдался.

Среди радионуклидов выделяются короткоживущие и долгоживущие. Радионуклиды, существующие на Земле с момента её формирования, часто называют природными долгоживущими , или примордиальными радионуклидами ; такие нуклиды имеют период полураспада, превышающий 5·10 8 лет. Для каждого элемента были искусственно получены радионуклиды; для элементов с атомным номером (то есть числом протонов), близким к одному из «магических чисел», количество известных нуклидов может доходить до нескольких десятков. Наибольшим количеством известных нуклидов - 46 - обладает (без учёта изомерных состояний) . Некоторые элементы имеют лишь один стабильный нуклид (так называемые моноизотопные элементы , например, золото и кобальт), а максимальным числом стабильных нуклидов - 10 - обладает олово . У многих элементов все нуклиды радиоактивны (все элементы, имеющие атомный номер больше, чем у свинца , а также технеций и прометий). Каждому массовому числу соответствует от 0 до 3 стабильных нуклидов, числу нейтронов - от 0 до 6. Общее число всех известных нуклидов превышает 3100 (без учёта изомеров ; на сегодня известно около 1000 нуклидов в основных состояниях, для которых существуют одно или несколько метастабильных возбуждённых состояний с периодом полураспада, превышающим 0,1 мкс ).

Для многих нуклидов (в том числе стабильных) предсказан тот или иной вид радиоактивности, в действительности не наблюдающийся из-за чрезвычайно большого периода полураспада. В частности, для любого данного массового числа A возможен только один бета-стабильный нуклид, соответствующий глобальному минимуму энергии в данной изобарной цепочке. Для остальных нуклидов с данным A кинематически разрешён обычный или двойной бета-распад (включая β − , β + или

Z и N в ядрах). Для обозначения нуклида используют назв. элемента, к к-рому через дефис присоединяют значение А (напр., кислород-16, иод-131, уран-235), или символ хим. элемента, рядом с к-рым вверху слева указывают А (16 О, 131 I, 235 U). Масса нуклида, выраженная в (а. е. м.), округленно равна А (только у одного нуклида 12 С значение массы в а. е. м. целочисленно и в точности равно 12). Точные значения масс отдельных нуклидов определяют экспериментально методом . В принципе масса каждого нуклида равна сумме масс и , входящих в состав ядер, минус масса, отвечающая энергии связи и в ядре (т. наз. д е ф е к т м а с с ы), плюс масса , образующих электронную оболочку , минус масса, отвечающая энергии связи с ядром. Для нуклидов легких элементов массы обычно несколько меньше (напр., масса 16 О 15,99491464 а. е. м.), для нуклидов тяжелых элементов массы м. б. несколько больше (напр., масса 232 Th 232,038053805 а.е.м.).

Н уклиды подразделяют на стабильные и радиоактивные (). У каждого элемента с четным Z (до Z = 82) существует 2 или более стабильных нуклидов, встречающихся в природе, у элементов с нечетными Z м. б. 1 или самое большее 2 стабильных нуклида; у "нечетных" элементов Тс (Z = 43), Pm (Z = 61) и у всех "нечетных" элементов с Z >= 85 стабильных нуклидов нет, все нуклиды радиоактивны. Всего стабильных нуклидов ок. 270; из всех ок. 50 встречаются в природе, остальные (ок. 1700) получены искусственно. В настоящее время известны практически у всех элементов. Мн. стабильные и радиоактивные нуклиды используются как (). В СССР промышленно производится ок. 140 и большое число препаратов, обогащенных определенными стабильными нуклидами.

Для систематики нуклидов предложены разл. графич. формы; наиб. распространение получила таблица нуклидов, разработанная учеными ФРГ и приведенная, в частности, в т. 3 "Физической энциклопедии" (издательство "Советская энциклопедия", М., 1991). Наиб. надежные результаты эксперим. определения характеристик приведены в издании: "Схемы распада . Энергия и интенсивность излучения". Публикация 38-й Международной комиссии по радиац. защите (МКРЗ: В 2 ч., 4 кн., пер. с англ., М., 1987). Точные значения масс отдельных стабильных нуклидов и данные об их распространенности в природе содержатся в публикации (см. "Pure and Appl. Chem.", 1984, v. 56, № 6, p. 695-768).

Н уклиды одного элемента наз. ; нуклиды разл. элементов с одинаковыми значениями А -и з о б а р а м и. Возможно существование двух и даже трех стабильных (напр., 96 Zr, 96 Mo и 96 Ru). Из-за различий в энергиях связи и в ядрах точные значения масс отдельных различаются между собой. Нуклиды разл. элементов с одинаковым значением N наз. и з о т о н а м и (напр., 95 Мо, 96 Тс, 97 Ru).

Для ядер стабильных нуклидов с Z приблизительно до 20-25 число примерно равно числу , по мере дальнейшего увеличения Z для стабильных нуклидов отношение числа в ядре к числу постепенно увеличивается до 1,5. Ядра нуклидов, содержащие большее число , чем это соответствует стабильным ядрам данного элемента, при радиоактивном распаде обычно испускают b - -частицы, причем Z увеличивается на 1; ядра нуклидов, обедненные , м. б. как b + -радиоактивными, так и претерпевать электронный захват, при этом Z уменьшается на 1 (см. ).

Распространенность нуклидов в земной коре зависит от мн. факторов, определяющих устойчивость ядер (энергии связи и в них), и от первонач. условий, при к-рых образовывались эти нуклиды. Наиб. распространен в земной коре 16 О, ядра к-рого содержат по 8 и и являются "дважды магическими". В прир. смеси