46. Строеж на атомното ядро. Особености на ядрените сили. Естествена радиоактивност. Свойства на α, β и γ лъчението.Закон за радиоактивното разпадане. Радиоактивни семейства. Ядрени реакции. Основни типове.

46.1. Строеж на атомното ядро.

 Опитите на Ръдърфорд по разсейването на алфа частици показват, че в атома има малко по размери (в сравнение с размерите на атома) положително ядро, в което е съсредоточена приблизително цялата маса на атома (99.97%). Откриването на неутрона и други елементарни частици, изследването на радиоактивността и др. позволяват да се създадат съвременните представи за строежа на атомното ядро. През 1932 г. Иваненко и Хайзенберг предлагат т.н. протонно-неутронен модел на ядрото. Според този модел всяко ядро е изградено от два вида частици – протони и неутрони, наречени с общото име нуклони. Протонът е частица с положителен заряд, равен на заряда на електрона, с маса равна на 1836 електронни маси, с квантова характеристика спин равна на ½, и собствен магнитен момент. Неутронът е електронеутрален, с маса, близка на тази на протона (1838.5 електронни маси), с квантова характеристика спин равна на ½, и собствен магнитен момент. В свободно състояние неутронът е нестабилен и се разпада на протон, електрон и антинеутрино (n → p + e + υ). Броя на протоните в ядрото се означава със Z. Z определя поредния номер на елемента в периодичната система на Менделеев и се нарича атомен номер. Броя на неутроните в ядрото се означава с N. Общият брой на нуклоните в ядрото е А=N+Z и се нарича масово число. За означаване на ядрото на химичен елемент се използва означението , където X е химичния символ на елемента.

Ядра, които имат еднакъв брой протони и различен брой неутрони си наричат изотопи. Например  и са изотопи на водорода, съответно обикновен водород, деутерий и тритий.

Ядра с различен атомен номер и еднакво масово число се наричат изобари, а ядра, коино съдържат еднакъв брой неутрони се наричат изотони.

Досега са известни около 1500 ядра, от които около 300 са стабилни. Не при всяко съотношение между протони и неутрони може да се получи стабилно ядро. По-голяма част от стабилните ядра имат четен брой протони и неутрони. При увеличаване на атомния номер, относителният брой на неутроните се увеличава.

С известно приближение може да се приеме, че ядрата на атомите имат сферична форма. Установено е също, че ядрената плътност е постоянна, не се променя в зависимост от вида на ядрото и е от порядъка на 10¹⁷ kg/m³. Следователно радиусът на ядрата може да представим като , където R_o има стойност от 1.3.10^-15 до 1.4.10^-15m.

Ядрата на атомите се характеризират с квантовата характеристика спин I и магнитен момент. Спинът на ядрото се определя от векторната сума от спиновете на съставящите го нуклони и е от порядъка на няколко единици, независимо от броя на нуклоните. Това показва, че спиновете на нуклоните в ядрото се компенсират взаимно. Спинът на ядра с четен брой нуклони е цяло число, а на тези с нечетен брой е кратен на ½. За всички четно-четни ядра спиновете на ядрата са равни на нула. Магнитните моменти са свързани със спиновете им чрез зависимостта P_я = g_я.I. където P_я  е магнитния момент на ядрото, g_я  е т.н. магнито-механично отношение или g факторът на ядрото.

Масата на ядрата е винаги по-малка от общата маса на съставящите ги нуклони. Например кислородният атом има маса 15.995 атомни единици за маса, а масата на 8 протона и 8 неутрона е 16.132. Разликата в масите се нарича масов дефект.

ΔM = Z.m_p +N.m_n - m_я

Енергията, съответстваща на масовия дефект (ΔE=ΔM.c²), се нарича енергия на свързване на ядрото. Това е енергията, която би се освободила, ако разтлежданото ядро бъде образувано от неговите съставни нуклони. Същата енергия е равна на работата, коята трябва да се извърши, за да се раздели ядрото на съставящите го нуклони.

46.2. Ядрени сили.

Атомните ядра са стабилни благодарение на ядрените сили, които са една от фундаменталните сили в природата. Те са 100 пъти по-силни от електромагнитните. Характеризират се с няколко особености:

• Зарядова независимост – еднакви сили действат както между протон и неутрон, така и между два неутрона или между два протона
• Ядрените сили са близкодействуващи – проявяват се на разстояние до   10^-15 m и намаляват бързо с увеличаване на разстоянието
• Притежават свойството насищане, т.е. всяка частица взаимодейства с определен брой нуклони.
• Зависят от ориентацията на спиновете на взаимодействащите си нуклони
• Не са централни сили, т.е. не зависят обратно пропорционално от квадрата на разстоянието между нуклоните.
• Ядрените сили според съвременните представи са обменни сили, т.е. осъществяват се посредством непрекъснат обмен на определен вид елементарни частици (π – мезони).

46.3. Радиоактивност

1896 г. френският физик Анри Бекерел установил, че някои срещащи се в природата минерали (уранови руди) изпускат неизвестни до тогава лъчи, които имат свойството да йонизират въздуха и имат фотохимично действие. Мария Кюри, по късно открила новите елементи радий и полоний, нарекла това явление радиоактивност, както го наричаме и сега.

Под радиоактивност се разбира спонтанно (самоволно) превръщане на едни ядра в други, което се придружава от излъчване на елементарни частици и (или) гама кванти. В зависимост от това, дали радиоактивните ядра съществуват в природата или са получени чрез ядрени реакции, говорим за естествена или изкуствена радиоактивност. Принципна разлика между двата вида радиоактивност няма.

В зависимост от вида на лъчението, излъчвано от ядрата при естествената радиоактивност, говорим за алфа или бета разпадане (α, β разпадане). Обикновено α и β разпадането се придружават от излъчване на гама лъчи (γ), които представляват електромагнитно лъчение с малка дължина на вълната.

Алфа частиците представляват хелиеви ядра , поради което при α-разпадането масовото му число намалява с 4, а атомният му номер с 2 единици.

Според съвременните представи α-частица не съществува в готов вид в ядрото, а се образува в момента на излъчване.

Съществуват 3 вида β – разпадане – електронно, позитронно и електронно захващане. При електронното разпадане се излъчва електрон и антинеутрино.

При позитронното разпадане се отделя позитрон (античастицата на електрона с положителен заряд) и неутрино.

Електронното разпадане може да се разглежда като превръщане на един неутрон от ядрото в протон, а позитронното разпадане като превръщане на ядрен протон в неутрон.

При електронното захващане ядрото поглъща един електрон, най-често от вътрешния слой.

Енергиите на β-частицата, които се излъчват от ядрото, се менят от нула до някаква максимална енергия Е_max. Това се дължи на факта, че едновременно с β-частицата се излъчва и още една частица – неутрино или антинеутрино,и енергията се разпределя по случаен начин между двете частици.

Гама лъчите представляват електромагнитно лъчение с малка дължина на вълната. Поради това при гама излъчването не се променя нито масовото число, нито поредния номер на елемента. Гама излъчването обикновено придружава α и β разпадането.

46.4. Закон за радиоактивното разпадане

Радиоактивното разпадане е свойство на всяко отделно ядро. Вероятността едно ядро да се разпадне не зависи от агрегатното и химическото състояние на веществото, което то съдържа, температурата, налягането и присъствието на други атоми и ядра. Поради това броят на ядрата, които се разпадат за единица време, е пропорционален само на общия брой ядра N в този образец.

Коефициентът на пропорционалност λ се нарича константа на радиоактивното разпадане и характеризира вида на радиоактивните ядра и типа разпадане. Ако в момент t=0 броят на радиоактивните ядра е N₀, а в момент t е N, то като интегрираме горната формула се получава .

Тази формула представлява закона за радиоактивното разпадане. Реципрочната стойност на константата на радиоактивното разпадане  се нарича средно време на живот на съответния вид радиоактивни ядра.

Времето Т_1/2, за което се разпадат половината от първоначалния брой радиоактивни ядра се нарича период на полуразпадане. От закона за радиоактивното разпадане можем да получим израз за Т_1/2, като положим N=N₀/2  при t=T_{1/2 .} Тогава

Периодът на полуразпад на известните досега радиоактивни ядра може да бъде от 10^-7 секунди до 10¹⁵ години.

Активността на дадено радиоактивно вещество се дефинира като броя на разпадналите се ядра за единица време. Единицата за измерване на активността на радиоактивно вещество се нарича Бекерел (Bq). Активността на едно вещество е 1 Bq, ако за време 1 секунда се разпада 1 ядро. Извънсистемна единица за активност е кюри (Ci) – 1 Ci = 3.7 .10¹⁰ Bq.

46.5. Радиоактивни семейства

Процесът на радиоактивно разпадане обикновено приминава през няколко последователни етапа, образувайки верига от радиоактивни елементи. Радиоактивният елемент след излъчване на частица се превръща в нов елемент, който също е радиоактивен и т.н. Образува се редица от радиоактивни елементи, всеки от които е получен от предходния. Съвкупността от тези елементи се нарича радиоактивно семейство. Те започват с радиоактивен елемент от края на периодичната система и завършват със стабилен изотоп на елемент от средата на периодичната система. Известни са 4 радиоактивни семейства – на тория, урана, актиния и нептуния. Например семейството на урана започва с ²³⁸U и завършва с ²⁰⁷Pb; на тория с ²³²Th  и завършва с ²⁰⁸Pb; на актиния с ²³⁵Ac и завършва с ²⁰⁷Pb и на нептуния с ²³⁵Np и завършва с ²⁰⁹Br.

46.6. Ядрени реакции

Ядрени реакции наричаме най-общо процеса на превръщане на ядро на един химичен елемент в ядро на друг елемент в резултат на взаимодействието на ядрото с елементарна частица или друго ядро.

Най често имаме взаимодействие на лека частица а с ядро мишена X, при което се образува ядро Y и че отделя частица b.

X + a → Y + b

Съкратено тази реакция може да се запише по следния начин  X ( a, b ) Y.

Първата ядрена реакция е осъществена от Ръдърфорд през 1919 г. при облъчване на азот с алфа – частица.

При ядрените реакции са в сила законите за запазване на нуклоните, за запазване на електричния заряд, за запазване на енергията и импулса.

Ядрените реакции може да се класифицират в няколко типа. Първият е поглъщане на бомбардиращата частица от ядрото и получаване на ново ядро.

Вторият тип е поглъщане на частица от ядрото, след което се получава ново ядро и се излъчва елементарна частица – протон, неутрон, електрон, алфа-частица.

Третият тип е делението на ядрото на части. Наблюдава се главно при тежки ядра. За да се раздели едно тежко ядро, трябва да му се предаде допълнителна енергия (активационна енергия). Тази енергия ядрото може да получи, като погълне един неутрон.

По този начин могат да се делят и ядрата на . При тези реакции се отделя голямо количество енергия и те стоят в основата на ядрената енергетика. При делението на едно ядро се отделят няколко неутрона, което създава възможност за делението на нови ядра и т.н. и води до лавинообразно нарастване на броя на разпадналите се ядра и възникването на верижна реакция. Ако не се контролира тази верижна реакция се получава атомна бомба. Контролирани ядрени реакции чрез поглъщатели и забавители на неутрони се използват в ядрените реактори.

Четвъртият тип ядрени реакции са реакции на сливане на леки ядра. Те се наричат термоядрен синтез. При тях също се отделя голямо количество енергия.

За да протече реакция на сливане, взаимодействащите ядра трябва да се доближат на разстояние, на което действат ядрените сили. Затова е необходима много висока температура – от порядъка на 10⁸К. Такива реакции са източник на енергия и за звездите.