Владимир Ушаков – Радиационная безопасность. От теории к практике (страница 2)

Это соотношение выражает закон взаимосвязи массы и энергии для любых тел, элементарных частиц и полей, подтверждая неразрывность движения и материи, оно подчеркивает общность всех видов энергии. Закон зависимости массы от скорости и закон взаимосвязи между массой и энергией получили экспериментальное подтверждение при ядерных реакциях, они имеют большое значение при расчетах ядерных процессов. Эти закономерности лежат в основе теории современной ядерной физики.

Так как с² является величиной постоянной, то всякое изменение энергии тела влечет за собой соответствующее изменение его массы, следовательно, количество энергии тела может оцениваться и величиной его массы. Поэтому не должно представляться странным выражение: «Солнце ежеминутно излучает энергию в количестве, равном 250х10⁶ т».

Все тела с одинаковой массой содержат одинаковое количество энергии. Чтобы оценить энергию 1 г любого тела (металла, угля, песка и др.), надо в соотношение Эйнштейна поставить вместо m единицу, а вместо с – значение скорости света (3х10¹⁰ см/с). Тогда, тело с массой 1 г обладает энергией, равной 9х10²⁰ эрг или 2,15х10¹³ кал или 9х10¹³ Дж, что соответствует количеству энергии, выделяющейся при сжигании около 3000 т каменного угля.

Из показанного примера следует, что природа располагает неисчислимыми запасами энергии, даже малой части которых достаточно для удовлетворения потребностей в энергии всего человечества. Однако в настоящее время освобождение и использование этой энергии является пока еще сложной проблемой.

Прежде чем приступить к рассмотрению вопросов, связанных с количественным выражением значений энергии, предлагается рассмотреть единицы измерения энергии и их количественные соотношения, вытекающие из эквивалентности различных физических форм энергии (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Соотношения между энергетическими единицами

1кг массы вещества соответствует 5,61х10²² МэВ или 0,603х10²⁴ а.е.м., а 1 а.е.м., в свою очередь, соответствует 1,66х10^—27 кг массы вещества.

В качестве единицы измерения энергии элементарных частиц в атомной физике применяют электрон-вольт (эВ). Один электрон-вольт (1 эВ) – это такое количество энергии, которое приобретает электрон при перемещении в постоянном электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. При этом, электрическое поле совершает работу перемещения электрона, в результате чего энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона.

Ввиду того, что электрон-вольт представляет очень малую величину, энергию элементарных частиц измеряют в мегаэлектрон-вольтах (МэВ) (1 МэВ=10⁶ эВ). Мегаэлектрон-вольт – малая величина энергии: 1 МэВ=1,6х10¹³ Дж.

Электрон – стабильная элементарная частица, легчайшая из электрически заряженных материальных элементарных частиц. Электрон является также наименьшей частицей отрицательного электричества. Величина заряда электрона называется элементарным зарядом.

Важнейшими характеристиками элементарных частиц являются масса покоя (называемая также собственной массой) и электрический заряд. Масса покоя электрона m_е=9,1095х10^—31 кг, отрицательный электрический заряд его (элементарный электрический заряд) равен 1,6х10^—19 Кл (кулон): 1 Кл – количество электричества, протекающего за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Массы других частиц обычно выражают или в массах электрона, или в так называемых атомных единицах массы (а.е.м.).

За физическую атомную единицу массы принята ¹/₁₂ часть массы изотопа углерода ¹²С (1 а.е.м. = 1,66х10^—27 кг, т.е. в 1824 раза больше массы покоя электрона (1 а.е.м.=1824 m_е)).

1.1.2. Строение вещества

В настоящее время известно около 1,5х10⁶ типов молекул. Однако атомов к началу 1964 г. было идентифицировано 101, из них в природе встречаются 88, а 13 получаются искусственно. Все известные молекулы построены примерно из 60 типов атомов.

Множество атомов одного типа называется химическим элементом. Таким образом, эти элементы являются теми «кирпичами», из которых сложены в многообразных комбинациях все тела окружающего нас материального мира – неорганического, органического, растительного и животного.

Атом является мельчайшей первичной частицей химического элемента. Он представляет собой сложную электродинамическую систему, состоящую из двух частей: небольшой очень плотной положительно заряженной центральной части, именуемой ядром, и легкой внешней (орбитальной) электронной оболочки, образованной отрицательно заряженными элементарными частицами – электронами. Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие из элементарных материальных частиц – протонов с положительным электрическим зарядом и нейтронов, которые электрического заряда не имеют. Протоны и нейтроны носят общее название – нуклоны.

Ядро атома водорода (наиболее легкого из всех элементов) состоит из одного протона и не содержит нейтронов.

Протон – стабильная элементарная частица, обладающая положительным зарядом (ядро атома водорода). Масса протона в 1837 раз больше массы электрона (т. е. составляет 1837 m_е или 1,00758 а.е.м.). Заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона, но противоположен ему по знаку, т. е. равен одной положительной элементарной единице заряда. Протон обозначается ¹₁р, где индексы обозначают массу и заряд протона.

Нейтрон – это нейтральная частица. Масса нейтрона равна 1839 m_е или 1,00893 а.е.м., то есть примерно равна массе протона. В свободном состоянии нейтрон – неустойчивая частица и претерпевает превращения. Нейтрон обозначается ¹₀n, где индекс 0 – заряд нейтрона, индекс 1 – масса нейтрона.

Таким образом, почти вся масса атома сосредоточивается в его ядре; масса электронной оболочки составляет сотые доли процента массы атома (см. табл. 1.2).

Таблица 1.2

Значения масс покоя и электрических зарядов элементарных частиц атома

При нормальном (невозбужденном) состоянии атома число электронов его оболочки равно числу протонов ядра, следовательно, атом электрически нейтрален. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядрах атомов (кроме ядра атома водорода) равняется приблизительно единице для легких ядер и постепенно возрастает до 1,6 с увеличением массы ядра.

В современной физике принято считать, что атомы имеют строение, напоминающее (геометрически) планетную систему Солнца. В центре электродинамической системы атома находится ядро, вокруг которого движутся по своим орбитам электроны. Геометрическая модель атома представлена на рис. 1.1.

Число положительных зарядов атомного ядра (число протонов) называется атомным номером Z элемента.

Число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом А элемента A = N + Z,

где N – число нейтронов в ядре (N = А – Z).

Заряд ядра обусловлен наличием в нем протонов. Заряд любого ядра равен Q = Ze,

где е – заряд протона, Кл.

Рис. 1.1. Планетарная модель атома

По величине заряда ядра все химические элементы располагаются в определенной последовательности в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева. Порядковый номер элемента в этой таблице равен заряду его ядра.

Вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре называют нуклидом и обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например, ⁴₂He – гелий с зарядом, равным двум зарядам электрона, и массовым числом, равным 4 (см. рис. 1.1).

Массовое число равно ближайшему целому числу, выражающему атомный вес элемента. Например, записи, характеризующие изотопы урана: ²³⁸₉₂U, ²³⁵₉₂U и ²³³₉₂U, означают, что все эти изотопы имеют один атомный номер 92, числа же нейтронов их атомных ядер различны и соответственно равны: 238—92=146; 235—92=143 и 233—92=141.

Количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре (см. рис.1.1). Электроны в атоме сгруппированы по электронным оболочкам (орбитам), номера которых возрастают по мере удаления от ядра: n=1,2,3,4… Суммарный отрицательный заряд всех орбитальных электронов равен суммарному положительному заряду протонов ядра. Атом в нормальном состоянии – электрически нейтральная система.

Энергия связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме, зависит от расстояния электрона до центра атома. Каждая орбита соответствует вполне определенному значению этой энергии.

Электроны, расположенные вблизи ядра, находятся под действием большей силы притяжения, чем электроны, находящиеся дальше от него. Когда электрон, оставаясь внутри атома, переходит с одной орбиты на другую, то выделяется или поглощается энергия. Электрон, переходя с ближней обриты на более удаленную от ядра, должен преодолеть силу притяжения ядра, т.е. приобрести (поглотить) дополнительную энергию. При переходе электрона с дальней орбиты на ближайшую к ядру происходит выделение энергии, которая может быть излучена атомом.

Атом, в котором электроны обращаются на более удаленной от ядра орбите, чем им дозволенной, называется возбужденным. Возбужденный атом неустойчив и время его жизни в этом состоянии: х 10^—8 с.

Из периодической системы элементов видно, что атомы различных элементов имеют различное количество слоев (орбит) электронов. Оно зависит от атомного номера, который определяет положение (период) элементов в периодической системе. Наибольшее число слоев электронной оболочки равно семи.