Строение атома. Модель атома Резерфорда-Бора.

Атом представляет собой электродинамическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, движущихся по стационарным круговым орбитам с определенными радиусами. Электрон представляет собой отрицательно заряженную частицу, заряд которой по абсолютной величине е^- =1,6-10^-19Кл. Это элементарный (наименьший заряд, который принят за единицу количества электричества).

Размер атома составляет порядка 10^-8 см, а размер ядра 10^-13см.

Электроны в атомах расположены на определенных энергетических уровнях (К, L, M, N...). Чем ближе электрон расположен к ядру, тем выше энергия связи электрона с ядром, тем больше энергии нужно затратить для вырывания электрона из атома.

В нормальном состоянии атом нейтрален. Атом излучает или поглощает энергию только в случае перехода из одного энергетического состояния в другое. В результате соударения с другим атомом, с заряженной частицей или при поглощении фотона атом может перейти в возбужденное состояние. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное атом испускает кванты определенной энергии, которая зависит от схемы электронных переходов.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). Протон - элементарная частица, обладающая единичным положительным зарядом. Нейтрон - элементарная частица, не обладающая зарядом.

Отношение массы протона m_р к массе электрона m_е примерно равно отношению массы нейтрона m_n к массе электрона и составляет:

■

При определенных условиях протон может превращаться в нейтрон и наоборот.

Позитрон - элементарная частица, обладающая той же массой, что и электрон, но несущая заряд противоположного знака.

Нейтрино - элементарная частица, не имеющая электрического заряда (масса покоя много меньше массы электрона).

Суммарное число нейтронов и протонов (нуклонов) в ядре называется массовым числом (А).

A = Z+N

где Z - число протонов в ядре (номер элемента в периодической таблице Менделеева), N - число нейтронов в ядре.

Число протонов в ядре определяет заряд ядра:

q_я = Z× e

где е - величина элементарного заряда.

Движущиеся вокруг ядра электроны образуют электронные оболочки, которые состоят из подоболочек, находясь на которых электроны обладают различной, но строго определенной энергией Ei. Эта энергия складывается из кинетической энергии их движения и потенциальной энергии электростатического взаимодействия с ядром.

Для того чтобы удалить электрон из оболочки атома необходимо затратить определенную энергию Е (энергия связи).

В атоме имеются свободные оболочки и подоболочки, не занятые электронами, на которые электрон может быть переведен с занятой оболочки, если сообщаемой электрону энергии недостаточно для его удаления из атома.

Ниже в качестве примера приведена схема строения атома алюминия (Z =13).

Положительно заряженное ядро, находящееся в центре атома, имеет 13 протонов. На трех оболочках имеется 13 электронов: (на ближайшей к ядру К -оболочке-2 электрона, на следующей оболочке L -8 электронов, на внешней оболочке М находится 3 электрона). Свободная оболочка обозначена пунктиром.

Стрелками показаны переходы электронов, сопровождающиеся испусканием рентгеновских лучей (1) и видимого света (2).

Видимый свет возникает в результате переходов электронов между внешними оболочками атома. Для этого необходимо перевести электрон атома с внешней на свободную оболочку, например, путем нагрева вещества. Этот электрон затем переходит на свободную нижележащую оболочку с испусканием фотона видимого света.

Рентгеновские лучи возникают в результате перехода электронов между внутренними оболочками. Если с К -оболочки атома удалить электрон, то его место займет электрон с более отдаленной от ядра подоболочки.

При этом выделяется квант энергии, величина которого равна разности энергии связи этих уровней. Образующиеся в результате таких переходов набор квантов излучения определенных энергий образует характеристический спектр рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи могут возникать также в результате неупругого рассеяния и торможения электронов в веществе.

Ниже приведена схема образования фотона тормозного рентгеновского излучения hn.

Образовавшиеся рентгеновские фотоны имеют непрерывный спектр энергий от нулевой до максимальной, равной первоначальной энергии электрона, который тормозится в поле действия ядра вещества мишени.

4.1.2 Естественная радиоактивность.

Изотопы - атомы, ядра которых имеют одинаковые заряды, но разные массовые числа (например, изотопы селена ⁷⁵Se, ⁷⁹Se; изотопы углерода ¹²С, ¹⁴С).

Рис. 4.1 Зависимость энергии связи от атомного номера элемента.

Устойчивость ядер возрастает с увеличением массового числа А и достигает максимума, оставаясь примерно постоянной (от 50 до 110); при А >120 устойчивость ядер уменьшается.

По мере увеличения порядкового номера химического элемента (Z) в периодической таблице число протонов в ядре возрастает, и кулоновские силы отталкивания становятся существенными. У элементов с Z > 82 ядерные силы не способны обеспечивать полную устойчивость ядер, и начинаются процессы их внутренней перестройки. Более тяжелые ядра превращаются в более легкие (с меньшими Z) - происходит радиоактивный распад.

Естественная радиоактивность - спонтанный распад неустойчивых ядер, сопровождающийся a-, b-, g- излучением.

a-распад - радиоактивный распад с испусканием a-частиц (ядер гелия), при этом массовое число А исходного элемента уменьшается на 4, а число протонов Z уменьшается на 2.

b-распад - распад, при котором ядро испускает b-частицу -электрон, при этом массовое число А исходного элемента остается неизменным, а число протонов Z увеличивается на 1.

g-излучение представляет собой фотонное (электромагнитное) излучение с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер. Испустив a-и b-частицы, ядро освобождается от избытка энергии, но остаётся в возбужденном состоянии. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное (основное) состояние с более низким уровнем энергии, ядро излучает энергию в виде g-квантов.

Рис. 4.2 Дискретный спектр g-излучения.

a-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, пробег в воздухе до 3-4 см, в живой ткани 0,1 мм, a-частицы экранируются листом бумаги.

b-частицы имеют меньшую ионизирующую способность, но обладают большим проникающим действием. Пробег в воздухе до 10 м, в живой ткани 10-15 мм. b-частицы экранируются листом алюминия толщиной ~ 5 мм.

g-излучение обладает наименьшей ионизирующей способностью, но наибольшей проникающей способностью. Защита от g-излучения осуществляется с помощью металлических экранов, толщина которых зависит от материала экрана и энергии g-лучей.

Дата добавления: 2015-09-06