Передмова

Явище радіоактивності було відкрите більше ніж сторіччя тому, а радіаційна екологія як самостійна дисципліна одержала свій розвиток порівняно недавно. Радіоактивність і випромінювання, яке його супроводжує, існували на Землі задовго до зародження на ній життя.

Джерелом радіоактивності, що існує в природі, є сама природа. Навіть їжа з природних причин у певній мірі радіоактивна. Проте, зацікавленість до радіаційної екології в значній мірі зросла в останні роки у зв'язку з тим, що людство міцно вступило в ядерне сторіччя. Разом з тим росте число людей, які мають безпосереднє професійне відношення до радіоактивного випромінювання. У наш час ряд технологічних процесів одержання і застосування ядерної енергії, виробництва й використання штучних радіоізотопів пов'язані з можливістю надходження радіоактивних відходів у навколишнє середовище.

Багаторічні випробовування ядерної і водневої зброї, а також аварії на ядерних об'єктах створили на планеті новий фактор радіаційного впливу на людей. Стає зрозумілим зростання актуальності досліджень, спрямованих на розширення наукових знань у цій області. З повною відповідальністю можна стверджувати, що основне завдання фахівців в області радіаційної екології – не допустити більш-менш помітного збільшення існуючої в природі радіоактивності.

Для вирішення поставленого завдання спеціалісту в області радіаційної екології необхідно, як мінімум, мати уявлення про фізико-хімічні основи явища радіоактивності, взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною і, зокрема, про особливості впливу радіаційного випромінювання на живі організми; а також мати необхідні знання по дозиметрії і методах захисту людей від впливу радіоактивних випромінювань.

РОЗДІЛ 1. Ядерна фізика

3.1. Атомне ядро

1. Основні характеристики атомних ядер (лінійні розміри, заряд, зарядове й масове числа, спін, магнітний момент).

2. Будова ядра. Нуклони, їх характеристики і взаємо-перетворення. Нейтрино.

3. Енергія зв'язку нуклонів у ядрі. Дефект маси. Ядерні сили і їх природа. Мезони.

4. Феноменологічні моделі будови атомного ядра.

3.1.1. Основні характеристики атомних ядер

(лінійні розміри, заряд, зарядове й масове числа,

спін, магнітний момент)

В дослідах Резерфорда по розсіюванню α - частинок на атомах важких металів вперше було встановлено існування атомних ядер. Атомне ядро кожного хімічного елемента, як і будь-який інший матеріальний об'єкт, має ряд характерних властивостей. Серед них: електричний заряд, маса, електричний і магнітний моменти, спін та ін. Розглянемо деякі характеристики атомних ядер.

Електричний заряд є однією з найважливіших характеристик атомів і ядер. Ядро атома завжди має позитивний заряд. Носіями позитивних зарядів у ядрі є протони. Носіями негативних електричних зарядів є електрони, які рухаються на значних відстанях від ядра, утворюючи електронну хмарку. Величину електричного заряду атома визначає число протонів у ядрі і число електронів у нейтральному атомі. Заряд , де - зарядове число ядра, яке дорівнює порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва.

Розподіл густини зарядів електричного заряду в ядрах вперше встановив у 1957 році Хофштадтер. Для цього були використані електрони високих енергій (до 1000 МеВ). Якщо електрон великої енергії пролітає на відстані в від ядра з зарядом , то він за допомогою кулонівських сил ядра відхилиться на кут (рис.3.1). Можна розрахувати залежність від .

У випадку коли , де - радіус ядра, кут . Виходячи з експериментальних даних і проведених теоретичних розрахунків класичним квантовим методами знайдено, що позитивний заряд в ядрі розподілений з однаковою густиною по об'єму ядра. Про це свідчить рис. 3.2.

М аса ядра є наступною важливою характеристикою. Практично вся маса атомного ядра збігається з масою атома, оскільки маса електронів на оболонках дуже незначна. Масу атомів, а відповідно, і масу ядер, визначають за допомогою відхилення іонів цих атомів при їх русі в електричному й магнітному полях. Для цих цілей Астоном був сконструйований прилад, який називається мас-спектрометром.

Мас-спектрометр складається із джерела іонів , вакуумної камери і приймача іонів (рис. 3.3).

І онізовані атоми попадають в поле конденсатора , де прискорюються електричним полем

, (3.1.1.1)

де - маса іона; - швидкість іона; - різниця потенціалів між пластинками конденсатора; - заряд іона.

При відповідній швидкості іонізовані атоми влітають в область дії лише магнітного поля . В цьому випадку на такі атоми діятиме сила Лоренца

. (3.1.1.2)

Виключивши з (3.1.1.1) і (3.1.1.2) швидкість іона, одержуємо

. (3.1.1.3)

Попадання в приймач іонів можливе лише при певній напрузі між пластинками конденсатора. Іони з різною масою попадуть в приймач при різних значеннях .

На рис. 3.4 показано спектр атомів молібдену при їх дослідженні за допомогою мас-спектрометра.

В исота піка визначає процентний вміст даного ізотопу в природному молібдені. Окремі піки в спектрі визначають наявність окремих ізотопів. Точність мас спектроскопічних досліджень не нижче (10^-4-10^-3)%.

В результаті проведених досліджень встановлено, що радіус атомного ядра дорівнює:

м, (3.1.1.4)

де - атомна маса ядра в атомних одиницях маси.

Знаючи середній радіус атомного ядра, можна розрахувати масову густину ядерної речовини, яка не залежить від розмірів ядра і дорівнює:

(3.1.1.5)

Дослідження електричного поля ядра дали можливість зробити висновок про його форму. Встановлено, що не всі ядра є сферично-симетричними, але для всіх ядер без винятку характерна осьова симетрія. Однак відомо, що осьова симетрія можлива лише у випад-ках, коли ядро має сферичну форму або є еліпсоїдом обертання.

Спін ядра поряд з зарядом і масою є його найважливішою характеристикою. Спіном ядра називають його повний механічний момент, який є сумою власних механічних моментів складових частинок ядра та їхніх орбітальних механічних моментів, зумовлених внутрішньоядерними рухами. Спін ядра залежить від його стану. Так як в будь-якому ядрі є - протонів і - нейтронів, спіни яких дорівнюють , то всі ядра з парним мають цілий або нульовий спін, а ядра з непарним мають завжди напівцілий спін. В залежності від величини ядра можуть бути або ферміонами ( - непарне), або бозонами ( - парне ).

Магнітні моменти ядер визначають за допомогою явища магнітного резонансу. Суть цього явища полягає в резонансному поглинанні енергії високочастотного електромагнітного поля, яке відбувається при переорієнтації попередньо зорієнтованих за допомогою постійного магнітного поля магнітних моментів ядер. Вимірюють магнітні моменти ядер у ядерних магнетонах, які вводяться аналогічно магнетону Бора

ћ, (3.1.1.6)

де - маса протона;

- заряд протона;

ћ -стала Планка;

- гіромагнітне відношення.

Аналіз показує, що магнітні моменти ядер є дуже малими і експериментальне їх важко виміряти. Це приводить до висновку, що нуклони в ядрі розміщуються так, що їхні спіни і магнітні моменти взаємно компенсуються.