2.Узагальнення і систематизація знань з теми "атом і атомне ядро"

• Ядерна модель атома, запропонована Е.Резерфордом, передбачає, що практично вся його маса зосереджена в ядрі. Однією з найпоширеніших є оболонкова протонно-нейтронна модель ядра атома: атомне ядро складається з нуклонів — протонів і нейтронів, що розміщуються певними групами, утворюючи ядерні оболонки. Загальне число нуклонів дорівнює масовому числу А; число протонів дорівнює заряду ядра Z, число нейтронів N = А - Z Ядерні оболонки заповнюються згідно з принципом Паулі: два тотожні нуклони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані, тобто характеризуватися одним і тим самим набором квантових величин.

• Нуклони в ядрі утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі (г~ 10^-15 м), але дуже інтенсивні. Зв'язаний стан нуклонів в ядрі характеризується енергією зв'язку:

• Ядра важких елементів, як правило, нестабільні. Тому вони є радіоактивними ізотопами і можуть самочинно перетворюватися в інші хімічні елементи завдяки випромінюванню мікрочастинок або шляхом поділу на більш стійкі утворення. Існує три види радіоактивного випромінювання: альфа-, бета- і гамма-промені. Вони утворюються внаслідок радіоактивних перетворень: — альфа-розпаду, коли перетворення нестійкого ізотопу в інший хімічний елемент супроводжується випромінюванням альфа-частинки

— бета-розпаду — випромінювання ядром електрона чи позитрона, яке супроводжується утворенням нового хімічного елемента — спонтанного поділу ядер, коли утворюється кілька більш легких ядер, наприклад, поділ Урану на ядро Барію (Z = 56) і ядро Криптону (Z = 36).

• Характерною ознакою радіоактивних ізотопів є період піврозпаду Т — час, за який кількість ядер радіоактивного ізотопу зменшується вдвоє. Радіоактивний розпад відбувається за законом:

• Період піврозпаду Т характеризує активність радіонукліда А, тобто кількість розпадів атомних ядер за 1 с.

• Для характеристики пилину випромінювання на речовину використовують дозиметричні величини: — поглинуту дозу випромінювання  тобто відношення енергії іонізуючого випромінювання до маси речовини; — експозиційну дозу випромінювання, тобто його здатність іонізувати атоми і молекули речовини; — потужність дози випромінювання  тобто віднесення її до одиниці часу; — біологічний еквівалент рентгена, який враховує вид іонізаційного випромінювання і його потужність у впливі на живі організми.

• Перетворення атомних ядер одних елементів в інші внаслідок зовнішнього впливу, наприклад, бомбардування ядер мікрочастинками, називається ядерною реакцією. Ядерні реакції характеризує енергетичний вихід — різниця енергій ядер і частинок до і після реакції. Енергетично вигідними вважаються ядерні реакції, в результаті яких енергія виділяється, наприклад реакція поділу Урану. Завдяки потоку вивільнених нейтронів вона може розвиватися як ланцюгова. Для цього необхідно підтримувати незмінним потік нейтронів і створити умови, щоб вони проникали до ядра Урану. Мінімальна маса, за якої ланцюгова реакція відбуватиметься самочинно, називається критичною масою. Ланцюгові реакції поділу Урану використовують в ядерній енергетиці.

• Дослідження різних мікрочастинок змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності — це не просто неподільні частинки, з яких складається матерія, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властива слабка взаємодія.

• Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10^-15 м) і незначними масами. Це зумовлює квантову специфіку їхньої поведінки — вони підпорядковуються квантовим закономірностям і властивостям утворюватися (випромінюватися) або зникати (поглинатися) внаслідок взаємодії. Загальними характеристиками елементарних частинок є їхня маса m, електричний заряд q, спін s, час життя , лептонний заряд L, баріонний заряд В тощо, виражених у відносних одиницях, кратних масі чи електричному заряду електрона, сталій Планка тощо.

• Елементарні частинки можна класифікувати за різними ознаками. Наприклад, залежно від властивого їм типу взаємодій їх можна розділити на дві основні труті: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій — гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкій, та лептони, яким не властива сильна взаємодія. Зокрема, М. Гелл-Манном і Дж. Цвейгом запропонована кваркова модель будови адронів, згідно з якою вони складаються з комбінацій шести різних кварків.

• За часом життя елементарні частинки поділяють на стабільні (фотон, електрон, протон, нейтрино, відносно стабільний нейтрон), квазістабільні ( > 10^-20 с), які розпадаються внаслідок електромагнітної чи слабкої взаємодії, і нестабільні ( < 10^-22 с), які розпадаються завдяки сильній взаємодії.

• У фізиці існують й інші класифікації елементарних частинок, наприклад, їх поділ за знаком заряду на частинки й античастинки (електрон-позитрон, нейтрино—антинейтрино).

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Який склад мають ядра атомів Аl, Аu, Сs?

2. Чим відрізняється ядро атому Урану-235 від ядра атому Урану-238?

3. Знайти енергію зв'язку ядра Літію, якщо його маса дорівнює 11,6475 ·10^-27 кг.

4. Атомна маса Хлору дорівнює 35,45 а.о.м. Хлор має два ізотопи: ³⁵₁₇СІ і ³⁷₁₇СІ. Яке процентне співвідношення вони мають?

5. Знайти дефект маси ядра та енергію зв'язку (в джоулях і МеВ), що припадає на 1 нуклон, якщо маса його ядра m_Ne = 33,1888·10^-27 кг.

6. Ізотопи яких елементів утворюються з радіоактивного ізотопу ⁷₃Li після його бета-електронного розпаду та наступного альфа-розпаду? Запишіть ці реакції розпаду.

7. Активність радіоактивного елемента за 8 діб зменшилася в 4 рази. Який у нього період напіврозпаду?

8. Період напіврозпаду радіоактивного Купруму становить 10 хв. Яка частка від початкової її кількості залишиться через 1 годину?

9. Які ядра народжуються з радіоактивного Радію внаслідок п'яти альфа-розпадів і чотирьох бета-електронних розпадів?

10. Яка енергія виділяється при синтезі 1 г Гелію з дейтерію і тритію? Скільки вугілля треба спалити, щоб отримати таку саму енергію? Питома теплота згоряння вугілля дорівнює 30 кДж/кг.

11. Потужність дози гамма-випромінювання в зоні радіоактивного зараження дорівнює 0,2 мГр/год. Скільки часу може перебувати людина в цій зоні, якщо гранична доза дорівнює 0,25 Гр?

12. Порівняйте енергії гравітаційної, кулонівської і ядерної взаємодії між двома протонами в ядрі.