Материал: 4.3 BOOK

6 

1 

Краткие сведения из атомной и ядерной физики 

1.1  Строение атома 
1.2  Атомное ядро, изотопы 
1.3  Радиоактивность и радиоактивный распад 
1.4  Единицы 

измерения 

активности 

и 

величин, 

характеризующих поля ионизирующего излучения 

1.1 

Строение атома 

Атом  –  это  мельчайшая  частица  элемента,  обладающая  его 

химическими свойствами. Радиус атома равен примерно 10

-8

см. Два 

или  несколько атомов могут соединяться в молекулу – наименьшую 
частицу  химического  соединения,  сохраняющую  его  химические 
свойства.  

Атом  имеет  сложное  внутреннее  строение.  В  центре  атома 

(рисунок 1.1) расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся 
масса атома. Радиус ядра – около 10

-12

 см. Он меньше радиуса атома 

в  10

4

  раз.  Положительный  заряд  ядра  равен  Zе,  где  Z  –  порядковый 

номер  элемента  в  периодической  системе  Д.  И.  Менделеева,  а 
е  =  1,6



10

-19

к  –  элементарный  электрический  заряд.  Вокруг  ядра 

движется  Z  электронов,  суммарный  отрицательный  заряд  которых 
равен Zе. Заряд электронов нейтрализует заряд ядра, вследствие чего 
атом–электрически нейтральная частица. 

K     L    M     N     O 

2 

8 

18 

18 

7 

Рисунок 1.1 – Схема строения атома серебра (Z=47) 

Цифры показывают число электронов в оболочках. 

7 

Электроны  в  атоме  распределены  по  электронным  оболочкам.  В 

каждой оболочке находится не более 2n

2

 электронов (n = 1, 2, 3, ...–

нумерация  оболочек  начиная  от  ядра).  Каждый  электрон  в  n-
оболочке  характеризуется  одной  и  той  же  энергией  W

n

.  Она 

складывается 

из 

кинетической 

и 

потенциальной 

энергий 

движущегося  в  оболочке  электрона.  Электроны  в  атоме  принимают 
только ряд дискретных (прерывных) значений энергий: W

1

, W

2

,….W

n

. 

В отличие от свободных электронов атомные электроны не излучают 
энергии  при  ускоренном  движении  по  замкнутым  орбитам  вокруг 
ядра. 

Атом поглощает или испускает энергию при переходе электронов 

с n

1

-й на n

2

-ю оболочку: 



W = W

n2

 – W

n1

(1.1) 

где W

n1 

 и W

n2

 – энергия электрона на соответствующих оболочках. 

Атом  имеет  бесконечное  число  электронных  оболочек  (номера 

оболочек  изменяются  от  единицы  до  бесконечности).  Наиболее 
близкие  к  ядру  электронные  оболочки  обозначают  буквами  К, L, M, 
N,...  Первую  оболочку  (n  =  1)  называют  K-оболочкой,  вторую 
(n = 2) – L-оболочкой и т. д. 

С  ростом  n  расстояние  оболочки  от  ядра  увеличивается.  Чтобы 

удалить из атома электрон с n-й оболочки, нужно затратить энергию 



W  =  W

n

.  Эту  энергию  называют  энергией  связи  электрона  в  атоме 

на n-й оболочке. Она характеризует связанность электрона в атоме и 
равна по абсолютной величине энергии электрона на n-й оболочке. 

За  единицу  энергии  в  атомной  и  ядерной  физике  принят 

электронвольт  (эВ).  Он  равен  изменению  энергии  электрона  при 
прохождении ускоряющего напряжения 1 В: 

1 эВ = 1,6 



 10

–19

 Дж. 

Один  миллион  электронвольт  составляет  более  крупную  единицу 

энергии – мегаэлектронвольт (МэВ): 

1 МэВ = 10

3

 эВ = 1,6 



 10

–13

 Дж. 

Любая  энергия  W  связана  с  соответствующей  ей  массой  М 

соотношением Эйнштейна: 

W = М 



 с

2 

(1.2) 

где с = 2,998 



 10

8

 м/с – скорость света в вакууме. 

Энергия частиц состоит из энергии покоя W

0 

= M

0 



 c

2

 (М

0 

– масса 

покоя тела) и кинетической энергии тела Е: 

W = W

0

 + E.    

(1.3) 

8 

Следовательно, масса движущейся частицы: 

М = М

0

 + Е / с

2

.  

(1.4) 

У  некоторых  частиц  (фотон,  нейтрино)  масса  покоя  М

0

  равна 

нулю. Такие частицы обладают только массой движения 

М = Е/с

2

.  

(1.5) 

При синтезе атома из ядра и Z электронов освобождается энергия, 

равная  суммарной  энергии  связи  электронов  в  атоме  W

cв

.

Следовательно,  масса  атома  М

ат

  меньше  массы  ядра  M

Я 

и  Z  масс 

электронов на величину называемую дефектом массы. 



М = W

cв

/c

2

 = М

Я

 + Z

me

 — М

ат

,    

(1.6) 

Если  атом  не  взаимодействует  с  другими  частицами  (атомами, 

свободными  электронами  и  т.  д.),  то  электроны  располагаются  на 
самых  близких  к  ядру  оболочках.  В  этом  состоянии  атома, 
называемом основным, электроны наиболее прочно связаны с ядром. 
Под  действием  внешних  сил  (столкновения  со  свободными 
электронами,  атомами  и  другими  частицами)  атомный  электрон 
переходит  с  оболочки  n

1

  на  более  удаленную  оболочку  п

2

,  атом 

возбуждается, получая энергию: 



W = W

n2

 – W

n1

. 

Время  жизни  возбужденного  атома  составляет  приблизительно 

10

–8

  с.  Затем  в  возбужденном  атоме  происходят  переходы 

электронов, в результате которых электроны опять располагаются на 
самых  близких  к  ядру  оболочках,  а  атом  возвращается  в  основное 
состояние. 

В процессе перехода из возбужденного состояния в основное атом 

излучает  один  или  несколько  фотонов.  Суммарная  энергия  фотонов 
равна энергии, полученной атомом во время возбуждения. 

Фотон  –  частица  электромагнитного  излучения.  Он  движется  со 

скоростью  света  и  не  может  находиться  в  состоянии  покоя.  Заряд 
фотона равен нулю, энергия фотона 

E

Ф

 = h 



 v  

(1.7) 

где h = 6,625



 10

-34

 Дж



 с – постоянная Планка; 

v – частота излучения, гц. 
В  процессе  возбуждения  атом  поглощает  определенные 

дискретные порции энергии, необходимые для перевода электрона с 
одной  оболочки  на  другую.  Вследствие  этого  возбужденный  атом 
характеризуется  только  дискретными  значениями  энергии.  Их 
называют  энергетическими  уровнями  атома  и  изображают  в  виде 
диаграммы.  Каждому  энергетическому  уровню  атома  на  диаграмме 

9 

соответствует  горизонтальная  линия.  За  начало  отсчета  энергии 
обычно принимают энергию покоя невозбужденного атома (основное 
состояние  атома).  Сбоку  горизонтальных  линий  указывают  энергию 
возбуждения  атома.  Переходы  электронов  в  возбужденном  атоме, 
показывают  на  диаграмме  вертикальными  стрелками  между 
энергетическими  уровнями.  Энергия  излучаемого  фотона  равна 
разности уровней энергий. 

В  ряде  случаев  на  диаграмме  удобнее  изображать  не 

энергетические  уровни  атома,  а  энергии  электронов  на  оболочках 
(рисунок  1.2).  Вертикальные  стрелки  показывают  возможные 
переходы  электронов  в  возбужденном  атоме  с  одних  оболочек  на 
свободные  места  в  других  оболочках.  Сбоку  горизонтальных  линий 
наносят  энергии  электронов  в  оболочках  и  обозначения  (номера) 
оболочек.  Энергия  фотона  равна  разности  энергий  начала  и  конца 
стрелки. 

W

3

L-серия 

M-серия 

W

4

W

2

W

1

K-серия 

N(n=4) 

M(n=3) 

L(n=2) 

K(n=1) 

Рисунок 1.2 – Схема энергетических уровней атома и переходов 

между ними 

Дискретность  энергетических  состояний  атома  определяет  и 

дискретный  (линейчатый)  спектр  излучаемых  фотонов.  Он 
подразделяется на серии. Каждая серия состоит из набора отдельных 
линий,  расположенных  в  некотором  интервале  частот.  Серии 
обозначают  буквами  оболочек,  на  которые  происходят  переходы 
электронов в возбужденном атоме. 

Линейчатые  спектры  атомов  различных  элементов  имеют  свои 

особенности.  Это  свойство  линейчатых  спектров  используют  в 
методе спектрального анализа состава сложных веществ. 

1.2 

Атомное ядро, изотопы 

Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Общее число 

10 

протонов и нейтронов в ядре A = Z + N называют массовым числом. 

Протон – это ядро простейшего атома – атома водорода. Он несет 

положительный элементарный заряд е. 

Нейтрон – электрически нейтральная частица. Его масса близка к 

массе протона. 

Протоны и нейтроны обозначают буквами р и n соответственно. 
Химические  свойства  атомов  зависят  только  от  заряда  ядра,  т.  е. 

от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с равными Z, но 
различными  А  обладают  одинаковыми  химическими  свойствами. 
Такие атомы называют изотопами. 

Природный  элемент  представляет  собой  смесь  изотопов.  Так, 

природный  водород  (Z  =  1)  состоит  из  двух  изотопов:  водорода 
(А = 1) и дейтерия (А = 2). 

Определенность состава ядра используют при обозначении ядер и 

изотопов  в  виде 

X

A

Z

,  где  X  –  химический  символ  элемента,  Z  – 

порядковый  номер  элемента,  А  –  массовое  число  ядра.  Например, 
символическое  обозначение  одного  из  изотопов  углерода 

C

12

6

.  Ядро 

изотопа 

C

12

6

 состоит из шести протонов и шести нейтронов. Изотопы 

водорода, как исключение, обозначают буквами без указания Z и  А: 
водород  Н  (

H

1

1

),  дейтерий  D  (

H

2

1

),  искусственный  изотоп  водорода 

тритий  Т  (

H

3

1

).  Так  как  каждый  элемент  имеет  определенный 

порядковый номер Z, то при обозначении ядер и изотопов этот номер 
часто опускают. 

Ядра  легких  изотопов  удобны  для  бомбардировки  других  ядер. 

Они получили специальные названия и обозначения: ядро водорода – 
протон (р), ядро дейтерия – дейтон (d), ядро трития – тритон (t), ядро 
He – 



-частица (



). 

Массу  ядер,  атомов  и  молекул  измеряют  в  атомных  единицах 

массы а. е. м., равной 1/12 массы изотопа  C

12

6

: 

1 а. е. м.= 1,66 



 10

–24

 г. 

Отношение  массы  атома  (молекулы)  к  атомной  единице  массы 

называют  относительной  атомной  (молекулярной)  массой.  По–
своему определению эти величины не имеют размерности. Кратко их 
называют  атомной  (молекулярной)  массой.  Атомную  массу 
обозначают буквой A, молекулярную – буквой μ. 

По  соотношению  Эйнштейна  W  =  M



c

2

  атомной  единице  массы 

соответствует  энергия  931  МэВ.  Поэтому  массу  покоя  частиц  часто