Атомное строение

Радиоактивность насчитывает более ста лет, но продолжает применяться для лечения рака, обеспечения электросетей и требует строгих правил безопасности. Этот справочник охватывает физику AQA GCSE 8463, тема 4.4 Строение атома.

Как экзамен рассматривает эту тему:

• Бумага 1 (4.1–4.4) охватывает эту тему. Поддержка листом формул зависит от серии экзаменов. Тренируйтесь в написании обозначений, составлении уравнений, построении графиков и объяснениях, а также в расчётах.
• Фоновое излучение, опасности периода полураспада, применение, деление и синтез ядер — только физика.
• Расчёты коэффициентов уменьшения после нескольких периодов полурасхода — уровень Higher Tier.
• Необходимо писать уравнения ядерных реакций для одиночного альфа- и бета-распада (сохранять массовые и зарядовые числа; названия дочерних элементов не требуются).

Атом очень мал: радиус около $1\times10^{-10}$ м. Его строение:

• Ядро: положительно заряжено, состоит из протонов и нейтронов; содержит большую часть массы атома, но радиус менее 1/10 000 радиуса атома.
• Электроны: отрицательно заряжены, расположены на энергетических уровнях. Поглощение электромагнитного излучения переводит электрон на более высокий уровень, дальше от ядра; испускание переводит его на более низкий уровень, ближе.

Обозначение: $\ ^{A}_{Z}X$, где $Z$ = атомный номер (число протонов) и $A$ = массовое число (протоны + нейтроны). В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов; атомы не имеют суммарного заряда.

• Изотопы: атомы одного и того же элемента (одинаковый $Z$) с разным числом нейтронов (разное $A$).
• Число нейтронов в ядре = $A - Z$.
• Атомы, потерявшие один или несколько внешних электронов, становятся положительно заряженными ионами.

Разобранный пример. Углерод-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• Протоны = 6; электроны = 6 (нейтральный); нейтроны = $14 - 6 = 8$.
• Углерод-12 имеет 6 нейтронов — тот же элемент, разные нейтроны: изотопы.

Новые экспериментальные данные могут изменить или заменить научную модель:

1. До открытия электрона: атомы представляли собой крошечные сферы, которые нельзя было разделить.
2. Открытие электрона → модель «пудинга с изюмом»: шар положительного заряда со встроенными в него отрицательными электронами.
3. Альфа-рассеяние (Резерфорд): большинство альфа-частиц проходили прямо, несколько отскакивали назад → масса и положительный заряд должны быть сосредоточены в крошечном центре → ядерная модель заменила модель «пудинга с изюмом».
4. Бор адаптировал её: электроны движутся по орбитам на определённых расстояниях; его расчёты совпадали с наблюдениями.
5. Дальнейшие исследования показали, что положительный заряд существует в виде целых единиц — протонов; опыты Чедвика (через 20 лет) доказали существование нейтронов.

Объясните доказательства, изменившие модель: если бы модель была верной, альфа-частицы должны были бы все проходить сквозь с небольшими отклонениями (B1); некоторые отскакивали почти прямо назад (B1), что возможно только при концентрации массы и положительного заряда в крошечном плотном положительном ядре (B1).

Некоторые ядра являются нестабильными. Они испускают излучение при переходе в более стабильное состояние — это случайный процесс, называемый радиоактивным распадом.

• Активность: скорость распада источника; единица измерения — беккерель (Бк).
• Счетная скорость: количество импульсов детектора в секунду, после учета фонового излучения при необходимости. Детектор обычно регистрирует лишь часть излучений; его счетная скорость не является автоматически активностью источника в Бк.

Излучение	Идентификация	Ионизирующая способность	Экранирование
альфа α	ядро гелия	сильная	бумага / кожа
β-частица	быстрый электрон	средняя	мм алюминия
γ-квант	электромагнитное излучение	слабая	толстый свинец снижает интенсивность

Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и проходит в воздухе лишь несколько сантиметров. Бета-излучение возникает при превращении нейтрона в протон; его дальность в воздухе больше. Гамма-излучение имеет наибольшую дальность среди этих трёх видов и ослабляется, но не полностью блокируется толстым слоем свинца или бетона. Ядро также может испускать нейтрон; подробные свойства нейтронов здесь не требуются.

Выберите источник для применения, сопоставив эти свойства: альфа-излучение — для детекторов дыма (дым уменьшает ток ионизации); бета-излучение — для контроля толщины (частично поглощается листом); гамма-излучение — для трассеров (покидает тело) и стерилизации (проникает через упаковку и уничтожает микроорганизмы). Закрытый источник снижает риск загрязнения, но не оправдывает игнорирование мер предосторожности при обращении.

Активность по графику. На графике зависимости числа неразложившихся ядер от времени проведите касательную в указанном моменте времени. Её отрицательный наклон равен скорости убывания числа ядер; активность — это положительная величина в беккерелях (Бк). Отметьте две точки на касательной, расположенные далеко друг от друга, а не произвольные точки на кривой.

Разобранный пример (написан учителем). Приближённая касательная проходит через точки $(0\ \text{s},68000)$ и $(200\ \text{s},12000)$.

Это оценка по проведённой касательной. Задание AQA June 2024 8463/1H Q09.5 требует применения того же метода к своему графику в момент 300 с; официальный ответ — $7.1\times10^{20}$ Бк. Это другие графики и данные.

Соблюдайте баланс массовых чисел (сверху) и атомных чисел (снизу) с обеих сторон:

• Альфа-распад: ядро теряет 4 сверху и 2 снизу.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Бета-распад: нейтрон превращается в протон; массовое число не изменяется, атомное число +1; бета-частица обозначается как $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• Гамма-излучение: не изменяет ни одно из чисел.

Разобранный пример. Полоний-210 распадается с испусканием альфа-частицы. Запишите уравнение.

• Альфа-частица уносит 4 и 2: $A: 210 - 4 = 206$; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Проверьте, что обе строки сбалансированы ✓ (название дочернего элемента указывать не обязательно).

Распад является случайным: невозможно предсказать поведение отдельного ядра; можно предсказать лишь среднюю статистику большого их количества.

Период полураспада: время, за которое (a) число ядер изотопа в образце уменьшается вдвое, или (b) нетто-счётная скорость / активность снижается до половины начального уровня. Сначала вычтите фоновое излучение из показаний детектора и сохраните неизменной геометрию установки детектирования.

• По графику: определите время, за которое счётная скорость уменьшается вдвое — повторите для нескольких периодов и найдите среднее значение.
• После $n$ полуразложений оставшаяся доля составляет $1/2^n$ (HT: выразите в виде отношения).

Разобранный пример. Активность образца снижается с 800 Бк до 200 Бк за 12 лет.

• Halvings: $800 \to 400 \to 200$ is two halvings.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Фактическая задача AQA, июнь 2025 8463/1H Q07.4: полоний-210 имеет период полураспада 138 суток. Число атомов уменьшается с 256 000 до 16 000: четыре уменьшения вдвое, следовательно, время составляет $4 \times 138 = 552$ суток. В задании Q07.5 сравниваются равные количества атомов Po-209 и Po-210: более долгоживущий Po-209 имеет меньшую активность. Условие равенства числа атомов имеет значение.

• Загрязнение: нежелательные радиоактивные атомы на поверхности или внутри объекта или человека. Опасность сохраняется до тех пор, пока присутствуют эти атомы, которые распадаются непосредственно на теле или внутри него.
• Облучение: воздействие на объект радиацией. Облучённый объект не становится радиоактивным.

Загрязнение продолжает облучать ткани, пока радиоактивные атомы остаются в организме. Облучение от внешнего источника прекращается, когда источник удаляют или надёжно экранируют. Сравнивайте активность источника, тип излучения, расстояние, время воздействия и наличие материала внутри тела; загрязнение не всегда вызывает бо́льшую дозу. Внешнее альфа-излучение слабо проникает и задерживается кожей, но при внутреннем попадании его высокая ионизирующая способность может повредить близлежащие живые ткани.

Меры предосторожности: держите источники пинцетами, размещайте их на расстоянии, ограничивайте время пребывания рядом с ними, направляйте away от людей, храните в свинцовых ящиках. Данные о воздействии радиации публикуются и проходят рецензирование, чтобы их можно было проверить.

Фоновое излучение окружает нас постоянно:

• Естественные источники: горные породы (радоновый газ), космические лучи из космоса, пищевые продукты и природные изотопы в организме человека;
• искусственное: fallout от испытаний оружия, ядерные аварии, медицинские применения.

Доза зависит от профессии и места нахождения (высокогорья, определённые отрасли). Единица дозы: зиверты (1000 мЗв = 1 Зв; запоминать не требуется).

Измерения образца должны вычитать фоновую счётную скорость.

Период полураспада и опасность: при равном числе нестабильных ядер более короткий период полураспада означает большую активность. Важны также количество вещества и условия воздействия. Долгоживущий источник может требовать безопасного хранения в течение многих лет. Медицинский трассер должен оставаться активным достаточно долго для проведения исследования, затем быстро распасться, чтобы снизить последующую дозу. Источник в дымовой сигнализации должен сохранять полезность на протяжении нескольких лет.

Медицинские применения (каждое = исследование или уничтожение):

• Исследование: гамма-эмитирующий трассер (например, технеций-99m) вводится так, чтобы органы отображались на снимке; гамма-излучение покидает тело; подходящий короткий период полураспада ограничивает дозу после сканирования.
• Разрушение: сфокусированные гамма-лучи или имплантированные источники уничтожают раковые клетки (лучевая терапия); бета-излучение применяется для кожных заболеваний.

Оценка риска: сравните дозу и последствия процедуры с риском заболевания — используя числовые данные из условия задачи.

Деление: расщепление тяжёлого, нестабильного ядра (уран-235, плутоний-239).

• Спонтанное деление встречается редко: обычно ядро сначала поглощает нейтрон.
• Оно распадается на два меньших ядра примерно одинакового размера, выделяя два или три нейтрона и гамма-лучи; выделяется энергия, и все продукты несут кинетическую энергию.
• Высвобожденные нейтроны могут вызывать дальнейшие деления — цепная реакция. В реакторе она контролируется (управляющие стержни поглощают нейтроны); взрыв оружия представляет собой неконтролируемую цепную реакцию.
• Вы должны нарисовать или интерпретировать диаграмму: нейтрон входит → два фрагмента + нейтроны выходят → разветвленная цепь.

Слияние: два лёгких ядра объединяются, образуя более тяжёлое ядро; часть массы превращается в энергию излучения. Для слияния положительно заряженные ядра должны сблизиться, преодолевая электрическое отталкивание. Не описывайте слияние как химическую связь и не утверждайте, что все системы слияния являются безотходными.

• Определить количество протонов, нейтронов и электронов по $A,Z$; идентифицировать изотопы и ионы.
• Объяснить, как экспериментальные данные изменили атомные модели.
• Сравнить свойства α/β/γ-излучения и выбрать подходящие источники для применения.
• Уравнять одиночные уравнения альфа- или бета-распада и проверить обе строки.
• Найти период полураспада и (HT) чистое снижение; определить активность по тангенсу градиента.
• Вычесть фоновую радиацию; различать показания детектора и активность источника.
• Сравнить опасности облучения и загрязнения, а также меры предосторожности.
• (только физика) Объяснить фоновую радиацию, медицинские применения, выбор периода полураспада и деление/синтез.

Распространенные ошибки

• Меняют местами массовое число и порядковый номер. Верхнее число — сумма протонов и нейтронов; нижнее — количество протонов; нейтроны = верхнее − нижнее.
• Меняют массовое число при бета-распаде. Нейтрон превращается в протон, электрон покидает ядро: порядковый номер увеличивается на 1, массовое число остаётся прежним.
• Думают, что два периода полураспада удаляют весь образец. После двух периодов полураспада остаётся $\tfrac14$; после трёх — $\tfrac18$.
• Определяют период полураспада без учёта фонового излучения. Сначала вычтите фоновый счёт, иначе будет казаться, что активность убывает слишком медленно.
• Утверждают, что облучённый объект становится радиоактивным. Только заражение (попадание радиоактивных атомов на поверхность или внутрь тела) делает объект радиоактивным.
• Называние гамма-излучения наиболее опасным повсеместно. Гамма-излучение проникает глубже всего, но ионизирует слабее; альфа-излучение наиболее опасно при попадании внутрь организма.
• Смешивание деления и синтеза ядер. Деление расщепляет тяжёлое ядро (уран, плутоний); синтез объединяет лёгкие ядра (водород в звёздах).