Estructura atómica y desintegración nuclear

Los elementos de toda sustancia están compuestos por átomos con exactamente las mismas propiedades químicas. Los átomos de cada elemento están compuestos por un núcleo y electrones que orbitan fuera del núcleo. El núcleo está compuesto de protones y neutrones. Los neutrones no están cargados y los protones están cargados positivamente. La cantidad de carga es exactamente igual a la cantidad de carga negativa que transportan los electrones fuera del núcleo. El símbolo "e" se utiliza normalmente para representar la carga de un electrón, e=1,60210×10-19C. La masa de un electrón es igual a 9,1091×10-28g; la masa de un protón es igual a 1,67252×10-24g, que es 1836 veces la de un electrón. La masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón, que es 1,67482×10-24g. En condiciones normales, el número total de electrones que orbitan fuera del núcleo de un átomo es igual al número total de protones en el núcleo, por lo que el átomo es neutro. La masa de un átomo es principalmente la suma de las masas de los protones (Z) y los neutrones (N) en el núcleo, lo que se denomina número de masa (A=Z+N). El radio del núcleo R=1,5×10-13A1/3 y el volumen esférico del núcleo es proporcional a A.

Cada electrón fuera del núcleo se mueve alrededor del núcleo en una órbita determinada. Cada electrón de la capa en órbita forma un nivel de energía específico bajo la acción del campo de carga nuclear, que se llama energía de enlace (En) del electrón de la capa:

Campo de radiación nuclear y exploración radiactiva

En la fórmula: R=1.0974×107m-1, que es la constante de Rydberg; h=6.6262×10-34J·s, que es la constante de Planck; c=3.0×108m/s, que es la velocidad de la luz; Z es el número ordinal del átomo; an es un número positivo, relacionado con el número de electrones en la capa; n es el número cuántico principal.

Los electrones con el mismo número cuántico principal n forman un nivel de energía. El valor de este número cuántico principal n representa el tamaño del área espacial en la que el electrón orbita alrededor del núcleo. Según ciertas reglas, los electrones fuera del núcleo forman capas separadas entre sí. La capa más cercana al núcleo se llama capa K (número cuántico principal n=1), y su capa exterior es la capa L (n=2), y luego hacia afuera están las capas M, N, O y P. cáscara, etc. Cada capa puede tener hasta 2n2 electrones. n=1 es la capa K, con un máximo de 2 electrones; n=2 es la capa L, con un máximo de 8 electrones; n=3 es una capa M, con un máximo de 18 electrones. Cada electrón tiene su propia órbita independiente, es decir, el número de momento angular (l) de cada órbita es diferente, por lo que la energía potencial de los electrones en la misma capa también es diferente. Cada capa de concha se puede dividir en varias capas de concha ramificada. El número de capas de la carcasa de soporte es igual a (2l+1). l = n-1, se puede ver que el caparazón K no tiene ramas, el caparazón L tiene 3 ramas y el caparazón M tiene 5 ramas. Diferentes capas ramificadas tienen diferentes energías de unión de electrones.

Todos los protones (Z) y neutrones (N) del núcleo del elemento (X) se denominan nucleones. El número atómico (Z) es igual al número de protones en el núcleo y la carga total en el núcleo es Ze. Todos los núcleos atómicos con el mismo número atómico (Z) están rodeados por el mismo número de electrones extranucleares (Z y Ze), formando átomos con las mismas propiedades químicas. Es decir, en el núcleo de un mismo elemento, el número de protones debe ser igual pero el número de neutrones (N) no necesariamente es el mismo, es decir, el número másico total del núcleo (A=Z+; N) puede ser diferente. Un tipo de átomo o núcleo con una cierta cantidad de protones y neutrones se llama nucleido, generalmente escrito en la forma; los nucleidos con el mismo valor Z pero diferentes valores A se llaman isótopos. Por ejemplo, los dos nucleidos del elemento hierro (Fe) se pueden escribir como y los dos nucleidos de uranio son y.

La energía de enlace del núcleo se encuentra en el estado de energía más bajo (es decir, el estado fundamental), que es el estado de todos los núcleos estables. Un estado de energía superior al estado fundamental es un estado excitado inestable. Hay algunos elementos en la naturaleza cuyos núcleos atómicos se encuentran en un estado inestable y pueden cambiar espontáneamente de un tipo de núcleo atómico a otro tipo de núcleo atómico, acompañado de la emisión de un rayo especial. Este fenómeno se llama desintegración nuclear, y tales elementos. se denominan radionucleidos naturales (isótopos). Los principales tipos de desintegración nuclear se presentan brevemente a continuación.

1) Decaimiento alfa. El proceso en el que un nucleido radiactivo (X) en estado excitado emite espontáneamente partículas alfa y se transforma en otro núcleo atómico (Y) se llama desintegración alfa. Las partículas alfa están compuestas por 2 protones y 2 neutrones y tienen un número másico de 4. El número atómico es 2, que es el núcleo de helio que se mueve a gran velocidad. Por lo tanto, el número másico A del radionucleido desintegrado se reduce en 4 en comparación con el nucleido original, y el número atómico se reduce en 2 dígitos. Se puede expresar como

Campo de Radiación Nuclear y Exploración Radiactiva

Por ejemplo: El núcleo de (uranio) se transforma en (torio) a través de la desintegración alfa (radio) se transforma en; (radón) mediante desintegración alfa.

En la fórmula, Q es la energía de desintegración y su valor es igual a la diferencia entre la masa atómica del nucleido padre y la masa total de los átomos del nucleido hijo y las partículas alfa.

2) Decaimiento beta. El radionucleido (X) convierte espontáneamente un neutrón del núcleo en un protón y libera una partícula beta cargada negativamente, que es esencialmente un electrón de alta velocidad. La partícula beta tiene una masa igual a la masa en reposo del electrón y lleva una carga negativa. El número másico del nucleido producido por la desintegración beta permanece sin cambios y el número atómico aumenta en uno, lo que se puede expresar como

Campo de radiación nuclear y exploración radiactiva

Por ejemplo: El núcleo de (carbono) se desintegra en (nitrógeno) emite partículas beta y neutrinos ν al mismo tiempo, Q es la energía de desintegración. Las partículas beta son electrones y la masa de los neutrinos es muy pequeña y puede ignorarse, por lo que Q es igual a la diferencia entre la masa del nucleido padre y la masa del nucleido hijo (Q = mZ-mZ+1).

3) Captura de electrones. El nucleido radiactivo (X) captura espontáneamente un electrón orbital fuera del núcleo, convirtiendo un protón del núcleo en un neutrón. El número másico del nuevo nucleido generado es el mismo que el del núcleo original y el número atómico es uno menos. que la del núcleo padre. Se puede expresar como

Campo de radiación nuclear y exploración radiactiva

Por ejemplo: los núcleos (de potasio) capturan e- y luego se transforman en (argón). Debido a que los electrones de la capa K están más cerca del núcleo, los electrones de la capa K tienen la mayor probabilidad de ser capturados, por lo que también se llama captura de electrones K.

Algunos radionucleidos pueden sufrir desintegración beta y captura de electrones orbitales al mismo tiempo. Además, durante el proceso de desintegración nuclear (desintegración beta o captura de electrones) se liberan simultáneamente partículas neutras con masas extremadamente pequeñas, los neutrinos, que se caracterizan por una capacidad de penetración extremadamente fuerte y pueden penetrar la Tierra. Alguien está investigando sus usos.

4) Transición γ isomorfa. Los más comunes son los nuevos núcleos producidos por la desintegración alfa o la desintegración beta. Están en estado excitado por un corto tiempo (alrededor de 10 a 13 segundos), saltan rápidamente a un nivel de energía más bajo o estado fundamental y emiten fotones gamma (también llamados rayos gamma). , con ondas electromagnéticas de longitud de onda extremadamente corta). Este fenómeno sólo ocurre una transición de nivel de energía, pero el número másico (A) y el número atómico (Z) del núcleo permanecen sin cambios, por lo que se llama transición isobárica γ. Los estados excitados de algunos núcleos existen durante mucho tiempo y pueden servir como radionucleidos independientes. Estos nucleidos padres y nucleidos hijos que experimentan una transición γ se denominan isómeros.