Л.И. Баюров
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии
Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.

Лекция 2. Физические основы радиобиологии

1. Строение атома и ядра. Ядерные силы сцепления

Еще в V веке до нашей эры греческие мыслители Левкипп и Демокрит сформулировали результаты своих размышлений о структуре материи в виде атомистической гипотезы: вещество невозможно бесконечно делить на все более мелкие части, существуют «окончательные», неделимые частицы вещества. Все материальные предметы состоят из разнообразных атомов (от греч. atomos — «неделимый», «неразрезаемый»). (велосипеды)

Атом – это наименьшее структурное образование любого из простейших химических веществ, называемых элементами. Хотя понятие атома, как и сам термин, имеет древнегреческое происхождение, только в ХХ веке была твердо установлена истинность атомной гипотезы строения веществ.

Размер и масса атомов чрезвычайно малы. Так, диаметр самого легкого атома (водорода) составляет всего 0,53 ^. 10^{-8 см, а его масса 1,67 .} 10^{—24 г.}

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

Ученик Джозефа Томсона Эрнест Резерфорд (Нобелевская премия по химии, 1908) в результате знаменитых экспериментов по рассеянию золотой фольгой α-частиц «разделил» атом на маленькое положительно заряженное ядро и окружающие его электроны. Согласно ей он напоминал миниатюрную солнечную систему, в которой «планеты» — электроны вращаются вокруг «Солнца» — ядра.

Благодаря работам Резерфорда стало ясно, как устроены атомы: в середине атома находится крохотное массивное ядро, а вокруг ядра «роятся» электроны и образуют легкую оболочку атома. При этом электроны, располагаясь и вращаясь в разных плоскостях, создают отрицательный суммарный заряд, а ядро — положительный. В целом же атом остается электронейтральным, так как положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Однако, согласно законам классической механики и электродинамики, вращение электрона вокруг ядра должно сопровождаться электромагнитным излучением с непрерывным спектром. Но это противоречило известным еще с 1880 г. линейчатым спектрам газов и паров химических элементов. Противоречие разрешил в 1913 г. ученик Резерфорда датский физик Нильс Бор (Нобелевская премия по физике, 1922), разработав квантовую модель строения атома на основе квантовой теории излучения и поглощения света, созданной Максом Планком (Нобелевская премия по физике, 1918) и Альбертом Эйнштейном (Нобелевская премия по физике, 1921).

При этом Бору удалось объяснить и рассчитать теоретически линейчатые спектры испускания атомов водорода, а также серии линий в рентгеновских спектрах элементов.

В 1932 г. наш отечественный физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг (Хайзенберг) независимо друг от друга высказали предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Однако, протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Э. Резерфорд полагал, что нейтрон — это лишь сложное образование протона и электрона.

В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы — нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица — позитрон.

В настоящее время существует гипотеза о делимости ряда элементарных частиц на субчастицы – кварки.

Кварки — это гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны).

Итак, атомы состоят из трех видов элементарных частиц. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг него быстро вращаются электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Масса протона примерно равна массе нейтрона. Масса электрона гораздо меньше их масс (1836 раз).

Электрон (е^—) — это устойчивая элементарная частица массой 9,1^.10^{-28 г. Напомним еще раз, что он был открыт в 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном Томсоном.}

Название «электрон» первоначально предложенное английским учёным Джорджем Стони (1891) для заряда одновалентного иона происходит от греческого слова elektron, означающего «янтарь». Его заряд, измеренный в свое время американским физиком Робертом Милликеном (Нобелевская премия по физике, 1923), представляет собой наименьшее количество отрицательного электричества, существующее в природе. В зависимости от своей энергии, с которой электроны удерживаются вокруг ядра, они распределяются по электронным оболочкам или орбитам, которые обозначаются цифрами или буквами, начиная от ядра: 1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q.

Максимальное количество электронов, вращающихся на каждой орбите, строго определено. Так, на орбите К их только 2, L-8, М-18, N-32 и т.д. Атомы, у которых внешняя электронная оболочка заполнена полностью, обладают особенно высокой устойчивостью и образуют группу химически неактивных инертных («благородных») газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn).

Под действием бомбардировок элементарными частицами или квантами извне электроны способны переходить с одних орбит на другие или покидать пределы атома, присоединяясь к электронным оболочкам других атомов.

В первом случае возникает возбуждение, а во втором — ионизация атома.

Электрон участвует в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях и проявляет многообразие свойств в зависимости от типа взаимодействий. Электрон — представитель единого обширного семейства элементарных частиц, и ему в полной мере присуще одно из основных свойств элементарных частиц — их взаимопревращаемость.

Ядро атома имеет в среднем размер 10^{—13 см, что меньше диаметра самого атома от 10 до 100 тысяч раз. В его состав входят ядерные частицы — нуклоны (от греч.} nucleos – «ядро»), которые представлены протонами и нейтронами.

Протон (р) – это устойчивая элементарная частица массой 1,008 а.е.м., что превышает массу электрона в 1836 раз. Эта частица несет в себе положительный одинарный заряд. Как известно, за одну атомную единицу массы в химии принята масса ¹/₁₂ части ядра изотопа С¹², что составляет 1,66^.10²⁷ кг.

Протон является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к «тяжёлым» адронам — барионам. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием протона являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре.

Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком (Нобелевская премия по физике, 1935) при облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц, создаваемых полонием. Чедвик установил, что обнаруженное ранее немецкими физиками В.Боте и Г.Бекером проникающее излучение, которое возникает при бомбардировке атомных ядер  a-частицами, состоит из незаряженных частиц массой, близкой к массе протона.

Нейтрон устойчив только в составе стабильных атомных ядер. В свободном состоянии — это нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино.

Итак, протоны, входящие в ядро, определяют его заряд, а сумма масс протонов и нейтронов – его массу, которая практически и составляет массу самого атома ввиду ничтожности величины масс электронов.

Число протонов в ядре всегда равно числу электронов. В ядрах легких и устойчивых изотопов число p и n совпадает (Н- 1р и 1n, Не – 2р и 2n, О – 8р и 8n и т.д.). В ядрах же тяжелых элементов количество нейтронов существенно превышает число протонов.

Для характеристики соотношения нуклонов в ядерной физике и химии принята следующая запись элементов:

_Z X^A,

 где Х — символ элемента; А — массовое число; Z — заряд ядра (порядковый номер).

Таким образом, число протонов соответствует величине Z, а число нейтронов можно рассчитать по формуле: n = A-Z.

Например,      ₉₂U²³⁸         А = 238;  Z = 92;  n = 238 – 92 = 146

Нуклоны в ядре могут взаимно переходить друг в друга:

1) p ®  n + e⁺ (позитрон) + υ (нейтрино) + Q

2) n ®  p + e^— (электрон) + υ^~ (антинейтрино) + Q

В результате этих переходов нейтроны и протоны остаются в ядре, а позитроны, электроны, нейтрино и антинейтрино вылетают из него.

Протоны ядра, неся положительный заряд, испытывают силу взаимного отталкивания, которая выражается законом Кулона: электрическая сила взаимодействия двух точечных элементарных зарядов прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так как расстояние между протонами в ядре ничтожно мало, величина силы отталкивания чрезвычайно велика. Что же удерживает протоны в ядре?

Нейтрон не обладает электрическим зарядом, и электрические силы на него не действуют. Поэтому физики предположили, что внутри ядра действуют какие-то неизвестные до сих пор силы, которые «склеивают» протоны и нейтроны в единое ядро. Вскоре стали известны свойства этих сил, и в 1935 г. японский физик-теоретик Хидэки Юкава создал мезонную теорию ядерных сил взаимодействия.

Ядерные силы сцепления существуют благодаря наличию двух основных факторов:

1) нейтроны ядра выполняют роль своеобразного «разбавителя-буфера» протонов, не давая им взаимодействовать между собой;

2) между протонами и нейтронами действуют силы взаимного притяжения, которые отличны от электромагнитных и гравитационных сил.

Эти силы отличны от хорошо известных электростатических и гравитационных сил, не исчезающих даже на очень больших расстояниях.

Ядерные силы являются силами притяжения, что прямо следует из факта существования устойчивых ядер, вопреки электростатическому отталкиванию находящихся в них протонов. В пределах своего радиуса действия (до 10^{-13 см) ядерные силы достигают очень большой величины.}