Максимальная устойчивость атома, как системы электрических частиц, отвечает
минимуму его полной энергии. Потому электроны при заполнении энергетических
уровней в электромагнитном поле ядра будут занимать (застраивать) в первую
очередь наиболее низкий из них (К – уровень; n=1). В электронейтральном
невозбужденном атоме электрон в этих условиях имеет наименьшую энергию (и,
соответственно, наибольшую связь с ядром). Когда К – уровень будет заполнен
(1s2 – состояние, характерное для атома гелия), электроны начнут
застраивать уровень L (n = 2), затем M – уровень (n=3). При данном n
электроны должны застраивать сначала s-, затем p-, d- и т. д. подуровни.
Однако, как показывает рис. 3, энергетические уровни в атоме элемента не
имеют ясных грани. Более того, здесь наблюдается даже взаимное перекрывание
энергий отдельных подуровней. Так, например, энергетическое состояние
электронов в подуровнях 4s и 3d, а так же 5s и 4d очень близки между собой,
а 4s1 и 4s2 – подуровни отвечают более низким значениям энергии, чем 3d.
Поэтому электроны, застраивающие, M- и N- уровни, в первую очередь попадут
на 4s – оболочку, которая относится к внешнему электронному слою N (n=4), и
лишь по ее заполнении (т. е. после завершения построения оболочки 4s2)
будут размещаться в 3d – оболочке, относящейся к предвнешнему слою M (n=3).
Аналогичное наблюдается и в отношении электронов 5s- и 4d – оболочек. Еще
более своеобразно идет заполнение электронами f – оболочек: они при наличии
электронов на внешнем уровне n (при n, равном 6 или 7) застраивают уровень
n=2, т. е. предпревнешний слой, - пополняют оболочку 4f (при n=6) или
соответственно оболочку 5f (при n=7).
Обобщая, можно высказать следующие положения.
Уровни ns, (n-1)d и (n-2)f близки по энергии и лежат ниже уровня np.
С увеличением числа электронов в атоме (по мере повышения величины Z) d –
электроны «запаздывают» в построении электронной оболочки атома на один
уровень (застраивают предвнешний слой, т. е. уровень n-1), а f – электроны
запаздывают на два уровня: достраивают второй снаружи (т. е. предвнешний)
слой n – 2. Появляющиеся f – электроны часто как бы вклиниваются между (n-
1)d1 и (n-1)d2(10 – электронами.
Во всех указанных случаях n – номер внешнего уровня, на котором уже
содержатся два электрона (ns2 – электроны), причем n одновременно и номер
того периода по таблице Менделеева, который включает данный элемент.
Элементы, в атомах которых при наличии электронов во внешнем слое n (ns2 –
электроны) идет достройка одного из подуровней (3d, 4d, 4f, 5d или 5f),
находящихся на предвнешних слоях (n-1) или (n-2), называются переходными.
Общая картина последовательности заполнения электронами оболочек атомов
элементов, принадлежащих к периоду n, имеет вид:
|ns1(2(n-1) d1 (n-2)/1(14(n-1)d2(10 np1(6 (a) |
|1(7 4(7 6(7 4(7 2(7 |
В показателе степени при s-, p-, d- и f – обозначениях в строке (а) указано
возможное число электронов в данной оболочке. Например, в оболочке s может
содержаться либо один, либо два электрона, но не больше; в оболочке f – от
1 до 14 электронов и т. д.
Известно, что минимальное значение коэффициента при обозначении d –
электронов равно трем. Следовательно, d-электроны могут в атомное структуре
появится не ранее четырем. В связи с этим указанные электроны могут
появиться в атомах не ранее как в элементах шестого периода (т. е. при n-
2=4; n=4+2=6). Это обстоятельство и отмечено во второй строке.
Позитрон является античастицей электрона. В отличие от электрона
позитрон имеет положительный элементарный электрический заряд и считается
недолговечной частицей. Обозначается позитрон символами е+ или ?+.
Гамма-излучение
Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале
электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением,
занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно
малой длинной волны (?(10 -8 см) и вследствие этого ярко выраженными
корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма
квантов, или фотонов, с энергией h? (? – частота излучения, h – Планка
постоянная).
Гамма- излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных
частиц, при аннигиляции пар частицы-античастица, а также при прохождении
быстрых заряженных частиц через вещество.
Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при
переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее
возбужденное или в основное. Энергия ? – кванта равна разности энергий ??
состояний, между которыми происходит переход.
Возбужденное состояние
Е2
h?
Основное состояние ядра Е1
Испускание ядром ?-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или
массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений.
Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку
расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-
излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий.
Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных
состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах
некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося ?0- мезона
возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада
элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие
распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми с
скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и
спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц
через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле атомных ядер
вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и тормозное рентгеноовское
излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя граница которого
совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях
заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной
энергией до нескольких десятков Гэв.
В межзвёзном пространстве гамма-излучение может возникать в результате
соударений квантов более мягкого длинноволнового, электромагнитного
излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями
космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию
электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое
гамма-излучение.
Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столновении
электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого
света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает
энергию световому фотону, который превращается в ?-квант. Таким образом,
можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-
излучения высокой энергии.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может
проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные
процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, -
фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-
эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит
поглощение ?-кванта одним из электронов атома, причём энергия ?-кванта
преобразуется ( за вычетом энергии связи электрона в атоме ) в кинетическую
энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта
прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно
пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом,
фотоэффект преобладает в области малых энергии ?-квантов ( (100 кэв ) на
тяжелых элементах ( Pb, U).
При комптон-эффекте происходит рассеяние ?-кванта на одном из электронов,
слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте ?-
квант не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну волны ) и направление
распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта
становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым
). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов
в 1см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна
атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с
малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию
связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского
рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии
~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших
энергиях.
Если жнергия ?-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс
образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер.
Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и
увеличивается с ростом h?. Поэтому при h? ~10 Мэв основным процессом в
любом веществе оказывается образование пар.
100
50
0
0,1 0,5 1 2 5 10
50
Энергия ?-лучей ( Мэв )
Обратный процесс аннигиляция электрон-позитронной пары является источником
гамма-излучения.
Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются
коэффициентом поглощения, который показывает, на какой толщине Х
поглотителя интенсивность I0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в
е раз:
I=I0e-?0x
Здесь ?0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения. Иногда вводят
массовый коэффициент поглощения, равный отношению ?0 к плотности
поглотителя.
Экспоненциальный закон ослабления гамма-излучения справедлив для узкого
направления пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и
рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка. Однако при
высоких энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество
значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой
энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение
благодаря процессам торможения и аннигиляциии. Таким образом в веществе
возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов
