Как работать с материалом
Материал идёт от простого к сложному: каждый следующий раздел опирается на предыдущий, поэтому читайте по порядку. Картинки можно увеличить нажатием.
После изучения вы должны уметь:
- описать строение атома и назвать его частицы с их зарядами;
- по записи вида 126C определить число протонов, нейтронов и электронов;
- объяснить, что такое возбуждение и ионизация атома;
- отличить изотопы одного элемента друг от друга;
- отличить ионизирующее излучение от неионизирующего и найти рентгеновские лучи на шкале электромагнитных волн;
- перечислить свойства рентгеновских лучей, на которых основана рентгенодиагностика.
В конце есть словарь терминов и вопросы для самопроверки. Сначала отвечайте сами, письменно, и только потом открывайте ответ.
1Из чего состоит вещество
Любое вещество состоит из атомов. Атом (от греч. «атомос» — неделимый) — мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства. Атомы соединяются в молекулы: например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Древние греки считали атом неделимым. В конце XIX — начале XX века выяснилось, что это не так: у атома есть внутреннее устройство.
Как менялись представления об атоме
| Год | Учёный | Что установлено |
|---|---|---|
| 1897 | Дж. Томсон | Открыт электрон — частица с отрицательным зарядом, входящая в состав любого атома |
| 1911 | Э. Резерфорд | Почти вся масса и весь положительный заряд атома собраны в крошечном ядре в центре. Модель назвали планетарной: электроны вокруг ядра похожи на планеты вокруг Солнца |
| 1913 | Н. Бор | Электроны могут находиться только на определённых энергетических уровнях (оболочках) |
| 1932 | Дж. Чедвик | Открыт нейтрон — нейтральная частица ядра |
Сегодня известно, что электрон не движется по чёткой орбите, как планета. Можно лишь указать область, где он находится с наибольшей вероятностью. Эту область называют электронным облаком. Тем не менее слова «орбита» и «оболочка» удобны и используются дальше в тексте.
2Строение атома
Атом состоит из положительно заряженного ядра в центре и отрицательно заряженных электронов вокруг него. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов; их вместе называют нуклонами.
| Частица | Где находится | Заряд | Масса (примерно) |
|---|---|---|---|
| Протон (p) | в ядре | +1 | 1,67·10−27 кг ≈ 1 а.е.м. |
| Нейтрон (n) | в ядре | 0 | чуть больше массы протона ≈ 1 а.е.м. |
| Электрон (e) | в электронной оболочке | −1 | 9,11·10−31 кг, в 1836 раз легче протона |
Заряд «+1» и «−1» — это элементарный заряд, 1,6·10−19 Кл. Меньшего заряда у свободных частиц в природе не встречается, поэтому в атомной физике его принимают за единицу.
Атом в целом нейтрален. Число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре, и их заряды компенсируют друг друга. Если атом теряет или приобретает электроны, он становится заряженным и называется ионом.
Размеры: атом почти пустой
Ядро имеет размер 10−15–10−14 м, а весь атом — около 10−10 м, то есть атом в десятки тысяч раз больше своего ядра. Если увеличить ядро до размера монеты, ближайший электрон окажется примерно в километре от неё. При этом в ядре сосредоточено более 99,9 % массы атома.
Порядковый номер и массовое число
Каждый атом описывают тремя числами:
- Z — зарядовое число, число протонов. Совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева и определяет, какой это элемент. Все атомы с Z = 6 — углерод, с Z = 8 — кислород.
- N — число нейтронов.
- A — массовое число, общее число нуклонов в ядре.
Ядро записывают так: массовое число ставят сверху слева от символа элемента, зарядовое — снизу слева.
Массу атомов измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.). 1 а.е.м. — это 1/12 массы атома углерода-12, около 1,66·10−27 кг. Массовое число A — целое число, ближайшее к массе атома в а.е.м.
3Электронная оболочка
Электроны в атоме располагаются слоями — оболочками, или энергетическими уровнями. Электрон притягивается к ядру, и чтобы удалить его из атома, нужно затратить энергию. Эту энергию называют энергией связи.
Оболочки обозначают буквами K, L, M, N… начиная от ядра. Ближе всего к ядру лежит K-оболочка: её электроны связаны с ядром сильнее всего. Чем дальше оболочка, тем слабее связь.
На каждой оболочке помещается ограниченное число электронов:
| Оболочка | Номер n | Наибольшее число электронов |
|---|---|---|
| K | 1 | 2 |
| L | 2 | 8 |
| M | 3 | 18 |
| N | 4 | 32 |
Что может произойти с электроном
Если атом получает энергию извне (от удара частицы, от излучения), возможны три процесса.
- Возбуждение. Энергии хватает, чтобы перевести электрон на более далёкую от ядра оболочку, но не хватает, чтобы вырвать его из атома. Атом становится «возбуждённым».
- Излучение. Возбуждённый атом неустойчив. Электрон возвращается на свободное место ближе к ядру, а лишняя энергия уходит в виде порции излучения — фотона. Переходы на внешних оболочках дают видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Если же электрон был выбит с внутренней оболочки (K или L), освободившееся место занимает электрон с внешней оболочки, и излучается рентгеновский фотон, свой для каждого химического элемента. Это характеристическое излучение. Подробнее о том, как рождается рентгеновское излучение, — в модуле 9.
- Ионизация. Энергии достаточно, чтобы вырвать электрон из атома совсем. Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом. Вместе с выбитым электроном они образуют пару ионов. Если электрону досталось много энергии, он сам ионизирует соседние атомы — так один фотон даёт целую цепочку ионизаций. Именно эти вторичные электроны и повреждают ткани (модуль 2).
Запомните эти три процесса. На них построено всё дальнейшее: и то, как рентгеновские лучи рождаются в трубке, и то, как они действуют на вещество и на организм.
4Ядро и изотопы
Протоны в ядре заряжены одинаково и отталкиваются друг от друга. Ядро не разлетается, потому что нуклоны удерживают особые ядерные силы. Они намного сильнее электрических, но действуют только на очень малых расстояниях — в пределах ядра.
Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Химически они ведут себя одинаково, а различаются массой.
| Изотоп | Протонов Z | Нейтронов N | Массовое число A |
|---|---|---|---|
| Углерод-12 | 6 | 6 | 12 |
| Углерод-14 | 6 | 8 | 14 |
| Кобальт-59 | 27 | 32 | 59 |
| Кобальт-60 | 27 | 33 | 60 |
Большинство ядер устойчивы и существуют неограниченно долго. Но у некоторых изотопов нейтронов «слишком много» или «слишком мало», и такое ядро со временем само превращается в другое, испуская излучение. Например, углерод-14 и кобальт-60 неустойчивы, а углерод-12 и кобальт-59 стабильны. Об этом — в следующем разделе.
5Что такое излучение
Излучение — это испускание и распространение энергии в виде волн или частиц. Свет лампы, тепло от батареи, радиосигнал и рентгеновские лучи — всё это излучения. Различаются они тем, сколько энергии несёт каждая порция.
Ионизирующее излучение (ИИ) — излучение, энергии которого хватает, чтобы вызвать ионизацию: выбить электроны из атомов вещества (см. раздел 3). В живой ткани ионизация разрывает химические связи в молекулах, и это может повредить клетки. К ИИ относятся рентгеновское и гамма-излучение, а также потоки альфа- и бета-частиц.
Неионизирующее излучение — радиоволны, инфракрасное (тепловое) излучение, видимый свет. Его порции слишком слабы, чтобы выбивать электроны из атомов.
Кратко о радиоактивности
В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что соли урана сами, без внешнего воздействия, испускают невидимые лучи. Это явление назвали радиоактивностью: неустойчивое ядро самопроизвольно превращается в другое и испускает излучение.
| Вид | Что это | Задерживается |
|---|---|---|
| Альфа (α) | ядра гелия: 2 протона + 2 нейтрона | листом бумаги; в воздухе проходит несколько сантиметров |
| Бета (β) | быстрые электроны, вылетающие из ядра | слоем алюминия в несколько миллиметров; в теле — до 1 см |
| Гамма (γ) | электромагнитное излучение ядра | полностью не задерживается ничем, только ослабляется толстым слоем свинца или бетона |
Для рентгенолаборанта главное другое: по природе рентгеновское излучение такое же, как гамма, — это фотоны. Но получают его не из радиоактивных веществ, а в рентгеновской трубке. Выключили аппарат — излучение прекратилось.
6Электромагнитные волны
Рентгеновское излучение — это электромагнитная волна, такая же по природе, как свет или радиоволны. Чтобы понять, чем оно отличается, разберёмся, что такое волна.
Колебание и волна
Колебание — повторяющееся изменение состояния в одном месте, например раскачивание маятника. Энергия при этом никуда не переносится.
Волна — колебание, которое передаётся от точки к точке. Бросьте камень в воду: каждая частица воды лишь качается вверх-вниз, но возмущение бежит по поверхности. Волна переносит энергию, а не само вещество.
Электромагнитной волне не нужна среда. В ней колеблются электрическое и магнитное поля, и она может распространяться даже в вакууме со скоростью света — около 300 000 км/с. Энергию электромагнитная волна переносит порциями — квантами, или фотонами.
Длина волны и частота
- Длина волны (λ, «лямбда») — расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются одинаково. Короткие волны измеряют в нанометрах (1 нм = 10−9 м).
- Частота (ν, «ню») — число колебаний за 1 секунду, измеряется в герцах (Гц).
Они связаны со скоростью света c простой формулой:
Отсюда главное правило: чем короче волна, тем выше частота и тем больше энергия каждого фотона. А чем больше энергия фотона, тем выше проникающая способность излучения и тем сильнее оно ионизирует.
Шкала электромагнитных излучений
| Вид излучения | Длина волны (примерно) | Ионизирует? |
|---|---|---|
| Радиоволны | от 1 мм до километров | нет |
| Инфракрасное (тепловое) | 780 нм – 1 мм | нет |
| Видимый свет | 380–780 нм | нет |
| Ультрафиолетовое | 10–380 нм | только самое коротковолновое |
| Рентгеновское | примерно 10−8 – 10−12 м | да |
| Гамма-излучение | короче 10−11 м | да |
Области рентгеновского и гамма-излучения частично перекрываются: по свойствам такие волны одинаковы. Различаются они происхождением: рентгеновское излучение возникает в электронной оболочке атома и при торможении быстрых электронов (в рентгеновской трубке), а гамма-излучение испускают ядра радиоактивных атомов.
7Открытие рентгеновских лучей
Рентгеновские лучи открыл немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген 8 ноября 1895 года в Вюрцбурге.
Рентген изучал электрический разряд в стеклянных вакуумных трубках. Он затемнил комнату и обернул трубку плотной чёрной бумагой. Включив высокое напряжение, он заметил, что светится экран, покрытый платино-синеродистым барием и стоящий в стороне. Свечение появлялось каждый раз при включении трубки, даже на расстоянии почти двух метров.
Следующие недели Рентген изучал новые лучи и назвал их X-лучами — «неизвестными». Он установил, что они:
- проходят через бумагу, дерево, ткань и даже тонкие металлы, причём тем хуже, чем вещество плотнее и толще;
- почти не проходят через свинец;
- вызывают свечение некоторых веществ;
- засвечивают фотопластинку.
Держа руку между трубкой и экраном, Рентген увидел тени собственных костей внутри более светлой тени мягких тканей. Вскоре он получил знаменитый снимок кисти жены с кольцом на пальце. В конце декабря 1895 года вышла его статья «О новом роде лучей».
Что было дальше
| Год | Событие |
|---|---|
| 1896 | Опыты Рентгена повторены по всему миру. В России в январе их воспроизвёл профессор Н. Г. Егоров, а А. С. Попов собрал рентгеновский аппарат для Кронштадтского морского госпиталя. За год вышло более 1000 статей об X-лучах |
| 1896 | Уже в первый год описаны выпадение волос, ожоги кожи и тяжёлые поражения рук у работавших с лучами. Среди пострадавших — американский рентгенолог Уолтер Додд: позже он перенёс десятки операций на руках |
| 1901 | Рентген получил первую в истории Нобелевскую премию по физике |
| 1918 | В Петрограде по инициативе М. И. Неменова и А. Ф. Иоффе открыт Государственный рентгенологический и радиологический институт — один из первых в мире институтов такого профиля |
В честь первооткрывателя X-лучи в русском и немецком языках называют рентгеновскими. Ранние повреждения у врачей и техников показали: лучи, которые видят сквозь тело, требуют защиты. С этого началась радиационная безопасность.
8Свойства рентгеновского излучения
Вся работа рентгенолаборанта опирается на пять свойств рентгеновских лучей.
- Проникающая способность и неравномерное поглощение. Лучи проходят через непрозрачные для света предметы, в том числе через тело человека. Разные ткани поглощают их по-разному: чем больше атомный номер Z элементов и плотность ткани, тем сильнее поглощение. Кости содержат кальций (Z = 20) и фосфор (Z = 15), а мягкие ткани — в основном лёгкие элементы: водород (Z = 1), углерод (6), азот (7), кислород (8). Поэтому кость задерживает лучи в несколько раз сильнее мягких тканей. За телом пучок становится неоднородным и несёт невидимое изображение внутренних структур.
- Фотохимическое действие. Лучи разлагают соединения серебра и вызывают почернение фотоэмульсии. На этом основана рентгенография на плёнке; сегодня плёнку почти вытеснили цифровые приёмники (модуль 8).
- Люминесценция (флюоресценция). Лучи вызывают свечение некоторых веществ, например оксисульфида гадолиния и йодида цезия (исторический пример — вольфрамат кальция в экранах эпохи плёнки). На этом основаны усиливающие экраны, флюорография, рентгеноскопия и непрямые цифровые детекторы; экраны позволяют в десятки раз сократить облучение пациента.
- Ионизирующее действие. Лучи выбивают электроны из атомов (раздел 3) и ионизируют, например, воздух. Степень ионизации пропорциональна количеству излучения. Это используют приборы-дозиметры, которые измеряют дозу. Ионизация в слое селена — основа прямых цифровых панелей.
- Биологическое действие. Ионизация в клетках вызывает изменения в тканях, тем сильнее, чем больше доза. Направленное облучение опухоли большими дозами при защите здоровых тканей — это лучевая терапия. Большие бесконтрольные дозы вызывают лучевые поражения и лучевую болезнь, а даже малые немного повышают риск отдалённых последствий (модуль 2).
Кроме того, рентгеновские лучи, как и любые электромагнитные волны, распространяются прямолинейно и ослабевают с расстоянием от источника по закону обратных квадратов: отойдите вдвое дальше — доза станет вчетверо меньше (модуль 4). Их не видно, не слышно и не ощущается, поэтому обнаружить их можно только приборами.
Мягкое и жёсткое излучение
Излучение с большей длиной волны называют мягким, с меньшей — жёстким. Жёсткое излучение несёт больше энергии и глубже проникает через вещество. Мягкое легко поглощается: часть его задерживается уже в воздухе и в коже. Жёсткостью излучения управляют напряжением на рентгеновской трубке и фильтрами, которые отсекают мягкую часть, — об этом подробно в модуле 5.
Словарь терминов
| Термин | Значение |
|---|---|
| Атом | мельчайшая частица химического элемента, состоит из ядра и электронов |
| Ядро | центральная часть атома из протонов и нейтронов, содержит почти всю его массу |
| Нуклон | общее название протона и нейтрона |
| Z (зарядовое число) | число протонов в ядре, порядковый номер элемента |
| A (массовое число) | число нуклонов в ядре: A = Z + N |
| Изотопы | атомы одного элемента с разным числом нейтронов |
| Энергия связи | энергия, которую нужно затратить, чтобы удалить электрон из атома |
| Возбуждение | переход электрона на более далёкую от ядра оболочку |
| Ионизация | вырывание электрона из атома: образуется пара ионов — положительный ион и свободный электрон |
| Ион | атом с недостатком или избытком электронов |
| Фотон (квант) | порция энергии электромагнитного излучения |
| Ионизирующее излучение | излучение, способное ионизировать атомы вещества |
| Радиоактивность | самопроизвольное превращение неустойчивых ядер с испусканием излучения |
| Длина волны | расстояние между ближайшими точками волны, колеблющимися одинаково |
| Частота | число колебаний в секунду |
| Жёсткое излучение | коротковолновое, высокоэнергетичное, сильнее проникает |
| Мягкое излучение | длинноволновое, легче поглощается |
Вопросы для самопроверки
Сначала ответьте сами, письменно. Затем нажмите на вопрос и сверьтесь.
Уровень 1 — основы
1. Из каких частиц состоит атом? Какой заряд у каждой из них?
2. Почему атом в целом электрически нейтрален?
3. Что показывает порядковый номер элемента в таблице Менделеева?
4. Сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме кислорода-16 (Z = 8)?
5. Чем ионизирующее излучение отличается от неионизирующего? Приведите по два примера.
Уровень 2 — понимание
6. Почему говорят, что атом «почти пустой»?
7. Сколько электронов может находиться на L-оболочке? Покажите расчёт по формуле.
8. Чем возбуждение атома отличается от ионизации? Что происходит, когда возбуждённый атом возвращается в обычное состояние?
9. Чем отличаются изотопы углерод-12 и углерод-14? Почему химически они ведут себя одинаково?
10. Как связаны длина волны, частота и энергия фотона?
Уровень 3 — применение
11. Рентгеновское и гамма-излучение одинаковы по свойствам. Как же их различают?
12. Почему на рентгеновском снимке кости видны иначе, чем мягкие ткани? Используйте понятие атомного номера.
13. Какие свойства рентгеновских лучей заметил Рентген в первые недели после открытия? Какие из них используются в рентгенодиагностике сегодня?
14. Почему рентгеновское излучение опасно для человека, хотя его не видно и не ощущается?
15. Чем жёсткое излучение отличается от мягкого и какое из них сильнее поглощается кожей?
Следующий модуль: Биологическое действие ионизирующего излучения → · Все модули
Автор и составитель курса — М. В. Зайвый. Материалы подготовлены с помощью ИИ-ассистента Claude (Anthropic), проверены и отредактированы автором.