Ядра атомов. Радиоактивность и изотопы

Химия - наука о образуемых химическими элементами соединениях: их получении, свойствах и применении. Химические свойства определяются валентными электронами атомов, зарядами ядер атомов и, в очень малой степени, массой ядер атомов. Принято различать два класса микрообъектов: элементарные частицы и атомные ядра. Обычно постулируется модель, в которой атомными ядрами называют частицы, состоящие из протонов (p) - элементарных частиц, имеющих заряд +1 и массу (mp) = 1.00727647 а.е.м.), и нейтронов (n) - элементарных частиц, имеющих заряд равный нулю и массу (mn) = 1.008664904 а.е.м.). Обобщенное название протона и нейтрона - нуклон.

Нейтроны и сами по себе, и в ядре атома способны к распаду:

n = p + b + n,

где b-частица - это электрон(e) - элементарная частица с зарядом -1 и массой (me) = 0.000548579903 а.е.м.), n - антинейтрино. Когда подвергается распаду нейтрон в ядре атома, то положительный заряд ядра атома увеличивается на единицу. Масса ядра при этом практически не изменяется [уменьшается на 0.001388434 а.е.м. (1.008664904 - 1.00727647)].

Ядро атома водорода состоит из протона. Ядро изотопа водорода - дейтерия состоит из протона и нейтрона. Что ядро дейтерия - это не просто сумма двух частиц можно понять, если сравнить массу ядра дейтерия (2.01355364 а.е.м.) и сумму масс протона и нейтрона (2.015941374 а.е.м.). Разность этих величин называют дефектом масс (D M) = 0.002387734 а.е.м. В расчете на один нуклон у дейтерия дефект массы равен 0.001193867 а.е.м.

Ядро атома гелия (a-частица) состоит из двух протонов и двух нейтронов. D M в расчете на один нуклон для ядра атома гелия равен 0.007594162 а.е.м. Он увеличился по сравнению с дейтерием почти в семь раз. Это говорит о том, что a-частица - качественно новое, очень устойчивое образование, в котором два протона и два нейтрона исключительно прочно связаны друг с другом, и при образовании a-частицы выделяется очень большая энергия, которая равняется (по Формуле Эйнштейна E = mc2) дефекту массы умноженному на квадрат скорости света.

Ядра атомов C, O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca как бы состоят из 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 a-частиц. Дефекты масс в расчете на один нуклон для этих и некоторых других атомов приведены ниже:

Можно поставить такой вопрос: "Откуда берутся химические элементы?" Если говорить о нашей Солнечной системе, то это выглядело так. 5-6 миллиардов лет тому назад в результате конденсации находящихся в вихревом движении частичек пыли и газа образовалось наше Солнце, а примерно одна тысячная часть первоначальной материи превратилось в планеты. Солнце и другие звезды в нашей Галактике  на 75 % состоят из водорода и на 24 % - из гелия. Внешняя часть земного шара (толщиной примерно 30 километров) называется земной корой. Сейчас имеются достаточно надежные данные о распространенности химических элементов в земной коре: O - 46.6 %; Si - 27.7 %; Al - 8.1 %, Fe - 5.0 %; Ca - 3.6 %; Na - 2.8 %; K - 2.6 % и Mg - 2.1 %.

Эти 8 элементов составляют 98.5 % земной коры и лишь 1.5 % приходится на все остальные химические элементы. А откуда взялась эта пыле-газовая материя, из которой образовались Солнце и планеты?

Предполагается, что наша Вселенная существует 20 миллиардов лет, а для синтеза всех химических элементов Природе вполне достаточно нейтронного газа. При распаде нейтронов получаются протоны и электроны. По мере сжатия исходного газа под действием сил гравитации его температура повышается, а при температурах порядка 10-100 миллионов градусов начинаются ядерные реакции по синтезу все новых и новых ядер все более тяжелых химических элементов. Этот процесс сопровождается выделением коллосального количества энергии, о чем свидетельствуют приведенные выше дефекты масс. В расчете на один нуклон наибольшим дефектом массы обладают химические элементы, расположенные в середине Периодической системы. На какой стадии прекратили свое существования те звезды, в недрах которых были синтезированы химические элементы, образующие планету Земля, каков химический состав внутренних слоев Земли (ее мантии и ядра)? Все эти вопросы находятся в стадии изучения. Сейчас можно  определенно сказать, что все химические элементы с зарядами ядер больше двух рождаются при реакциях термоядерного синтеза в звездах.

Если обратить внимание на величину дефекта масс в расчете на один нуклон у ядер таких атомов как уран и трансурановые элементы, то эта величина окажется меньше, чем у элементов, расположенных в центре Периодической системы, а это означает, что ядра этих атомов обладают избыточной энергией и поэтому могут самопроизвольно распадаться. Впервые явление радиоактивности было обнаружено в 1895 г. Беккерелем. Изучение радиоактивности привело М.Кюри-Складовскую к открытию нового химического элемента - радия. Исследование природы "лучей", вылетающих из ядер атомов при радиоактивном распаде, показало, что это:

1) a-лучи, т.е. поток ядер атомов He; 2) b-лучи, т.е. поток отрицательно заряженных электронов; 3) g-лучи, т.е. поток очень жестких электромагнитных волн.

Количественно скорость радиоактивного распада характеризуют тем временем, которое необходимо для того, чтобы самопроизвольно распалась половина исходного количества ядер атомов (это время называют периодом полураспада t1/2 и его выражают в годах, сутках, часах, минутах и секундах лишь бы было удобно прочитать эту величину).

Существует несколько рядов радиоактивных распадов. Мы приведем один, но сначала напомним Закон смещения Содди и Фаянса: "Если ядро атома химического элемента испускает:

1) a-лучи, то химический элемент смещается в Периодической системе на две клетки влево, а его массовое число уменьшается на четыре единицы; 2) b-лучи, то химический элемент смещается в Периодической системе на одну клетку вправо, а его массовое число не изменяется; 3) g-лучи, то химический элемент не смещается в Периодической системе, его массовое число не изменяется, и лишь ядро его атома переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное".

Далее выпишем символы химических элементов и заряды их ядер и приведем упрощенную схему распада ядер одного из изотопов урана 238, который в конечном итоге превратится в изотоп свинца с массой 206.

При анализе продуктов радиоактивного распада неустойчивых химических элементов путеводной нитью для химиков была Периодическая система Д.И.Менделеева. Именно она помогла предвидеть, какими химическими свойствами будут обладать полученные изотопы, какие химические методы использовать для разделения смеси изотопов. Эта новая наука называется "радиохимией" или "ядерной химией" .

Первое искусственное превращение химических элементов осуществил Э.Резерфорд при бомбардировке a-частицами ядер атомов азота. Индекс слева вверху у симовола химического элемента означает массовое число изотопа, а символ слева внизу - заряд ядра атома.

Для бомбардировки ядер атомов можно использовать протоны, нейтроны, ядра атомов других химических элементов. Для придания этим частицам нужной кинетической энергии можно использовать циклотрон (впервые был создан Э.Лоуренсом в 1930 г.).

Завершая рассмотрение строения и свойств ядер атомов можно констатировать: большинство химических элементов в природе представляют собой естественную смесь изотопов. Все изотопы одного и того же химического элемента имеют одинаковый заряд ядра (содержат одно и то же число протонов в ядре) и различные массовые числа (содержат различное число нейтронов в ядре). Поэтому атомная масса химического элемента вычисляется как сумма произведений мольных долей изотопа в смеси на массу изотопа. Так, химический элемент хлор имеет всего два стабильных изотопа с массовыми числами 35 и 37. Процентное содержание 35Cl в естественной смеси - 75.77 %, а 37Cl - 24.23 %.

Поэтому

0.7577·34.96885359 + 0.2423·36.96590302 = 35.45273972,

а атомная масса химического элемента хлора, приводимая в Периодической таблице, равна 35.453, так как процентный состав изотопов известен лишь с точностью четырех значащих цифр.

Создание атомного оружия потребовало в свое время научиться разделять изотопы. Так химический элемент уран представляет собой естественную смесь радиоактивных изотопов. Наибольшую стабильность (наибольшее значение периода полураспада) имеют изотопы урана с массовыми числами 238 (99.2745 %), 235 (0.7200 %) и 234 (0.0055 %). Различие в массах атомов у этих изотопов приводит к очень небольшим, но все-таки заметным, различиям, например, в коэффициентах термодиффузии. Это легло в основу разделения летучих соединений урана с постепенным обогощением смеси одним из изотопов. Сейчас промышленность производит в достаточных количествах вещества, в которых тот или иной химический элемент представлен в виде одного из своих изотопов. В Москве даже существует магазин "Изотоп", где такие вещества можно купить.

Вещества, в которых один из химических элементов представлен одним из своих изотопов, широко используются в научно-исследовательских лабораториях. Так, линии в спектрах различных изомерных молекул немного смещаются относительно друг друга, что облегчает расшифроку спектров и определение строения молекул. Метод меченых атомов используется для установления механизма многих химических реакций. Так, при реакции этерификации (взаимодействие органической кислоты и спирта) получаются сложный эфир и вода. Можно предположить следующие механизмы этой реакции ("меченными" являются атомы кислорода в молекуле спирта, которые содержат один изотоп кислорода 18O):

3) сразу обе реакции имеют место.

Исследования показали, что изотопы кислорода 18O содержатся только в молекулах сложного эфира, а не в молекулах воды. Поэтому из возможных механизмов реакции этерификации следует выбрать 2)

 

 

другие статьи:

  1. Агрегатные состояние вещества
  2. Строение атома - развитие моделей
  3. Квантовая механика и строение атома водорода
  4. Электронные конфигурации атомов и периодический закон
  5. Ядра атомов. Радиоактивность и изотопы
  6. Строение молекул. Типы химической связи
  7. Квантовая механика молекул и теория химической связи. Метод молекулярных орбиталей. Теория спин-валентности
  8. Окислительно-восстановительные реакции
  9. Химическая термодинамика
  10. Химическая кинетика и катализ
  11. Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции
  12. Электрохимия. Свойства электролитов. Электролиз