Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (Учебник по химии), страница 99

И. Иваненко и Е. Н. Гапоном, а также немецким ученым В. Гейзенбергом, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых иуклоиами. 398 Протон (р) — это частица, имеющая массу 1,672 10 " кг и положительный заряд, равный 1,602 10 '~ Кл. Нейгрон (и)— незаряженная частица, обладающая массой 1,674 !О " кг.

Заряд ядра равен целому числу Л (порядковому номеру элемента) единиц зарядов протона. Его пишут слева внизу у символа элемента. Сумму протонов У и нейтронов У, содержащихся в ядре атома, называют ядерным массовым числом (или просто массовым числом): А = 2+ М. Массовое число обычно пишут слева вверху у символа атома. Так, запись "С обозначает атом углерода с ядерным массовым числом 12.

Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, входящих в это ядро, Разность между массами ядра и нуклонов называют дефектом массы. Например, масса изотопа гелия равна 4,0015 атомных единиц массы (а.е.м), в то время как сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 4,0319 а.е.м., соответственно дефект массы равен 0,0304 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. Он соответствует энергии, которая выделяется при образовании ядра из протонов и нейтронов и может быть рассчитана по уравнению Эйнштейна: Е= тс', где Š— энергия; пг — масса; с — скорость света. Согласно этому уравнению, уменьшение массы на 0,0304 а.е.м.

при образовании ядра гелия из двух протонов и двух нейтронов соответствует выделению энергии 4,52 ° !0 "Дж или 2,72 ° !0 кДж на 1 моль ядер гелия. Соответственно средняя энергия связи в ядре гелия на 1 моль нуклонов составляет 6,8 10з кДж, т. е. в миллион раз превышает энергию связи атомов в молекулах. Изотопы. Существуют ядра с одним и тем же значением 2, но с различным значением А, т.

е. ядра с различным содержанием нейтронов. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное количество нейтронов, называются и з о т о п а м и. Так, символами ЯС и ЯС обозначают изотопы углерода. Большинство химических элементов является совокупностями изотопов.

Например, природный кислород состоит из изотопов ~з~О (99,76 Щ), 'вО (0,04 ~4) и 'вО (0,2 Я), природный хлор — из изотопов ~гС! (75,53 9й) и ДС (24,47 9"). Наличие нескольких изотопов у элементов — основная причина дробных значений атомных масс элементов. Наиболее многочисленны изотопы (по 6 — !О) у элементов с 2 от 40 до 56, т, е. расположенных в середине периодической системы элементов. При этом число устойчивых (стабильных) изотопов меньше числа неустойчивых, т. е, радиоактивных. Элементы, начиная с 84 (полоний) и кончая 92 (уран), состоят только из неустойчивых изотопов. При 2 ) 92 изотопы становятся настолько нестабильными, что все тяжелые элементы, начиная с нептуния (93), получены искусственным путем. Так как изотопы одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра и соответственно одинаковое электронное строе- 399 ние, то химические свойства их практически тождественны.

Исключение составляют изотопы легких элементов, у которых атомные массы существенно различаются. У таких изотопов и их соединений наблюдается заметная разница химических свойств. Примером таких изотопов могут быть протий (Н, дейтерий ~Н и тритий ~1Н. Естественная радиоактивность. Многие ядра атомов неустойчивы и могут самопроизвольно превращаться в другие ядра. Явление самопроизвольного распада ядер природных элементов получило название естественной радиоактивности. Естественная радиоактивность открыта французскими физиками А. Беккерелем (!896), М. Кюри и П. Кюри (!898). К основным типам самопроизвольных ядерных процессов относятся а- и р-распады и спонтанное деление.

При а-распаде ядро испускает а-частицы (ядра гелия) с массовым числом четыре и положительным зарядом два, что приводит к образованию изотопа элемента с зарядом ядра на две единицы меньше исходного. Выделение а-частиц характерно для большинства элементов с массовыми числами, превышающими 208, например для изотопа урана: 23(0 2(ч)тк При ))-распаде происходит непускание ядром электрона е или позитрона е~ или захват ядром электрона с одного из ближайших к ядру энергетических уровней. При этом нейтрон превращается в протон или протон — в нейтрон. ()-Распад сопровождается выделением незаряженных частиц нейтрино или антинейтрино, Нейтрино и антинейтрино обозначаются символами соответственно ч и ч.

При электронном р-распаде и р+е +ч излучаются электрон и антинейтрино. Например, чЦВ; 2)(Р, + При позитронном 8-распаде р и+е++ч испускаются позитрон и нейтрино. Например, ~(С чВ+еч+ч При электронном захвате р+е — п+ч ядро захватывает электрон с ближайшего уровня и испускает нейтрино. Например, мзе + е" зтАе + ч. При ))-распаде массовое число ядер не изменяется. При 8-распаде возникают атомы новых элементов, смещеннсчх на одно место от исходного элемента к концу периодической системье (для электронного 8-распада) или к ее началу (для позитронного ()-распада или электронного захвата). С п о н т а н н ы м д е л е н и е м называется самопроизвольный распад ядер тяжелых элементов на два (реже на три, четыре) ядра атомов элементов, находящихся в середине периодической системы.

Спонтанное деление сопровождается излучением нейтпонов. Спонтанному делению подвергаются ядра атомов урана ( м(/ и '~'()), тория ("'Т)1 и ~'~Т(5) и др., например ~!10 -и !1на + !1кг + зп. Продолжительность ядерных процессов варьируется в очень больших пределах, от малых долей секунды до миллиарда лет и более. Реакция радиоактивного распада подчиняется кинетическому уравнению для реакций первого порядка (см.

$ Н.1) 10, = Мва (ХЧ.1) где /Н~ — число не распавшихся ядер к моменту времени 1; /Но— первоначальное число ядер; Х вЂ” постоянная радиоактивного распада. Для характеристики скорости распада радиоактивных веществ используют величину, называемую периодом полураспада. Период полураспада 1 1, — промежуток времени, в течение которого первоначальное число ядер радиоактивного ве1цества вследствие распада уменьшается вдвое.

Значение 11, можно легко вывести из уравнения (ХН,!). Так как при 1= 1 1, /)/ = гуо/2. то е '"п~ = '/в или (ХЧ.2) 1 н = 1. '! и 2 = 0,693Х Из уравнений (ХЧ.!) и (ХН.2) получаем 1 = (1 н/0,693) 1п (Мо/М1 (ХН.3) РЬ 61 Рв А1 йв Гг аале тй Ра 0 Парадаабни нанер Рно, ХН.1. Радиоактивный ряд урана 401 По уравнениям (ХЧ.! ) -- (ХЧ.З) можно определить время прошедшее после начала распада, илн первоначальное число ядер Л/о, или период полураспада 1~1т Периоды полураспада радиоактивных изотопов лежат в очень широких пределах.

Так, /1 т '13Т)5 равен 1,39 10" лет, ~авайа — 16! 7 лет, '41овро 138,401 дня, '!(Ро — 3,04 ° 1О ' с. Радиоактивные ряды. Все элементы, находящиеся в периодической системе элементов после висмута, радиоактивны. Среди последних существуют три элемента, а именно; торий-232 (1~1в= 1,39.!О" лет), уран-235 (/,гт= 7. 10в лет) н гм 750 754 252 250 220 270 п ~274 о 777 4 720 ь. 7Н ~ 210 214 217 210 200 70б уран-238 ()от=4,5 )О" лет), продолжительность жизни которых достаточно высока, чтобы они могли сохраниться на Земле в течение прошедших 4,5 — 5 млрд. лет ее существования.

Изотопы ~эвоТЬ, ЧвзС и 'этУ вЂ” родоначальники природных радиоактивных рядов тяжелых элементов, названных соответственно рядом тория, урана и актнноурана; а- н 8-превращения в этих рядах заканчиваются образованием трех устойчивых изотопов свинца: тйРЬ, товттРЬ и тДРЬ. На рнс. ХЧ.! приведен радиоактивный ряд урана. Е хт.2. ядерные Редкции Получение новых ядер. Искусственная радиоактивность. Процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других элементов или с элементными частицами, при которых образуются ядра новых элементов, получили название ядерных реакций.

Чаще всего ядерные реакции представляют собой взаимодействие ядер с частицами сравнительно небольшой массы (а-частицами, протонами, нейтронами и т. д.)а Первую ядерную реакцию в лаборатории осуществил Э. Резерфорд (!9!9) ~)ые + ззНе ь ~)0 + р Ядерные реакции, подобно химическим, подразделяются на реакции замещения, присоединения, диссоциацин, обратимые. Например, реакция замещеня 'зв ! о —,. 'зГ..+ р реакция присоединения )зА! + и -ь мА! + т В процессе ядерных реакций образуются ядра, способные к самопроизвольному распаду. Явление самопроизвольного распада искусственно полученных ядер называют искусственной радиоактивностью. Искусственную радиоактивность открыли в )933 г, французские ученые Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри, осуществившие ядерную реакцию: зззА1+ ззНе л + ИР Радиоизотоп фосфора-30 неустойчив и распадается с образованием устойчивого ядра кремния по уравнению реакции ззр ззэ! + ее Искусственный синтез элементов.

Открытие ядерных реакций и искусственной радиоактивности имело огромное значение для науки и техники. Появилась возможность искусственного синтеза элементов. Впервые неизвестный ранее элемент технеций был синтезирован в )937 г. по уравнению реакции )зхзо+ )Н з Дтс+ л з Для осуществления ядерных реакций требуется сообщить частицам энергию (порядка Мэв).

402 Позднее были сннтезированы трансурановые элементы от зле ментов с порядковыми номерами 93 — !08. Наибольшие успехи в этой области был достигнуты учеными социалистических стран под руководством Г. Н. Флерова и американскими учеными под руководством Г. Сиборга. В качестве примера приведем несколько реакций синтеза трансурановых элементов: гйг0+ л г!ггг! г!гезГлр -!- е гйра + а гЯСгл + л нг!га + 2гые 260Ка + лл Использование радиоактивных изотопов. Радиоактивные изотопы нашли широкое применение в различных 'областях науки и техники.