Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия, страница 6

п.). ппНК жзНп ®~'Нд зззНК ппНК зззНи зз'Ни О, ! 6 10,6 16,8 23.1 13,2 29,6 6,8 Изотоп Содержание, $ Если элемент представлен в природе несколькими изотопами, то его относительную атомную массу находят как среднее значение атомных масс всех изотопов с учетом нх процентного соотношения в природе.

Поскольку в большинстве химических процессов соотношение изотопов остается приблизительно постоянным, средние атомные массы элементов также постоянны. Так, хлор существует в природе в виде двух изотопов в соотношении 75 ~! зпС1 и 25Ъ з'С!, откуда следует, что атомная масса хлора должна быть 0,75 35+ +0,25.3?=35,5 а.е.м. В данном случае для расчета взяты округленные значения; точная атомная масса хлора равна 35,457 а.е.м. Наряду с устойчивыми известны неустойчивые ядра, которые могут распадаться.

Распад ядер называют радиоактивным распадом, а соответствующве изотопы — радиоактивными изотопами. $2.3. Радиоактивный распад Существует несколько типов радиоактивного распада. Для легких радиоактивных элементов типичен р-распад, сопровождающийся испусканием нз ядра одного электрона (р=распад) илн позитрона (р+-распад).

Первый вид распада типичен для элементов с некоторым избытком нейтронов против оптимального. Так, р=распаду подвергаются ядра углерода "С (более тяжелые, чем стабильные изотопы "С и "С), зН (трнтия), "Р и "Р (более тяжелые, чем стабильный изотоп фосфора), зла (более тяжелый, чем стабильный изотоп м11а). Наоборот, р+-распаду подвергаются ядра, у которых имеется дефицит нейтронов против оптимального, например, !'С или зэка. Возникновение позитрона можно представить как превращение в ядре одного протона в нейтрон и позитрон. Вне ядра такой процесс требует значительной затраты энергии, так как сопровождается увеличением массы на 0,0014 а.е.м.

Второй вид распада, встречающийся преимущественно у тя- 26 у легких элементов, распространенность одного из стабильных изотопов резко преобладает над другими. Например, содержание дейтерия в природном водороде составляет всего 0,0153~ от общего содержания стабильных изотопов Н и Р. Содержание изотопа углерода "С в природе составляет 1,1?п.

Основная его часть состоит из изотопа "С. Распространенность стабильных изотопов основных биогеиных элементов представлена в табл. 2. Тяжелые элементы часто имеют несколько изотопов, содержание которых составляет десятки процентов. Ниже представлена распространенность в природе изотопов ртути: желых атомов, а-распад — это распад с испусканием а-частиц, представляющих собой ядра гелия, состоящие из двух нейтронов и дв х протонов. адиоактивный распад с испусканием р- и а-частиц приводит к изменению заряда ядра, т.

е. к превращению исходного ядра в ядро другого элемента. В случае р=распада атомный номер увеличивается на единицу, при ~+-распаде уменьшается на единицу. В обоих случаях массовое число не изменяется. В результате а-распада атомный номер уменьшается на два, а массовое число † четыре. Часто а- н б-распад ядер сопровождается электромагнитным излучением очень высокой энергии, которое называют Т-излучением.

Наличие у-излучения свидетельствует, что первоначально в результате радиоактивного распада образуется ядро в возбужденном состоянии, которое переходит в основное состояние с испусканием у-квантов.а-, й- и у-излучення обладают высокой энергией, измеряемой сотнями тысяч и даже миллионами электрон- вольт. Для сравнения можно сказать, что энергия разрыва однои химической связи измеряется несколькими электрон-вольтами; энергия, необходимая для удаления одного электрона нз окружающей атом электронной оболочки, измеряется несколькими электрон-вольтами нлн небольшим числом десятков электрон-вольт. Поэтому каждая а- или р-частица или у-квант могут на своем пути произвести вполне ощутимые действия.

Так, в газе, ударяясь о встречные атомы или молекулы, они способны выбивать из них электроны и превращать их в ионы. Поэтому электрическая проводимость газа становится на какой-то очень короткий промежуток времени больше, и если частица пролетела между электродами, то удается зарегистрировать прохождение тока («вспышку» проводимости). Если число распадающихся атомных ядер не превышает нескольких тысяч в секунду, то каждая вспышка может быть зарегистрирована отдельно (проводимость, возникшая в результате пролета одной частицы успеет упасть до малых значений перед пролетом следующей частицы) и тем самым можно сосчитать чис. ло актов радиоактивного распада, Это можно сделать и другим способом, поместив радиоактивное вещество в специальный раствор, содержащий какой-либо сцннтиллятор — вещество„молекулы которого под действием р-частиц начинают испускать свет.

Естественно, что каждая р-частица может вызвать свечение не очень большого числа молекул сцинтиллятора, однако современные высокочувствительные фотоумножители позволяют регистрировать такие слабые вспышки, и по числу вспышек света можно определить число распавшихся радиоактивных атомов. Основные характеристики радиоактивных ядер — период полураспада и энергия испускаемых частиц. Если в исследуемом веществе имеется только один вид радиоактивных ядер, то, зная число атомов, распавшихся в единицу времени, можно определить полное число радиоактивных атомов, так 27 (2.3) Величина й в данном случае называется константой скорости радиоактивного распада. Если в каком-то образце измерено одним из указанных способов число пе распадов Ьп за время А/, то, зная й для данного изотопа, легко вычислить п.

Чаще для характеристики ! скорости распада изотопа используют понятие периода полураспада. Нетрудно убедиться, что соотношение (2.3), связывающее угпг се ~ 44, г функцию и(/) (число сохраняющихся ядер в момент времени /) рис. 4. число ядер ралиоактнвного И ЕЕ ПРОИЭВОДНУЮ ВЫПОЛНЯЕТСЯ, изотопа и с периодом полураспада еслн Гнз как функция времени Г и =л е-ат, (2.4) где ле†число атомов радиоактивного изотопа в исходный момент времени. Найдем время, в течение которого число атомов радиоактивного изотопа уменьшится вдвое и станет равным пе/2.

Это время обозначается Г!д (период полураспада). Из (2.4) следует, что при этом е ч~='/е и, следовательно, Мч„=)п 2=0,693. (2.5] Период полураспада, как и константа й, — постоянная величина, не зависящая от числа радиоактивных атомов в образце. Это означает, что за время Т д в образце останется '/е исходного количества радиоактивных атомов, за время 2/Ч, — '/4, за 3(1д — !/а и т.

д. (рис. 4) . Периоды полураспада для разных изотопов могут быть самыми разными. Зарегистрированы некоторые изотопы, для которых период полураспада измеряется долями секунды (период полураспада изотопов з!аА(, а'еА( порядка 10 ' с). В то же время известны радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллиарды лет. Например, период полураспада природного изотопа аоК 28 как радиоактивный распад происходит по определенному закону: в каждый данный отрезок времени распадается в среднем определенная доля от общего числа радиоактивных атомов независимо от этого числа.

Иными словами, отношение убыли числа атомов ( — дп) за малый отрезок времени б( к общему числу атомов есть величина постоянная для данного изотопа сп ! — — =й. о( и 1,20.10$ лет, природного изотопа торин з42ТЬ 1,39 10'О лет, самария '428ш 1,2 10" лет, урана мэ(г 4,5-10' лет. Конечным итогом распада радиоактивного элемента является образование стабильного изотопа. Однако это превращение может проходить не непосредственно, а черезпромежуточноеобраэование других радиоактивных ядер. Последовательность изотопов, происходящих от общего предшественника, в которой каждый последующий изотоп получается в результате распада предыдущего, называют радиоактивным рядом.

В природе обнаружено три таких радиоактивных ряда. В качестве примера приведем радиоактивный ряд, начинающийся с наиболее распространенного изотопа урана мэП. маги а 224 В 224 „22$, гм, го и — ' тз — Ра — и —" тЬ -'. Н — ' яа— и ВО 9 92 90 ЭВ ВВ 214 гю 2$4 РЬ В $1 тг э тг „~ а1 ав г~ агн «» аа В гв г а В14 РО в. РЬ В! РЬ В4 В 4 21$ 44 $2 у~4 ЭИ ~ В2 $2 ~РЧ 2!О ~4,4Г $2 $5 В4 Э4 Нижний индекс при символе элемента — атомный номер изотопа; над стрелками показаны частицы, испускаемые на соответствующей стадии распада. Поскольку все стадии распада связаны либо с а-, либо с р-излучением, на каждой стадии массовое число либо уменьшается на четыре (а-распад), либо не изменяется (р-распад). Поэтому массовые числа всех членов одного радиоактивного ряда отличаются на величины, кратные четырем, т.

е. могут быть описаны формулой М=4п+т„ где и и т — целые числа, причем т постоянно для данного ряда. В ряду ЭВЧ5 т=2. Помимо этого ряда известен природный радиоактивный ряд, происходящий от изотопа тория ВВВТЬ, заканчивающийся стабильным изотопом свинца ЭОВРЬ, и ряд, происходящий от изотопа урана ВВВП, который заканчивается стабильным изотопом свинца ВОЭРЬ. Значения т для этих рядов равны соответственно 0 и 3. Ряд с лг=! в природе не обнаружен; он создан искусственным путем, начинается с изотопа 93-го элемента — иептуния ВВЭИр и заканчивается стабильным изотопом висмута ЭООВ!.