Ф. Коттон, Дж. Уилкинсон - Основы неорганической химии (DJVU), страница 6

Атомные ядра и ядерные реакция Протекание химических процессов существенным образом зависит от того, как электроны в атомах и молекулах взаимодействуют между собой. Однако в исследовании и понимании химических процессов важную роль играет внутренняя природа ядер и изменения состава ядер (ядерные реакции). В свою очередь изучение ядерных процессов является важной областью прикладной химии и неорганической химии особенно. Каждое атомное ядро состоит из определенного числа (тт') протонов (р) и нейтронов (п), Массы этих частиц приблизительно равны одной атомной единице массы (а.

е. м.), а полное число нуклонов (протонов и нейтронов) называют массовым числом А. Число протонов Ат называют атомным номером. Эти два числа тт' и А полностью определяют данное ядерное состояние (исключая возбужденные состояния ядер). Число протонов, т. е. атомный номер тт(, говорит о каком элементе идет речь. При данном значении Ж могут существовать ядра с разными значениями А, что обусловлено содержанием различного числа нейтронов.

Такие ядра называют изогопами данного элемента. При обозначении определенного изотопа данного элемента его массовое число указывается как верхний индекс слева. Так, изотопы водорода будут иметь обозначения 'Н, зН и 'Н. В этом единственном случае используют отдельные символы и названия для менее распространенных изотопов: зН=Р (дейтерий) и 'Н=Т (тритий). Все изотопы элемента обладают одинаковыми химическими свойствамп, но различие в массах может проявляться в скоростях реакций н некоторых термодинамических свойствах". Эти отличия существенны лишь для водорода, где относительные изменения масс изотопов необычно велики.

Для других элементов они несущественны. Большинство элементов встречается в природе как смесь двух или более изотопов. Природное олово состоит из смеси 9 изотопов, начиная с нзБп, природное содержание которого лишь 0,96%, до 'з'Бп (5,94%). Наибольшее природное содержание имеет ыз8п (24,03о/о). Несколько распространенных элементов встречаются в источниках природного происхождения только в виде одного изотопа: 'тА!, з'Р, 'зМп.

Массы протона и нейтрона различаются и не равны точно атомной единице массы. По этой и другим причинам, указанным ниже, массы ядер не равны их массовым числам. Так, точное значение массы ззМп равно 54,9381 а.е.м. ' Здесь не будут рассмотрены другие эффекты, такнс, как сунсестнонанне орто- н пара-форм молекул Нз н нлнннне, которос может оказывать радионктннный распад на хнмнческне снойстна. НЕКОТОРЫЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ 35 Обычно изотопный состав элемента одинаков для всех веществ природного происхождения.

Поэтому атомные веса, приводимые в обычных таблицах, не меняются. Лишь в нескольких случаях, которые особенно заметны, изотопный состав элементов меняется в зависимости от природного происхождения вследствие различного содержания радиоактивных элементов с более высокими атомными номерами. Для элементов, которые не встречаются в природе, «атомный вес» также зависит от того, в виде какого изотопа или изотопов их получают в ядерной реакции.

В таблицахдлятаких элементов обычно указывают массу наиболее долгоживущего известного изотопа. Самопроизвольный распад атомных ядер. Лишь ядра некоторых определенных составов устойчивы бесконечно долго. Все другие самопроизвольно распадаются, испуская а-частицы (2р2п) или (1-частицы (отрицательно заряженные электроны), или, в редких случаях, несколькими другими способами. Обычно ядерный распад сопровождается испусканием фотонов высокой энергии— у-лучей.

Испускание а-частицы уменьшает атомный номер на 2 и массовое число на 4 единицы. Так, вввЦ Р вввтн 1 а р-Распад не меняет массового числа, но увеличивает на единицу атомный номер, так как при этом происходит превращение нейтрона в протон ввсо .

ввйй р- Оба процесса распада следуют кинетическим уравнениям первого порядка (см. равд. 1.7.1) и нечувствительны к изменениям физического или химического окружения атома. Период полураснада неустойчивого изотопа является одним из его постоянных характерных свойств. Все элементы имеют некоторые неустойчивые (т. е. радиоактивные) изотопы.

Особенно важен тот факт, что некоторые элементы не имеют устойчивых изотопов. Начиная с полония (атомный номер 84), ни один из элементов с более высоким атомным номером не имеет никаких устойчивых изотопов. Некоторые из иих, например уран и торий, были найдены в природе в существенных количествах, поскольку у них есть по крайней мере один очень долгоживущий изотоп. Ряд элементов (Ка, Кп) обнаружен в малых количествах. Их содержание поддерживается постоянным, так как они непрерывно возникают как продукты расщепления при данном радиоактивном распаде. Другие, такие, как А1 и Рг, не имеют ни одного достаточного долгоживущего изотопа и отсутствуют в природе в макроколичествах.

Существуют также два других элемента, Тс и Рт, у которых нет не только ни одного стабильного изотопа, но нет также ни одного достаточно долгоживу- глава ! щего изотопа. Они поэтому не были обнаружены в природе, и оба получены в качестве продуктов расщепления других ядер. Расщепление ядер. Многие из самых тяжелых ядер можно заставить распадаться на два более мелких фрагмента. Этот процесс называют расщеплением. Расщепление тяжелого ядра стимулируется захватом им нейтрона. Такой захват переводит ядро в воз- Рис.

1.5. Схема виличного лроцеоса расщеилення ядра. бужденное состояние, и оно делится. При делении выделяется несколько нейтронов и большое количество энергии. Число возникающих в процессе деления нейтронов больше, чем требуется для его поддержания, поэтому может возникнуть цепная реакция. Каждый первоначальный акт расщепления может привести в среднем более чем к одному акту последующего деления. Следовательно, процесс может сам поддерживать свое протекание (в ядерном реакторе) или даже привести к взрыву (атомная бомба). Типичный пример процесса расщепления ядра, схематически приведенный на рис. 1.б, состоит в следующем: вввс! ! л,. вввпа+ввкг -1-Зл Массовое число 235 ! 141 92 3 Атомный номер О2 О 56 36 О Число нейтронов !43 1 85 56 3 Слияние ядер (термоядерный синтез). В принципе очень легкие ядра могут соединяться и образовывать более тяжелые с выделением энергии. Такие процессы действительно происходят; они являются главным источником энергии Солнца и других звезд.

На них также основано действие водородной бомбы. В настоящее время предпринимаются исследования и инженерные разработки с целью превращения процессов термоядерного синтеза в управляемые и непрерывно действующие источники энергии. Но в ближайшем будущем не следует ожидать практических результатов. иикотогые пнндвлнитильнын свидания из оызичнскои химии 37 Энергия ядерной связи.

Можно легко понять, почему как деление, так и слияние ядер могут служить источником энергии, если обратиться к графику (рис. 1.6), на котором показана зависиость энергии ядерной связи на один нуклон от массового числа. нергия связи вычислена путем вычитания действительного значения массы ядра из суммы масс,' входящих в него нейтронов и протонов. Затем полученная разность пересчитана в энергию по уравнению Эйнштейна Е=тс .

Ядерную энергию обычно измеряют в миллионах электронвольт (МэВ) 1 МэВм 96,6Х10в кДжХ Хмоль '). Так, для ядра "С имеем: 1, Точное значение массы 12,000 000 а.е,м, 2. 6Хмасса протона 6,043662 а.е,м, 3. 6Хмасса нейтрона 6,051990 а,е.м. (2) + (3) — (1) = 0,095652 а е,м, 1 а.е м.=931,4 МэВ, следовательно, полная энергия связи=931,4Х0,095652=89,09 МэВ. Энергия связи на 1 нуклон=89,09/12=7,42 МэВ. Поскольку при образовании ядер со средними значениями массы выделяется больше энергии в пересчете на 1 нуклон, чем при образовании очень легких или очень тяжелых, то энергия будет Выделяться при расщеплении (делении) очень тяжелых ядер или при слиянии легких.

Ядерные реакции. Для многих целей химикам часто бывают Нужны определенные изотопы, которых нет в природе, или даже элементы, которые в природе не встречаются. Их получают в ядерных реакторах. Общий принцип состоит в том, что ядро опре- 9,00 Х 7,00 с с 5,00 В ; з,ао 1,ОО о 25 50 75 !00 325 !50 !75 200 225 25О Массовое ссссо (пн ! 6. Энергия связи нуклоноа как функция массового числа. ГЛАВА ! о о о Е Аеомный номер Рис.

1.7. Диаграмма, показывающая изменения, происхоляпхие с ядром, при наиболее распространенных процессах захвата или испускания частиц. деленного изотопа одного элемента при захвате одной или не. скольких частиц (а-частицы или нейтронов) образует неустойчивый промежуточный продукт. Он далее испускает одну или несколько частиц н переходит в продукт. Наиболее часто встречающиеся типы распадов и происходящие при этом изменения приведены на рнс. 1.7. Удобная сокращенная форма записи для ядерной реакции показана ниже на примере процесса, используемого для приготовления изотопа астата: з'ев| (а, Зе) змА$ Уравнение показывает, что мзВ( захватывает а-частицу, а образующееся при этом промежуточное ядро, которое невозможно выделить, испускает два нейтрона и переходит в изотоп астата с массовым числом 211.

Массовое число возросло на 4 единицы (при захвате а-частицы) минус 2 единицы (при испускании двух нейтронов), т. е. всего на 2 единицы. И на 2 единицы увеличился атомный номер, так как в а-частице содержатся 2 протона. Ниже приведен другой наглядный пример ядерной реакции: 'В'(«, у) ззоВ( - ззоро+Р- НЕКОТОРЫЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВВДЕИИЯ ИЗ ФИЗИЧЕСКОЕ ХИМИИ ЗЯ Монтроэ(еиые вопросы А 1. Какие приставки нопользуют для обозначения каждого из множителей 1О" оои и= — 1, — 2, — 3, — 6, — 9, — 12, 1, 2, 3, 6, 9, 12? й. Какие единицы длины, массы, электрического тока и температуры используют в системе СИ? Какие сокращенные обозначения для них применяют? 3.