Н.С. Ахметов - Общая и неорганическая химия (1109650), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Согласно этому соотношению уменьшение массы на 0,0304 а.е.м. при образовании ядра гелия из двух протонов и двух нейтронов соответствует выделению 4,52.10 'г Дж. Следовательно, образование одного моля ядер (6,02.10гз ядер) гелия-4 из протонов и нейтронов должен сопровождаться выделением огромного количества энергии: АŠ— 4 53.10чг.б 02.10гз — 2 72.101г Дж. Следовательно, энергия связи нуклонов в ядре в миллионы раз превышает энергию химической связи. Поэтому при химических превращениях веществ атомные ядра не изменнются.
В настоящее время известно около 300 устойчивых и свыше 1400 радиоактивных ядер. Замечено, что ядра, содержание 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протона или нейтрона, заметно отличаются по свойствам от ядер остальных элементов. Предполагается, что эти лтаьичесхие числа нуклонов соответствуют завершенным ядерным слоям, подобно тому как это наблюдается для электронов в электронной оболочке атома. Ядра могут содержать магическое число протонов или нейтронов, а также тех и других (дважды магические ядра).
К дважды магическим ' Массовое число и атомный номер элемента (число протонов) обозначают числовыми индексами слева от символа химического элемента; верхний индекс означает массовое число, нижний — заряд ядра. 7 относятся ядра 1Не (2р, 2п), вО (8р, 8в) 1ч81 (14Р, 14в), тоСа ( ОР, 20п) ~~~РЬ (82, 126в).
По числу протонов магическими являются та%, эо8в, а по числу нейтронов магическими являются Вг (50п), (82в), 'тэЬа (82п), 1чоСе (82в) и др. 1 2. КОСМИЧЕСКАЯ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Анализ кривых, отражающих зависимость космической распространенности химических элементов (для ближайшего окружения Солнечной системы) от их атомного номера (рис, 1), позволяет сделать следующие выводы: 1) распространенность элементов неравномерно уменьшается с возрастанием атомного номера элемента; 2) наиболее распространены водород и гелий; космическое вещество состоит примерно иа три четверти из водорода и гелия (по массе); 3) относительная раси остраненность атомных ядер с четным числом протонов (с четным л) р выше, чем с нечетным На Земле, например, элементы с четными атомными номерами составляют 86%, с нечетными — 14% массы зем- 19 С 1О ной коры; 4) периодически повторяющиеся пики на кривых соответствуют в основном ядрам с магическими числами протонов или нейтронов: э~Не (2р, 2в), вО (8р, 8п), ~1481 (14р, 14п), т~о~Са (20р, 20п), чоХг (40р, 50п), ~эоБв (50р, 69п), эоВа (56р, 82п), ~заэзРЬ (82р, 126в).
Для данного элемента более распространены изотопы с четным числом нейтронов и менее — с нечетным числом протонов и нейтронов. Распространенность элементов зависит от многих факторов, но в конечном счете определяется вероятностью ядерных реакций их образования и относительной устойчивостью отдельных изотопов. Изучение распространенности химических элементов проливает свет на происхождение Солнечной системы, Земли, а также позволяет понять физические и химические процессы в космосе, разработать теорию образования химических элементов.
1 3. РАДИОАКТИВНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Превращение химических элементов осуществляется в результате ядерных реакций. Первым шагом в научном решении проблемы превращения элементов было открытие А. Беккерелем в 1896 г. радиоактивности урана. Объяснение радиоактивности как следствия расщепления ядер (Э. Резерфорд, (Р.
Содди, 1903) показывает, что химические элементы не являются вечными и неизменными, а могут превращаться друг в друга. С этого момента получила твердые научные основы и задача искусственного превращения элементов. Закономерности превращения ядер химических элементов изучает ядерная хилая. б Ю УУ ж Л ЛУ УУ В 4У Я бб б11 бУ Ду У~ На Р и с. 1. Космическая распространенность химических элементов: данные о количестве атомов 1б С отнесены к С = 1.
1ОО атомов кремния. Сплошная крякая - четные д пунктирные — нечетные Х Наиболее часто встречается вид распада ядер, называемый бстла-распадолс Прн этом ядро испускает электрон е за счет превращения одного нейтрона ядра в протон: п — чр+ е+ и,, Часть энергии, выделяющейся прн ф-распаде, уносится вместе с антинейтрино ио Нейтрино ия н антннейтрино нн — элементарные частицы, лишенные заряда и отличающиеся друг от друга спнном.
Прн ф-распаде заряд ядра увеличивается на единицу, массовое же число не изменяется, т.е. образуется ядро другого элемента, атомный номер которого на единицу больше, чем у исходного. Так, при )1"-распаде изотопа тория-234 образуется изотоп протактиния-234, а прн ръраспаде висмут-210 превращается в полоний-210; 2!ОВ 210ра 1 !у + и 83 84 в 2348 234ра 1 р.
+ 90 91 слом нейтронов, меньшим числа протонов, характерен другой Для ядер с число н вид !7-распада — аввитарвнний раоаад, т.е. распад с выделением позитрона. 7703нп8рвн — элементарная частица с элементарным положительным зарядом и массой электрона (е -частица). 1м( '- ).,У-Распад является следствием превращения одного протона в нейтрон: р Фп+ е +ив При позитронном распаде заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число (как и при 14 -распаде) не изменяется. Примером /и-распада является превращение изотопа углерода-11 в изотоп бора-11: «С-+«В+ бв + и б 5 е К такому же изменению ядра, как и при 5'-распаде, приводит влекгароикмй захват.
Это явление состоит в том, что электрон, находящ ийся на одном из ближайших к ядру слоев, захватывается ядром. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон: р+ е ~п+ ив например: 40 К 40 А Ш 13 Наибольшие изменения исходного ядра наблюдаются при альфа-расааде.
Выделение ядром а-частицы (ядра гелия-4) приводит к образованию изотопа элемента с зарядом ядра на две единицы меньше исхода сх ного. Массовое число при этом уменьшаегся на четыре единицы, а-Распад наиболее характерен для тяжелых элементов, например для изотопа урана-234. Рассмотренные типы радиоактивного превращения ядер часто сопровождаются 7 излучение а, связанным в основном с переходом образовавшегося ядра из возбужденного в основное (нормальное) состояние.
Для тяжелых элементов наряду с а- и /8-распадом возможно самопроизвольное (спонтанное) деление ядра на две части. Оно характерно для трансурановых элементов. Продолжительность жизни атомов определяется строением их ядер и характеризуется иернвдвж полураспада Т... т.е. временем, в течение /г которого распадается половина всего наличного числа ядер данного элемента.
Период полураспада изменяется в очень широком диапазоне — от нескольких тысячных долей секунды до многих тысяч миллионов лбт. Большинство изотопов имеет период полураспада 3 д от 30 о 10 дней. Очевидно, что на Земле имеются те элементы, которые не под- 10 верглись радиоактивному распаду за 4,5 — 5 млрд. лет — время существования нашей планеты — или запасы которых постоянно пополняются за счет соответствующих ядерных превращений. Все элементы периодической системы, расположенные после висмута 83В1, радиоактивны. Из них только ядра тория-232 (71 = 1,4 ° 10'0 /2 лет), урана-235 (Т, = 7 108 лег) и урана-238 (Т, = 4,5 104 лет) /г /2 имеют достаточно большой период полураспада и могли сохраниться на Земле в течение 4,5 — 5 млрд.
лет ее существования. Другие элементы, расположенные в периодической системе за висмутом, постоянно образуются за счет естественного радиоактивного распада ядер 222Т(2, 215(! и 218() Ниже приведен последовательный ряд радиоактивных превращений в ряду урана-238: "'т5 — 8: »в. 8 ц 4,5 104 лет 90 24,1 дня 9' 1,22 мин 92 2,07 ° 105 лет 1 "Гв ' "'В. ' "'5 8 104 лет 83 1622 лет 38 2,823 дней 84 3,05 мин 2'0Т! м4 д 214 .
19,7 мин 81 1,32 мин 82 20 8 мин 83 В1 и о 2 4Ро 19,7 мин 84 1,5 ° 10 4 с 4,м Р1 и 1,щОВ и 8шОР о 20бР! 82 2,21 лет 83 ' 5,02 лет 84 138 дней 82 ~ 4. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Под ядерными реакциями понимается взаимодействие соответствующих частиц (нейтронов, протонов, о-частиц и других атомных ядер) с ядрами химических элементов. Наиболее простые ядерные реакции характеризуются следующим механизмом. Одна из бомбардирующих частиц захватывается ядром-мишенью и образуется промежуточное составное ядро с очень короткой продолжительностью жизни (- 10 1 с).
Последнее испускает элементарную частицу или легкое ядро и превращается в новое ядро. Впервые искусственное ядерное превращение было осуществлено в 1919 г. Резерфордом, Ему удалось при облучении о-частицами превратить азот в кислород. Промежуточное составное ядро в этой реакции— изотоп фтора '"Р: ",Н+ ',Не — е(",Р) — 9",О+ ,'Н Понятно, что для преодоления кулоновских сил отталкивания ядра бомбардирующие частицы должны обладать большой энергией. Экспериментальная физика с помощью различного рода ускорителей решила задачу получения частиц с энергией порядка нескольких миллиардов электрон-вольт*. Такие частицы раньше наблюдались только в космических лучах и то в ничтожных количествах. Ниже приведены примеры ядерных реакций ' '. 1.
Реакции под действием а-частиц (ионов 24Не2') 1411 + 4Н э ы1- + 11» 14»» ( )17О 7 2 4 1 7 ' 4 4Ве + Не — т,С + оп Ве (а, п) сС 2. Реакции под действием протонов (ионов 1н ) ! !!Не + 'Н ~ "Р + чне 2!Не (р )!эР 1О Е 9 2 !О ' Э 2эС" + !Н т щ2п + оп 22С" (Р 17)ю2п 3. Реакции под действием дейтронов (ионов 2Н') 24М8 + 2Н вЂ” Ф !~На + 4Не ~~М8(д, о)~~»4»а 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
