1611143556-2273da8470727e985a6fa41fb7d7276c (825019), страница 21
Текст из файла (страница 21)
ф 33. Изотопы Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие, вообще говоря, нз многих частиц. Этими составными частями ядра являются протоны — ядра атома водорода и так называемые нейтроны — частицы с массой, почти совпадающей с массой протона, но отличающиеся от протона отсутствием электрического заряда. Общее число протонов н нейтронов в ядре называется массовым числом. Поскольку заряд ядра определяется содержащимися в нем протонами, то, будучи выражен в элементарных зарядах е, он равен числу протонов; другими словами, число протонов в ядре совпадает с атомным номером Я. Остальную долю частиц в ядре составляют нейтроны. Частицы в ядре удерживаются вместе специфическими силами неэлектрической природы. Это взаимодействие чрезвычайно сильно, и энергия связи частиц в ядре измеряются десятками миллионов электрон-вольт, т.
е. огромны по сравнению с энергиями связи электронов в атоме. По этой причине во всех явлениях, не имеющих специально ядерного происхождення, атомные ядра не подвергаются стгоенне вентестпа [гл. ч иикаким внутренним изменениям и проявляют себя просто как частицы с определенными массами и зарядами. Мы уже указывали, что свойства атома определяются в основном зарядом ядра. Масса же ядра играет сравнительно второстепенную роль. Это обстоятельство ярко проявляется в атомах, имеющих одинаковый атомный номер, но различные массы ядер. Оказывается, что атомы каждого химического элемента не все одинаковы; обладая одинаковым числом электронов, они могут иметь различные ядра, отличаюгцнеся своей массой при одинаковом заряде.
Такие разновидности одного и того же элемента называются изогпопами. Все изотопы данного элемента химически тождественны, а также очень близки по своим физическим свойствам. Число изотопов, существующих в естественном виде у различных элементов, различно; оно меняется от одного (у Ве, Г, [т[а, А! и др.) до десяти у олова *). Те элементы, с которыми мы имеем дело на Земле, представляют собой смеси различных изотопов в определенных отношениях. Обычно фигурирующие в таблице химических элементов атомные веса являются средними весами атомов этих смесей (о них часто говорят как о химических атомных весах), а не точными весами какого-либо определенного изотопа. Атомные веса изотопов очень близки к целым числам — массовым номерам, отличаясь от них на сотые или даже тысячные доли единицы. Средние же (химические) атомные веса могут, конечно, любым образом отличаться от целых чисел.
В связи с этим надо уточнить данное в предыдущем параграфе определение единицы атомного веса как т/, части атомного веса кислорода. Кислород имеет три изотопа: О", О" и О" (атомный вес — точнее, массовое число— изотопа принято указывать в виде верхнего индекса у химического символа элемента). Наиболее распространенным из этих изотопов является О", изотопы же О" и О'з присутствуют в естественной смеси всего в количествах соответственно 0,04 и 0,2%. Хотя эти количества сравнительно *) Подчеркнем, во избежание недоразумений, что мы говорим здесь лишь о тех именно изотопах, которые существуют в естественном аиде. Искусственными способами могут быть получены также и другие изотопы, ядра которых неустойчивы и самопроизвольно распадаются.
й 38] ИЗОТОПЫ незначительны, по они существенны при точном определении атомных весов. Средние атомные веса естественных смесей изотопов принято определять по отно1нению к атомному весу естественного кислорода, принимаемому равным точно 16 (таку4о шкалу атомных весов иногда называют химической). г(ля определения же точных атомных весов отдельных изотопов в ядерной физике естественно исходить из атомного веса какого-либо определенного изотопа: принимают равным 16 атомный вес изотопа О"; единица этой шкалы (которую называют физической) на 0,02744 меньше химической.
Использование двух шкал атомных весов связано с определенными неудобствами. В связи с этим в настоящее время рекомендовано перейти на новую единую шкалу,, в которой атомные веса определялись бы по отношению к атомному весу изотопа углерода С'-, принимаемому равным 12. Переход к этой шкале связан лишь с очень незначительным изменением (увеличенцем на 0,0043«4) обычных, химических, атомных весов. Первый элемент периодической системы — водород— имеет два естественных изотопа: наряду с основным изотопом с атомным весом ! существует еще изотоп с весом 2.
В естественном водороде имеется всего по одному атому 11' на примерно 6000 атомов Н'. «Тяжелый» изотоп водорода обычно обозначают особым химическим символом Р и называют дейщериезк ядро атома этого изотопа называют дей4пронол. Поскольку отношение масс двух изотопов водорода равно 2, т.
е. сравнительно велико, то разница между их физическими свойствами более значительна, чем у изотопов других элементов, где относительная разница в массах атомов значительно 'меньше. Так, «тяжелая вода» Р«О, в состав которой входит тяжелый изотоп водорода, замерзает при 3,8" С вместо 0- С, а кипит при 101,4' С вместо 100' С. Укажем также, что следующий элемент — гелий — тоже имеет два изотопа: Не» и Не'. Из них обычным, наиболее распространенным, является изотоп Не4.
Лтомы же Н4» встречаются в естественном гелии лишь в количестве примерно 1 на 10' атомов Не4. Изотоп Не» может быть, однако, получен в больших количествах искусственно с помощью методов ядерной физики. 122 (гл. ч СТРОЕИПЕ ВЕЩЕСТВА й 39. Молекулы Атомы различных элементов могут соединяться друг в другом, образуя молекулы.
Силы взаимодействия между атомами, приводящие к образованию молекул (это взаимодействие называют химическим), как и силы, действующие в самом атоме, имеют в основном электрическое происхождение. Но образование молекул, как и структура атомов, относится к категории квантов' вых явлений, которые не могут быть объяснены в рамках классической механики. Здесь мы опишем лишь некоторые основные свойства этого взаимодейстВия, не вникая в его природу. г Простейшей молекулой является двухатомная молекула, состоящая из двух атомов — одииаковых или различных.
Взаимодействие атомов, приводящее к образованию такой молекулы, характеризуется потенциальной энергией, график которой изображен на рис.! . На этом графике отложена потенциальная энергия 0 взаимодействия двух атомов как функция от расстояния г между ними (точнее, расстояния между ядрами атомов). Эта функция имеет довольно глубокий и резкий минимум при некотором значении г=г,. На меньших расстояниях кривая очень круто поднимается вверх; эта область соответствует сильному отталкиванию атомов, обусловленному в основном кулоновским отталкиванием сближающихся ядер. На ббльших же расстояниях атомы притягкваются. Расстояние г, отвечает устойчивому равновесному взаимному положению ядер в молекуле.
В действительности ядра не занимают строго эти положения, а совершают около них колебания; амплитуда этих колебаний, однако, обычно мала. Глубина ~/В потенциальной ямы характеризует прочность связи атомов в молекуле (строго говоря, точное значение эявргии связи, которую надо было бы % 39! молекулы затратить для разьединения атомов, несколько отличается от У, из-за энергии колебаний ядер).
В таблице приведены для иллюстрации значения гэ (в ангстремах, 1А=10 ' см) и (l (в электрон-вольтах) нескольких дну хатомных молекул. Двухатомиую молекулу можно представлять себе как гантель длины г„. Многоатомные молекулы имеют более сложную Ф~рму. На рис. 2 изображены положения ядер атомов в некоторых трехатоыных молекулах (расстояния между ними указаны в ангстремах). Одни из этих молекул имеют вид треугольников (молекулы воды Н О, озона Оэ), в других атомы 0 г г о б13А СОг Н н лх 4~ля 0 0 о Н С И Ф~~~ эта 4 НСИ Рис.
43. расположены вдоль одной прямой (молекулы окиси углерода СО„синильной кислоты НСХ). В $40 мы приведем еще несколько примеров более сложных молекул. Мы видим, что расстояние между ядрами в молекулах порядка 10 э см, т. е. порядка величины размеров самих атомов. Другими словами, атомы в молекуле сближены «вплотную». Поэтому, строго говоря, в молекуле нельзя СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВЕ (гл. т разграничить электронные оболочки различных атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
