Неорганическая химия. Т. 1. Под ред. Ю.Д. Третьякова (975563), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Полученные таким образом спектры, представляюшие собой зависимость интенсивности излучения от частоты, называют спектрами поглощения. Если же сначала каким-либо образом возбудить электроны в атоме на более высокие уровни, а потом исследовать спектр излучаемой энергии (спекгпр испускания), то в нем будут наблюдаться линии, соответствуюшие длинам волн с энергией перехода электрона с возбужденных уровней на основной. Таким образом можно определить энергии более высоких уровней. Интересно, что толчком к определению строения атома послужила попытка объяснить линейчатый спектр испускания атомов водорода. Для определения энергий внутренних, заполненных орбиталей используют фотоэлектронную спектроскопию. При этом атом облучается потоком фотонов ' Примером идеального днамагнетнка являются сверхпроводннки, позволяющие наблюдать аффект «парения» над магнитным полем, получившим название «гроба Магомета».
132 с энергией Е„что приводит к эмиссии (испусканию) электрона из образца. Измерив энергию (Ез) этого электрона, можно оценить энергию уровня в атоме Е, (энергию орбитали), с которого он удален: Е, = Е, — Е,. Пример 3.2. Первый потенциал ионизации атома кислорода меньше, чем у атома азота (см. табл. 3.5). Как объяснить это явление? Решение. Внешними орбиталями кислорода являются 2Р-орбитали. Их энергия ниже, чем у 2Р-орбиталей азота (см.
рис. 3.8). Однако у кислорода в отличие от азота происходит спаривание электронов на внешнем уровне (2Р1). Энергия спаривания оказывается больше разницы между энергиями уровней 2Р ()ч) и 2р (О). В результате этого полная энергия атома кислорода повышается, и энергия ионизации становится меньше, чем у атома азота.
3.1.4. Строение атомного ядра Частицы, из которых построено ядро атома, — нейтроны (л) и протоны (р), как уже отмечалось выше„состоят из еще более мелких частиц. Их взаимодействия изучает физика элементарных частиц и физика высоких энергий. Для химии важно знать строение ядра — это помогает объяснить явление радиоактивности. Кроме того, многие методы исследования веществ, используемые в химии (ядерный магнитный резонанс — ЯМР, ядерный квадрупольный резонанс — ЯКР, ядерный у-резонанс ЯГР) основаны на свойствах атомных ядер. Поэтому, не вдаваясь в область физики элементарных частиц, рассмотрим некоторые свойства атомных ядер.
Химический элемент характеризуется зарядом ядра атома, т, е. количеством протонов. Однако ядра атомов одного и того же элемента могут содержать неодинаковое число нейтронов, иметь разное массовое число. Атомы с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов называют изоглолами. Обычно при обозначении изотопов у символа элемента указывают два индекса, верхний характеризует массовое число (А), а нижний — заряд ядра (У): массовое число ' 16 , 80 заряд ядра Очевидно, что А = У+ Аг, где Ф вЂ” число нейтронов. Например, обозначение '~зО означает, что изотоп кислорода имеет 8 протонов (заряд ядра), сумма протонов и нейтронов равна 16 (массовое число) и, следовательно, в этом изотопе 8 нейтронов. Нуклоны в ядре, подобно электронам в атоме, находится на различных энергетических уровнях и имеют собственный магнитный момент.
Переход с одного энергетического уровня на другой соответствует определенной энергии у-излучения. Суммарный магнитный момент, определяемый ядерным спином, может принимать значения, кратные '/ь Для ядер с суммарным спином не равным нулю можно снять вырождение, поместив их в магнитное (используется в ЯМР-спектроскопии) или в электрическое поле (используется в ЯКР-спектроскопии). Взаимодействие нуклонов в ядре не является электромагнитным, его называют сильным взаимодействием, которое действует на очень коротких расстояниях. 133 Е, Мэв Энергию связи нуклонов в ядре харакгв теризуют дефектом массы, т.е.
разностью между массой ядра и суммой масс сво- 8 бодных нуклонов, образующих ядро. Например, масса ядра гелия Не (2р, 2п) равна 4,001506 а.е.м., а сумма масс двух свободных протонов и двух свободных нейтронов (см. табл. 3.1) равна 2 4,031882 а. е.
м. Следовательно, дефект массы составляет 0,030276 а.е.м., что в 0 40 80 120 100 200 240 А соответствии с уравнением Эйнштейна (3.7) эквивалентно энергии связи 28,2 МэВ (1 МзВ = 10~ эВ). Рнс. 3.13, Зависимость энергии связи (на один нуклон) от массового числа (А) аЕ = атс2, (3.7) где Лт — дефект массы; с — скорость света. Следовательно, энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре атома гелия, близка к 7 МзВ.
На рис. 3.13 представлена зависимость энергии связи нуклонов в ядре от массового числа атома. Как видно из графика, энергия связи в ядрах неодинакова, наибольшего значения она достигает у ядра мРе Соотношение нейтронов и протонов в ядре не может быть произвольным. Массовые числа стабильных изотопов укладываются в довольно узкие пределы (рис. 3.14). Как видно из рисунка, для легких элементов (У < 20) наиболее стабильными являются изотопы с равным числом протонов и нейтронов ('2С, '80). По мере возрастания атомного номера число нейтронов в устойчивых ядрах становится все больше по сравнению с числом протонов ( гаРЬ, 79Ан). 207 197 Зона устойчивости заканчивается изотопом 299В1.
Кроме того, наиболее стабильными являются изотопы с четным числом нейтронов или протонов (табл. 3.7). Особой устойчивостью обладают ядра, для которых количество нейтронов или протонов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Предполагается, что эти магические числа нуклонов соответствуют завершенным ядерным уровням. Например, к таким ядрам относятся Не (2р, 2п), О (8р, 8п), 81 (14р, 14п), РЬ (82р, ! 26п). Устойчивость ядер влияет на распространенность элементов в земной коре (см. подразд.
3.2.4). Радиоактивный распад. Неустойчивые изотопы в отличие от стабильных подвергаются радиоактивному распаду. Большинство элементов, существующих в природе, состоит из устойчивых изотопов или смеси устойчивых и радиоактивных изотопов. Типы радиоактивного распада приведены в табл. 3.8. Таблица 3.7 Количество устойчивых изотопов с четным н нечетным числом нунлояов в ядре Изотопы Четное число протонов Нечетное число протонов 166 Четное число нейтронов Нечетное число нейтронов 53 !34 Таблица 3.8 Типы радиоактивного распада Тип распяла Образующийся элемент Испускаемая частица Процесс в яяре Пример 226В 222В 4Н 88 86 2 Заряд ядра мень- ше на 2, массо- вое число мень- ше на 4 Потеря ядром а-частицы а-частица — ядро атома гелия 24Не ои-8!Р+Е +Ч ! ! 84С 84!8! + 6 7 Электрон (е ) Заряд ядра боль- ше на 1, массо- вое число то же ол 8 !Р + Е + 8' ! ! ° 28К 28Аг 4 е.
88 88 Позитрон (е") Заряд ядра мень- ше на 1, массо- вое число то же 4~а+ е 8 21"! ,Р.!- Š— 8 ол ! ! К-захват Захват ядром электрона Заряд ядра мень- ше на 1, массо- вое число то же Электромагнитное Переход ядра на излучение высокой уровень с мень- энергии шей энергией Обычно сопро- вождает другие виды распада Не вызывает из- менения в строе- нии ядра " р, о — аитииейтриис и нейтрино — элементарные частицы, ие имеющие зяряаа и массы покоя и отличающиеся епином. Количественные характеристики радиоактивности, Величиной, характеризующей радиоактивность, является период полураспада.
Процесс распада ядер соответствует кинетическому уравнению первого порядка (см. гл. 2): 7'8' = 7'88Е " где )Уо — число ЯдеР в момент вРемени т = О, а А7 — в момент вРемени 8, 76— константа скорости радиоактивного распада. Для реакций первого порядка время, за которое распадется половина вещества, не зависит от его начального количества и равно: тц2 = 0,693/6. Это время называют периодом иеиурасиадоь Периоды полураспада могут составлять от долей секунды до миллионов лет.
Например, для тория-232 период полураспада составляет 1,39 !О'о лет, а для полония-212 — 3 10 ' секунды. Абсолютная радиоактивность вещества измеряется в единицах, называемых кюри (Кю). Один кюри соответствует скорости распада 1 г радия-22б, т. е, 3,7 ! 0' распадов в секунду. 136 Как видно из рис. 3.14, радиоактивные изотопы, находящиеся выше области устойчивости, распадаются с испусканием позитрона или в результате К-захвата, а изотопы, лежащие ниже области устойчивости, — в результате !3 -распада. При больших значениях массового числа (больших, чем у висмута) пре- Эрнест Резерфорд (1871 — 1937). Один из самых выдающихся ученых ХХ в. Он установил наличие лвух типов радиоактивного излучения (а- и В-лучей), доказал, что а-частицы являются двухзарядными ионами гелия, предложил планетарную модель строения атома и, наконец, высказал предположение о существовании протона и нейтрона. В 1908 г. Резерфорд получил Нобелевскую премию за исследования радиоактивности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
