ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Свойства атомного ядра и основные вопросы радиохимии из "Избранные главы неорганической химии. В.2" Из известных сейчас 106 элементов 25 не имеют стабильных изотопов. Доказано существование около 1700 различных изотопов, из них только 271 стабилен, остальные радиоактивны. Ряд изотопов как редких, так и широко распространенных элементов обладают столь низкой радиоактивностью, например изотоп К (см. с. 6), что с ней обычно не считаются, и работают с веществами, их содержащими, как с нерадиоактивными. [c.208] Однако все элементы периодической системы с 2 83 (т. е. после висмута) радиоактивны, не имеют стабильных изотопов. Большое практическое значение имеют и многие искусственно получаемые радиоактивные изотопы. Поэтому в наши дни важнейшей характеристикой химического элемента являются не только химические свойства, определяемые строением электронной оболочки атома, но и свойства атомного ядра, прежде всего его стабильность. Современная химия решает задачи, связанные с выделением и очисткой отдельных изотопов, как стабильных, так и радиоактивных, их практическим использованием, например при работе АЭС. От строения и устойчивости атомного ядра изотопов того или иного химического элемента зависит его распространенность, влияющая на распределение элемента в земной коре и на земном шаре, сочетание элементов друг с другом в минералах и месторождениях. [c.208] Однажды исследователи поместили сцинциллирующий экран и микроскоп не прямо за пластиной металла, а сбоку. С удивлением они обнаружили вспышки на экране и в этом случае. [c.209] При этом было установлено, что при прочих равных условиях алюминиевая пластинка давала 3 отражения а-частиц в минуту, железная — 10, медная — 15. Таким образом, становилась ясной закономерность чем больше атомная масса элемента или, что более важно, чем больше атомный номер элемента, тем большее число а-частиц отклоняется от прямолинейного пути. Листок серебра отклонял 27 а-частиц в минуту, олово — 34, платина — 63 и т. д. [c.209] На основании результатов опытов Гейгера и Марсдена Резерфорд пришел к выводу, что положительный заряд, имеющийся в атоме, в отличие от старых представлений разделен в нем не равномерно, а сосредоточен в малом объеме. Это является причиной очень высокой концентрации положительного заряда в некоторых частях (собственно в ядре) атома. Поэтому а-частица, несмотря на сравнительно большую массу (4 единицы) и огромную скорость, натолкнувшись на атомное ядро, отражается от него. При этом чем больше атомная масса элемента, тем чаще такие отражения происходят. [c.209] Расчеты, произведенные Резерфордом по результатам опытов с отражением а-частиц, показали, что атомное адро по крайней мере в 100 тысяч раз (на 5 порядков) меньше по размерам, чем атом в целом. По современным данным величина диаметра атомного ядра имеет порядок 10 см, а величина диаметра атома — порядок 10 см, т. е. разница составляет пять порядков. Таким образом, Резерфорд в своем предварительном расчете соотношений размеров атомного ядра и атома в целом получил величину, очень близкую к истинной. [c.209] Что мы знаем сейчас о строении атомного ядра Хотя оно очень. мало по размерам, но с несомненностью установлена его сложность в нем есть составные части, которые, находясь в определенном соотношении и взаимодействуя друг е другом, определяют свойства и поведение атомного ядра, а также атома в целом. [c.209] Стабилизация состояния нейтронов в ядре достигается, как полагают, за счет ядерных сил, обусловленных прежде всего обменом я-мезонами (пионами) между ядерными протонами и нейтронами. Масса я-мезонов всегда меньше массы протона и может достигать 200 масс электронов. [c.210] В кислородных единицах (впрочем, они мало отличаются от углеродных) масса свободного нейтрона составляет 1,0090, а масса протона — 1,0076, т. е. масса о больше, чем масса 1 р. Округляя эти цифры, мы будем условно принимать, что масса нейтрона и протона равна единице. [c.210] При взаимодействии свободных нуклонов, сопровождающемся образованием атомного ядра, выделяется энергия, в миллионы раз пре-. вышающая энергию экзотермических химических реакций. Масса ядер-ного нуклона (протона или нейтрона в атомном ядре) меньше массы свободного протона или нейтрона из-за выделения атомной энергии при ядерном синтезе и выражается дробным числом. В то же время число нуклонов (Л) в атомном ядре равно сумме числа нейтронов М) и протонов (Z) А=Ы+1, эта величина — всегда целое число. [c.210] Число Л всегда целое и в точном выражении не равно атомной массе, которая выражается дробным числом. Существенное отклонение точных величин атомных масс от целочисленных значений А=Ы + Е объясняется тем, что взаимодействие нуклонов (свободных протонов и нейтронов) сопровождается выделением энергии, в миллионы раз превышающем тепловые эффекты, наблюдаемые при химических реакциях. При этом вступает в силу закон Эйнштейна, согласно которому масса тела соответствует полному запасу его энергии, деленному на квадрат скорости распространения света. Последняя величина равна 3-10 ° см/с. Массе 1 г ио уравнению Эйнштейна от1вечает энергия 9-102° эрр 22 млрд ккал. Значит, если при какой-либо ядерной реакции масса реагирующих частиц уменьшится иа 1 г ( дефект масс ), то выделится 22 млрд ккал. [c.210] Рассчитаем энергию реакции образования атомного ядра тяжелого изотопа водорода взаимодействуют протон и нейтрон с образованием дейтона (ядро тяжелого водорода) и выделением энергии. Сложением величин масс протона (1,0076) и нейтрона (1,0090) получаем значение 2,0166. Такая масса должна была бы быть у дейтона, если бы он образовался без значительного выделения энергии. Фактическая (зкспери-ментально определенная) величина массы дейтона составляет 2,0142. [c.210] Наблюдаемая разница между рассчитанной и измеренной величинами составляет величину дефекта массы, она равна 0,0024. Если убыли массы в 1 г соответствовало выделение 22 млрд ккал, то убыли массы в 0,0024 г (1 моль дейтерия Вг) будет отвечать выделение 53-10 ккал. Следовательно, ири синтезе 2 г дейтерия из нейтронов и протонов выделится 53 млн ккал. [c.211] Таким образом, выделение энергии, которым сопровождаются ядерные реакции, на шесть порядков больше по величине, чем выделение энергии ири химических реакциях. В первом случае это. миллионы килокалорий, во втором — десятки и единицы. [c.211] Использование атомной энергии делящегося урана основано на том, что тяжелые атомные ядра, превращаясь в определенных условиях в ядра легкие, выделяют очень большее количество энергии разница между величинами дефекта массы для тяжелого ядра и суммарным дефектом масс осколочных ядер очень велика. [c.211] Тот же эффект используется и в случае, когда источником ядерной энергии служат ядра наиболее легких атомных ядер, соединяющихся 1в более тяжелое ядро. При таких ядерных реакциях выделяется особенно много энергии потому, что дефект масс тут наибольший (энергия связи для атомных ядер с 2 5 составляет 7,4—8,8 МэВ). Действительно, кривая дефектов масс показывает, что хотя атомные ядра всех элементов образуются с выделением энергии, больше всего энергии выделяется ири образовании элементов средней части периодической системы. Поэтому можно использовать атомную энергию, выделяющуюся при образавании более тяжелых атомных ядер из самых легких, а также при распаде атомных ядер тяжелых элементов. В первом случае происходит ядерный синтез, во втором — процесс деления тяжелых атомных ядер. [c.211] Конечно, здесь речь идет об определенных изотопах элемента, чаще всего о главных, наиболее стабильных, т. е. тех, которые доминируют в природной плеяде его изотопов. Например, в плеяде водорода преобладает самый легкий изотоп [ Н (99,98%). Более тяжелого изотопа — дейтерия 1 0 — только 0,02%. Таким образом, резко преобладает легкий изотоп, и можно сделать вывод, что наиболее устойчивое атомное ядро имеет изотоп Н. При написании символа, обозначающего тот или иной изотоп, в соответствии с предложением Ф. Жолио-Кюри, число нуклонов или округленное значение атомной массы и заряд ядра записывают слева от символа элемента соответственно сверху и снизу = + Э. Например, изотоп урана-238 обозначается как 9223 и. [c.212] В естественной плеяде изотопов кислорода преобладает изотоп в 0, его атомное ядро наиболее устойчиво среди других изотопов кислорода. [c.212] Иногда количества изотопов в плеяде оказываются соизмеримыми друг с другом. Например, иа изотоп хлора 17 С1 в естественной плеяде изотопов приходится 75,4%, а иа изотоп 17 С1 — 24,6%. У брома это особенно ярко проявляется изотопа с массой 79 — 50,6%, а с массой 81—49,4%. Однако чаще бывает, что один изотоп резко преобладает в естественной плеяде изотопов данного элемента. Величина N 1=1 уже для элементов первого большого периода перестает быть ха рактерной. [c.212] Вернуться к основной статье