Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.4. Состав атомных ядер. Ядерные реакции

В настоящее время в ядре открыто большое количество элементарных частиц. Важнейшими из них являются протоны (символ р) и нейтроны (символ п). Обе эти частицы рассматриваются как два разных состояния ядерной частицы нуклона. Элементарные частицы характеризуются определенными массой и зарядом. Протон имеет массу 1,0073 а.е.м. и заряд +1. Масса нейтрона равна 1,0087 а.е.м., а его заряд - нулю (частица электронейтральная). Можно считать, что массы протона и нейтрона почти одинаковые.

Вскоре после открытия нейтрона ученые Д.Д. Иваненко и Е.Н. Гапон создали протонно-нейтронную теорию строения ядра (1932). Согласно этой теории ядра всех атомов, кроме ядра атома водорода, состоят из Z протонов и (А - Z) нейтронов, где Z - порядковый номер элемента, А - массовое число.

Массовое число А показывает суммарную количество протонов Z и нейтронов N в ядре атома, т.е.

                          А = Z + N. (2.1)

Силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными. Это чрезвычайно большие силы, которые действуют на очень коротких расстояниях (порядка 10-¹⁵ м) и какие преобладают силы отталкивания. Природу этих сил изучает ядерная физика. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Так, например, для атома хлора на долю электронов приходится (около 0,03 % массы атома хлора). Массой электронов по сравнению с массой ядра можно практически пренебречь. Свойства ядра определяются в основном числом протонов и нейтронов, то есть составом ядра. Например, в ядре атома кислорода ¹⁶₈O содержится 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов, что кратко записывается так: (8p, 8n) в ядре атома цыпленок товію 104 протоны и 260 - 104 = 156 нейтронов, краткая запись состав ядра: (104р, 156n) и т. д.

Исследования показали, что в природе существуют атомы одного и того же элемента с разной массой. Так, известные атомы хлора с массами 35 и 37. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов.

Разновидности атомов одного элемента, которые имеют одинаковые заряды ядер, но разные массовые числа, называются изотопами.

Каждый изотоп характеризуется двумя величинами: массовым числом (проставляется сверху слева от химического символа) и порядковым номером (проставляется внизу слева от химического символа) - и обозначается символом соответствующего элемента, Например, изотоп углерода с массовым числом 12 записывается так: ¹²_бС, или ¹²С, или словами “карбон-12". Эта форма записи распространяется и на элементарные частицы: электрон ⁰₁e, нейтрон ¹₀n, протон 11, или ¹₁Н, нейтрино 00v. Изотопы известны для всех химических элементов. Так, оксиген имеет изотопы с массовыми числами 16, 17, 18: ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈А. Изотопы аргона Изотопы калия

Атомная масса элемента равна среднему значению масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

Например, природный хлор состоит из 75,4% изотопа с массовым числом 35 и 24,6% изотопа с массовым числом 37; средняя атомная масса хлора 35,453. Средняя атомная масса природного лития, который содержит 92,7 % ³₇Li и 7,3 % ⁶₃Lи равна 6,94 и т. д. Атомные массы элементов, указанные в периодической системе Д. И. Менделеева, - это средние массовые числа природных смесей изотопов. Цe одна из причин, почему они отличаются от целых значений.

¹Наряду с термином "изотоп” используется термин “нуклид”. Нуклид - это атом с четко определенным значением массового числа, то есть с фиксированными значениями числа протонов и нейтронов в ядре. Радиоактивный нуклид сокращенно называют радионуклидом. Например, радионуклид ¹⁶O, радионуклид ¹⁴С, радионуклид ¹³¹l и т.д. Термин “изотоп" следует употреблять только для обозначения стабильных и радиоактивных нуклидов одного элемента (см. определение, приведенное выше).

Итак, состав ядер атомов разных химических элементов не одинаков, а потому элементы отличаются по атомной массой. Поскольку в состав ядра входят протоны, ядро заряжено положительно. А поскольку заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента Z, то он определяет число электронов в электронной оболочке атома и его строение, а следовательно, и свойства химического элемента. Поэтому положительный заряд ядра, а не атомная масса является главной характеристикой атома, а следовательно, и элемента, понятие о котором есть в химии основным (см. § 1.2).

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или одного из одним. Записывая уравнения таких реакций, соблюдаются законы сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения имеет равняться сумме масс и сумме зарядов в правой части уравнения. Например:

Это уравнение показывает, что при взаимодействия атома алюминия с а-частицей образуются атом кремния и протон. Радиоактивный распад радия с образованием радона и гелия следует записать так:

Впервые искусственно ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. бомбардировкой ядер атомов азота а-частицами:

В результате ядерной реакции произошло превращение азота в кислород с выделением протона.

После создания циклотрона (1930) было открыто и исследовано большое количество разнообразных ядерных реакций. Более употребительным является краткая запись ядерных реакций. Сначала записывают химический символ исходного ядра, затем (в скобках) кратко обозначают частичку, которая вызвала реакцию, и частицу, которая образовалась в результате реакции, после чего пишут химический символ конечного ядра. При этом у символов исходного и конечного ядер обычно проставляют только массовые числа, потому что заряды ядер легко определить по периодической системе Д. И. Менделеева. Сокращенная запись приведенных выше ядерных реакций таков:

²⁷Аl (a, p)³⁰Si; ¹⁴N(a, p) ¹⁷O; ²²⁶Ra (-, а) ²²²Rn,

где а - обозначение а-частицы ( ⁴₂); р - протона ( ¹₁Н); черта означает отсутствие действующей частицы в случае радиоактивного распада.

С помощью ядерных реакций добывают изотопы, которые имеют радиоактивность (радиоактивные изотопы). Все они неустойчивые и вследствие радиоактивного распада превращаются в изотопы других элементов.

Радиоактивные изотопы добыто для всех химических элементов, их известно более 1 500. Элементы, которые состоят только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивными. Это элементы с Z = 43, 61 и 84-107.

Стабильных (нерадиоактивных) изотопов известно около 300. Из них состоит большинство химических элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева. У некоторых элементов наряду с стабильными являются также долгоживущие радиоактивные изотопы. Это и др.

По химическим свойствам радиоактивные изотопы почти не отличаются от стабильных. Поэтому их используют как “меченые” атомы: с помощью их радиоактивности следят за поведением всех атомов данного элемента и за их перемещением. Радиоактивные изотопы широко применяются в научных исследованиях, в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, биологии и химии. Теперь их добывают в больших количествах.

Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии частиц, образуются, или в виде энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется в основном в форме теплоты. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Этим объясняется неруйнівність ядер атомов в ходе химических реакций.

Ядерные реакции широко используются для синтеза трансурановых элементов¹. Большая работа в этом направлении проводится в Объединенном институте ядерных исследований, а также в других научных центрах. В последнее время в Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева добавлены следующие элементы: Резерфордій (№ 104), Дубній (№ 105), Сиборгій (№ 106), Борій (№ 107), Хассій (№ 108), Мейтнерій (№ 109). Проводится работа по синтезу новых элементов.

¹ Трансурановые элементы - химические элементы, расположенные в периодической системе за ураном (с атомным номером Z ≥ 93). Сейчас известно 14 трансурановых элементов.