Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
С открытием изотопии была окончательно установлена возможность колебания величины атомной массы у одного и того же элемента в пределах нескольких единиц. Например, у атома водорода атомная масса может принимать значения 1, 2, 3, а у атома РЬ — от 81 до 97 и т. д.
Таким образом, при изучении ядер атомов мы не можем пользоваться понятием средней атомной массы элемента, которая представляет собой среднюю взвешенную величину из атомных масс изотопов данного элемента, и характеризуем каждое ядро двумя величинами: 1 — заряд ядра или порядковый номер элемента, М — массовое число или атомная масса изотопа.
Радиоактивный распад элементов и, ь^а, Ас (Беккерель, Пьер и Мария Кюри) и закон сдвига (Фаянс и Содди) при а-и р-распаде отчетливо показали, что ядро любого радиоактивного элемента состоит из еще более элементарных частиц и явление радиоактивности есть результат перестройки ядер, сводящийся к изменению числа и характера частиц, входящих в состав ядра (нуклонов).
В 1932 г. советские физики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон и независимо от них немецкий физик Гейзенберг предложили протон-но-нейтронную теорию строения ядра, отвергая наличие в ядре электронов, как это предполагалось прежде для объяснения явления изотопии.
В 1934 г. Фредерик Жолио-Кюри и Ирен Кюри открыли явление искусственной радиоактивности, возбуждая ядра устойчивых атомов ударом а-частиц с высокой энергией. При этом устойчивое ядро переходило в неустойчивый радиоактивный изотоп другого элемента, который и подвергался распаду (обычно и |3~-рас
* Данный раздел имеет лишь вспомогательный характер и изложен предельно сж ато.
62
пад). Создание в 1932 г. Лоуренсом циклотрона — прибора, позволяющего ускорять в электрическом и магнитном полях положительно заряженные частицы (<|Не, ?0) до высоких энергий (МэВ), открыло широкие возможности для изучения ядерных 1 реакций. С помощью этого прибора был получен поток нейтронов при облучении пластинки Ве ядрами тяжелого водорода («бериллиевые лучи»). Таким образом, теория Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапона получила экспериментальное подтверждение.
В настоящее время число известных элементарных 1частиц, принимающих участие в ядерных процессах, значительно возросло, но мы не будем рассматривать подробно все известные свойства ядер и поэтому можем ограничиться пятью частицами (табл. 2.14).
Т и б л и ц а 2.14. Основные характеристики элементарных частиц
Частица Обозначение Заряд, К л Масса покоя, кг
Протон |Н; !р; р 1,60210 • 10 19 1,67252 • 1027
Нейтрон (іп; п Нет . 1,67474 • 10 27
Электрон 1,60210 • 10 19 9,1091 • Ю-31
Позитрон с1-, IVі 1,60210 • Ю-19 9,1091 • Ю-31
Фотом V Нет Нет
Рассмотрим строение некоторых ядер атомов, используя протон-но-нейтронную теорию Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапона: 1 — заряд ядра — определяет число протонов, а М — массовое число — сумму протонов и нейтронов. Ниже приведена схема четырех ядер элементов Ые и На, находящихся рядом в периодической системе Д. И. Менделеева:
изотоны
|Ке(10}р + Ю'п) ^а(и|р + І0\п)
5^а(11[р + 12оп)
Ядра с одинаковым Z или числом протонов |р являются изотопами, так как они занимают одно и то же место в периодической системе, а ядра, обладающие одинаковым массовым числом М, — изобары, т. е. частицы с одинаковой массой, но с разными 1. Ядра, обладающие одинаковым числом нейтронов, называются изотопами.
Всякая ли комбинация протонов и нейтронов в ядре одинаково устойчива? Оказывается, нет. На приведенной выше схеме из четырех ядер одно неустойчивое пЫа; оно подвергается самопроизвольному распаду или проявляет радиоактивность:
іНе(10}р + 11^п)
63
Как же в результате ядерной реакции появляется позитрон, если по теории Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапона в ядре ни электроны, ни позитроны не содержатся? Они образуются на границе раздела ядра за счет перестройки основных частиц — протонов и нейтронов:
!Р^ОП+Р+; 1п-ь|р+р-
На самом деле эти процессы проходят более сложно с участием и других частиц (нейтрино), которые в нашем кратком изложении мы не рассматриваем.
Электрон, захватываемый протоном, может входить в состав* данного атома, находясь на ближайшем к ядру уровне — К, отсюда этот тип ядерного процесса получил название /(-захвата.
Ферми, изучая вероятность /(-захвата электрона ядром, показал, что при 2~140 вероятность захвата электрона равна ~1, т. е. при 2>140 атом уже существовать не может, так как ядро будет понижать свой положительный заряд.
Возможные типы радиоактивного распада (без учета нейтрино) иллюстрируются следующими ядерными реакциями:
78ка-^кп + 42а; Т5А1-^Кп + _°|*
а-раепад р-распад
ир-*»°81 + ?Р; ЦШ + ^е-+ЦСи
Р+-раепад ЛГ-захват
Естественные радиоактивные элементы, в результате распада которых получаются стабильные изотопы свинца, можно объединить в три ряда: ряд актиния, ряд тория и ряд урана.
Превращения элементов на различных стадиях происходят с различной интенсивностью. Интенсивность радиоактивного распада подчиняется закону, который мы подробно рассмотрим при изучении скорости химических реакций (гл. 5). Однако здесь следует привести окончательное решение уравнения скорости радиоактивного распада:
