Строение атома. Нуклиды. Изотопы. Изобары. Радиоактивные семейства. Изотопы, изобары, изотоны

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Химический элемент однозначно характеризуется атомным номером Z , совпадающим с числом протонов в ядре.
Ядро с данным числом протонов Z может иметь разное число нейтронов N . Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. Конкретное ядро с данными Z, N называется нуклидом.
Массовым числом называется полное число нуклонов в ядре: A = Z + N .
Так как массы протонов и нейтронов очень близки (mn/mp = 1,0014 )

Ядерные силы. Существование ядер возможно только в том случае, если между нуклонами действуют силы особой природы, противодействующие электростатическому отталкиванию протонов и сжимающие все нуклоны в малой области пространства. Такие силы не могут иметь ни электростатическую природу (наоборот, эти силы должны сильно притягивать протоны), ни гравитационную природу (численно сила гравитационного притяжения слишком мала, чтобы воспрепятствовать значительному электростатическому отталкиванию). Эти новые силы получили название ядерных сил, а порождающее эти силы взаимодействие называется сильным.

Экспериментально установлены следующие свойства ядерных сил.

1. Эти силы одинаковы по величине, независимо от того, действуют ли они между двумя протонами, протоном и нейтроном или двумя нейтронами (зарядовая независимость ядерных сил).

2. Эти силы имеют короткодействующий характер, т.е. обращаются в нуль, если расстояние между нуклонами превышает размер ядра.

3. В области действия ядерных сил эти силы очень велики (по сравнению с электромагнитными или, тем более, гравитационными силами) и являются силами притяжения вплоть до расстояний порядка R0 , где они сменяются силами отталкивания. Таким образом, нуклоны в ядрах удерживаются в области пространства радиусом R > R0 , однако атомные ядра невозможно сжать до меньших размеров.

Изотопы – атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа

Атомы изотопов одного элемена имеют одинаковое число протонов, и отличаютсядруг от друга числом нейтронов

например: водород имеет три изотопа: протий 1 1 Н, дейтирий 2 1 Н, тритий 3 1 Н

Изобары - нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются 40 Ar, 40 K, 40 Ca.

Билет 11. Природа и виды внутримолекулярной химической связи. Примеры соединений с различными видами хим.связи

Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную.

Ионная химическая связь - это связь, образовавшаяся за счет электростатического притяжения катионов к анионам.

Ковалентная химическая связь - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи рассмотрим на классическом примере образования иона аммония NH4+:

Металлическая связь
Связь в металлах и сплавах, которую выполняют относительно свободные электроны между ионами металлов в металлической кристаллической решетке, называют металлической.Такая связь ненаправленная, ненасыщенная, характеризуется небольшим числом валентных электронов и большим числом свободных орбиталей, что характерно для атомов металлов. Схема образования металлической связи (М - металл):

_
М 0 - nе <-> М n+

Водородная связь

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов, имеющих неподеленные электронные пары другой молекулы (или ее части), называют водородной.

В биополимерах - белках (вторичная структура) имеется внутримолекулярная водородная связь между карбонильным кислородом и водородом аминогруппы.

Молекулы полинуклеотидов - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляют собой двойные спирали, в которых две цепи нуклеотидов связаны друг с другом водородными связями. При этом действует принцип комплементарности, то есть эти связи образуются между определенными парами, состоящими из пуринового и пиримидинового оснований: против аденинового нуклеотида (А) располагается тиминовый (Т), а против гуанинового (Г) - цитозиновый (Ц).

Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.

Билет 12. основные положения метода ВС на примере образования катиона NH 4

Задание 26.
Изотоп никеля-57 образуется при бомбардировке частицами ядер атомов железа-54. Составьте уравнения ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.
Решение:
Изотоп 28-го элемента – никель-57 был получен бомбардировкой -частицами атомов железа-54. Превращение атомных ядер обуславливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних эле-ментов получить атомы других. Превращение атомных ядер как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнения ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением:

Задание 28.
Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?
Решение:
Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов (а значит, и разным массовым числом), называют изотопами (от греч. слов «изос» - одинаковый и «топос» - место). Установлено, что, как правило, каждый элемент представляет собой совокупность нескольких изотопов. Именно этим объясняются значительные отклонения атомных масс многих элементов от целочисленных величин. Так, природный хлор на 75,53% состоит из изотопа 35Cl и на 24,47% из изотопа 37Cl; в результате средняя атомная масса хлора равна 35,453.

В природе встречается и другое явление, заключающееся в том, что атомы разных элементов обладают одинаковой атомной массой, но разным зарядом ядер. Такие атомы называют изобарами. Например, изотоп калия и изотоп кальция имеют одинаковые атомные массы (40), но разные заряды ядер Соответственно +19 и +20:

Задание 29.
Изотоп кремния-30 образуется при бомбардировке -частицами ядер атомов алюминия-27. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.
Решение:

Часто применяют сокращённую форму записи ядерной реакции. Для данной реакции она будет иметь вид:

В скобках пишут бомбардирующую частицу, а через запятую – частицу, образующуюся при данном ядерном процессе. В сокращённых уравнениях частицы

обозначают соответственно , p, d, n, е.

Задание 31.
Изотоп углерода- 11 образуется при бомбардировке протонами ядер атомов азота- 14. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.
Решение:
Превращение атомных ядер обуславливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других. Превращение атомных ядер как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнения ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением:

Часто применяют сокращённую форму записи ядерной реакции. Для данной реакции она будет иметь вид:

В скобках пишут бомбардирующую частицу, а через запятую – частицу, образующуюся при данном ядерном процессе. В сокращённых уравнениях частицы

обозначают соответственно , p, d, n, е.

Задание 328
Назовите три изотопа водорода. Укажите состав их ядер. Что такое тяжелая вода? Как она получается и каковы ее свойства?
Решение:
Для водорода известны три изотопа: - протий Н , - дейтерий D , - тритий Т . Протий и дейтерий встречаются в природе, тритий получен искусственно. Ядро протия состоит из одного протона, ядро дейтерия - из одного протона и одного нейтрона, а ядро трития – из одного протона и двух нейтронов.

Тяжёлая вода D 2 O – соединение дейтерия с кислородом. Тяжёлую воду получают путём электролиза природной воды. При электролизе воды разряд ионов Н + происходит значительно быстрее, чем D + , поэтому в остатке после разложения электролизом большого количества воды концентрируется D 2 O.

Тяжёлая вода D 2 O по физико-химическим свойствам отличается от Н 2 О: t пл. = 3,82 0С, t кип . = 101,42 0 С, р плот, равна 1,1050 г/см 3 (20 0 C). Заметно различаются энтальпии растворения солей в Н 2 O и D 2 O, константы диссоциации кислот и другие характеристики растворов.

Согласно протонно-нейтронной теории ядер, изотопами называют разновидности атомов с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов в ядрах; изобарами - разновидности атомов с различным числом протонов и нейтронов, но одинаковым числом нуклонов. (Такие атомы следовало бы, по предложению С. А. Щукарева, называть изонуклонами, так как при одинаковом массовом числе истинные массы двух изобаров не равны друг другу.)

В 1906 г. были открыты первые радиоактивные изотопы 230 90 Тh и 232 90 Тh, в 1919 г. удалось экспериментально доказать наличие устойчивых изотопов у неона - 20 10 Ne и 22 10 Ne. С каждым годом число открытых изотопов возрастало: в 1921 г. их было известно уже 243, а в настоящее время - свыше 1500 (из которых только 272 являются устойчивыми или стабильными изотопами).

В соответствии с числом протонов, входящих в состав ядра, все элементы можно разделить на четные и нечетные по Z (Z чет и Z нечет). Так как в состав ядер входят также нейтроны, а число их равно или больше числа протонов, т. е. оно может быть также четным или нечетным, то, следовательно, и массовые числа А(= Z + N) могут принимать четные и нечетные значения. Отсюда следует, что возможны четыре варианта ядер атомов:

Так возникло представление о четных типах ядер. Оказалось, что наиболее устойчивыми являются ядра с Z4eT и особенно те, для которых Z чет и А чет - это так называемые четно-четные ядра (с четным Z и четным N). Менее прочными являются ядра с A нечет. Это четно-нечетные ядра (с четным Z и нечетным N) и нечетно-четные (с нечетным Z и четным N). Наименьшей прочностью обладают нечетно-нечетные ядра (с нечетным Z и нечетным N). Известно всего 4 устойчивых нечетно-нечетных ядра: 2 1 Н, 6 3 Li, 10 5 B и 14 7 N.

Из 42 нечетных по Z элементов (до 83-го включительно) два не имеют устойчивых изотопов (43 Тс, 61 Pm), четырнадцать имеют по два устойчивых изотопа, а все остальные - только по одному устойчивому изотопу, причем все устойчивые изотопы характеризуются нечетным массовым числом, кроме четырех изотопов: 2 Н, 6 Li, 10 B и 14 N. Таким образом, нечетные Z элементы являются в основном моноизотопными, состоящими из одного устойчивого изотопа.

Для 41 четного по Z элемента (до 82) известно 213 устойчивых изотопа, причем только один элемент моноизотопен (9 Ве), а все остальные - полиизотопны и имеют от 2 до 10 изотопов (например, у 50 Sn десять устойчивых изотопов с А = 112 ÷ 124). Элементы с четным А имеют 162 устойчивых изотопа, с нечетным - 51.

Устойчивость изотопов определяется отношением квадрата порядкового номера к массовому числу Z 2 /A. Если (Z 2 /A) > 33, то у элемента нет ни одного устойчивого изотопа. Таковыми являются элементы с Z = 84 ÷ 105; у них все изотопы радиоактивны. Последний элемент, для которого еще известен устойчивый изотоп, - это элемент с Z = 83, т. е. висмут - 209 83 Вi.

Для каждого отдельного элемента существует оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов
при котором возможно существование устойчивых изотопов: за пределами этого отношения при избытке протонов и недостатке нейтронов известны β + -радиоактивные изотопы, а при избытке нейтронов и недостатке протонов - β - -радиоактивные изотопы. Например, для кислорода известны семь изотопов:

Природный кислород представляет собой смесь - плеяду из трех устойчивых изотопов: 16 8 O (99,759%), 17 8 O (0,037%) и 18 8 O (0,204%), в которой больше всего легкого изотопа, содержащего в ядре равное число нейтронов и протонов: Σn / Σр = 8:8 = 1. Это отношение является характерным для наиболее устойчивых изотопов всех четных по Z элементов до 40 20 Са включительно. В ядрах изотопов последующих элементов с Z = 21 ÷ 83 в связи с возрастающим числом протонов электростатические силы отталкивания между ними увеличиваются, и ядра стабилизируются за счет "вхождения" большего числа нейтронов. Отношение Σn / Σр постепенно растет, доходя у 209 83 Вi до 1,518.

Из диаграммы устойчивости ядер всех изотопов (рис. 18), составленной в координатах Z - N, видно, что легкие ядра до 40 20 Са группируются вдоль прямой линии N = Z, отвечающей отношению Σn / Σр = 1. Для последующих ядер это отношение возрастает вследствие увеличения числа нейтронов, но остается меньше 2 (прямая N = 2Z). В вертикальном направлении расположены изотопы элементов: черными кружками обозначены - устойчивые, белыми кружками - β - - и β +3 радиоактивные.

Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.

Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” (число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,

В зависимости от содержания нуклонов нуклиды могут быть объединены в различные группы: изотопы, изобары, изотоны.

Изотопными нуклидами (изотопами) называются нуклиды, имеющие одинаковое число протонов. Они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Так, например, изотопы

являются изотопами одного и того же элемента урана (Z= const).

Поскольку изотопы имеют одинаковое число протонов и одинаковое строение электронных оболочек, то они являются атомами близнецами- их химические свойства практически совпадают. Исключение составляют изотопы водорода - протий Н, дейтерийD, тритийТ, которые из-за слишком большого относительного различия атомных масс существенно отличаются по физико-химическим свойствам (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Сравнение свойств обычной и тяжелой воды

Химические превращения с тяжелым водородом происходят медленнее, чем с его легким изотопом.

Изотонными нуклидами (изотонами) называют нуклиды с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов. Примеры изотонов: Са иТi, которые относятся к разным нуклидам. Термин этот употребляется крайне редко.

Изобарами называют разновидность нуклидов, ядра которых имеют разное число и протонов и нейтронов, но имеют одинаковое число нуклонов. Пример изобаров: Тi иСа.

Поэтому можно сказать, что нуклиды с одинаковым числом протонов– это разные изотопы одного элемента; нуклиды с одинаковым числом нуклонов– это изобары; нуклиды с одинаковым числом нейтронов – изотоны.

2.4 Энергия ядра

Энергия является одной из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохране6ния энергии позволяет делать точные расчеты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными. Применительно к ядру рассмотрим несколько различных форм энергии.

2.4.1 Энергия покоя

В соответствии с теорией относительности массе атома m можно сопоставить полную энергию покоя

Если в этой формуле с выражать в метрах на секунду, а m  в килограммах,то Е 0 получится в джоулях. Обозначим через m 0 единицу атомной массы, выраженную в килограммах: m 0 = 1,66∙10 -27 кг. Тогда m= m 0 А r и Е 0 = А r · m 0 c 2 . Величину m 0 c 2 легко вычислить в джоулях, а затем в электрон-вольтах: m 0 c 2 = 931,5 Мэв. Отсюда

Е 0 = 931,5А r . (2.6)

Здесь А r относительная атомная масса, Е 0  полная энергия покоя атома, МэВ.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 –14 - 10 –15 м(линейные размеры атома примерно 10 –10 м).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов

Протон (р ) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя т р = 1,6726*10 –27 кг?1836 т e , где т e - масса электрона. Нейтрон (n ) - нейтральная частица с массой покоя т п = 1,6749*10 –27 кг?1839 т e . Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus- ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называ­ется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z = 1 до Z = 107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: a z X , где Х - символ химического элемента,Z атомный номер (число протонов в ядре),А - массовое число (число нуклонов в ядре).

Ядра с одинаковыми Z , но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N=A–Z ) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z -изобарами. Например, водород (Z =1) имеет три изотопа:Н-протий (Z =1,N =0),Н-дейтерий (Z =1,N =1),Н - тритий (Z =1,N =2), олово-десять, и т. д. Примером ядер-изобар могут служить ядраВе,В,С. В насто­ящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z , либо А, либо тем и другим.

Из большого числа моделей, каждая из которых обязательно использует подобранные произвольные параметры, согласующиеся с экспериментом, рассмотрим две: капельную и оболочечную.

• 1. Капельная модель ядра (1936; Н. Бор и Я. И. Френкель). Капельная модель ядра является первой моделью. Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами - молекулами в жидкости и нуклонами в ядре, - являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Ядра характеризуются практически постоянной удельной энергией связи и постоянной плотностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре.
• 2. Оболочечная модель ядра (1949-1950; М. Гепперт-Майери X. Иенсен. Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам и связывает устой­чивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств.