Склад атомних ядер. Ядерні реакції

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 2. ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА І БУДОВА АТОМІВ

§ 2.4. Склад атомних ядер. Ядерні реакції

На даний час в ядрі відкрито велику кількість елементарних частинок. Найважливішими з них є протони (символ р) і нейтрони (символ п). Обидві ці частинки розглядаються як два різних стани ядерної частинки нуклона. Елементарні частинки характеризуються певними масою і зарядом. Протон має масу 1,0073 а. о. м. і заряд +1. Маса нейтрона дорівнює 1,0087 а. о. м.,

а його заряд – нулеві (частинка електронейтральна). Можна вважати, що маси протона і нейтрона майже однакові.

Невдовзі після відкриття нейтрона вчені Д. Д. Іваненко і Е. М. Гапон створили протонно-нейтронну теорію будови ядра (1932). Згідно з цією теорією ядра всіх атомів, крім ядра атома гідрогену, складаються із Z протонів і (А – Z) нейтронів, де Z – порядковий номер елемента, А – масове число.

Масове число А показує сумарну кількість протонів Z і нейтронів N в ядрі атома, тобто

А = Z + N. (2.1)

Сили,

що утримують протони і нейтрони в ядрі, називаються ядерними. Це надзвичайно великі сили, які діють на дуже коротких відстанях (порядку 10-15 м) і які переважають сили відштовхування. Природу цих сил вивчає ядерна фізика. В ядрі зосереджена майже вся маса атома. Так, наприклад, для атома хлору на частку електронів припадає  Склад атомних ядер. Ядерні реакції (близько 0,03 % маси атома хлору). Масою електронів порівняно з масою ядра можна практично знехтувати. Властивості ядра визначаються в основному числом протонів і нейтронів, тобто складом ядра. Наприклад, в ядрі атома оксигену 168O міститься 8 протонів і 16 – 8 = 8 нейтронів, що коротко записується так: (8p, 8n); в ядрі атома курча товію  Склад атомних ядер. Ядерні реакції 104 протони і 260 – 104 = 156 нейтронів, короткий запис складу ядра: (104р, 156n) і т. д.

Дослідження показали, що в природі існують атоми одного і того самого елемента з різною масою. Так, відомі атоми хлору з масами 35 і 37. Ядра цих атомів містять однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів.

Різновидності атомів одного елемента, які мають однакові заряди ядер, але різні масові числа, називаються ізотопами.

Кожний ізотоп характеризується двома величинами: масовим числом (проставляється зверху ліворуч від хімічного символу) і порядковим номером (проставляється внизу ліворуч від хімічного символу) – і позначається символом відповідного елемента Наприклад, ізотоп карбону з масовим числом 12 записується так: 12бС, або 12С, або словами “карбон-12”. Ця форма запису поширюється й на елементарні частинки: електрон 01e, нейтрон 10n, протон 11, або 11Н, нейтрино 00v. Ізотопи відомі для всіх хімічних елементів. Так, оксиген має ізотопи з масовими числами 16, 17, 18: 168O, 178O, 188О. Ізотопи аргону  Склад атомних ядер. Ядерні реакції Ізотопи калію  Склад атомних ядер. Ядерні реакції

Атомна маса елемента дорівнює середньому значенню мас усіх його природних ізотопів із урахуванням їх поширеності.

Наприклад, природний хлор складається з 75,4% ізотопу з масовим числом 35 і з 24,6% ізотопу з масовим числом 37; середня атомна маса хлору 35,453. Середня атомна маса природного літію, який містить 92,7 % 37Li і 7,3 % 63Lі, дорівнює 6,94 і т. д. Атомні маси елементів, зазначені в періодичній системі Д. І. Менделєєва, – це середні масові числа природних сумішей ізотопів. Цe одна з причин, чому вони відрізняються від цілих значень.

1Поряд з терміном “ізотоп” використовується термін “нуклід”. Нуклід – це атом із чітко визначеним значенням масового числа, тобто з фіксованими значеннями числа протонів і нейтронів у ядрі. Радіоактивний нуклід скорочено називають радіонуклідом. Наприклад, радіонуклід 16O, радіонуклід 14С, радіонуклід 131l тощо. Термін “ізотоп” слід вживати тільки для позначення стабільних і радіоактивних нуклідів одного елемента (див. означення, наведене вище).

Отже, склад ядер атомів різних хімічних елементів не однаковий, а тому елементи відрізняються за атомною масою. Оскільки до складу ядра входять протони, ядро заряджене позитивно. А оскільки заряд ядра чисельно дорівнює порядковому номеру елемента Z, то він визначає число електронів у електронній оболонці атома та її будову, а отже, і властивості хімічного елемента. Тому позитивний заряд ядра, а не атомна маса є головною характеристикою атома, а отже, й елемента, поняття про який є в хімії основним (див. § 1.2).

Ядерні реакції – це перетворення атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або одного з одним. Записуючи рівняння таких реакцій, дотримуються законів збереження маси і заряду. Це означає, що сума мас і сума зарядів у лівій частині рівняння має дорівнювати сумі мас і сумі зарядів у правій частині рівняння. Наприклад:

 Склад атомних ядер. Ядерні реакції

Це рівняння показує, що при взаємодії атома алюмінію з а-частинкою утворюються атом силіцію і протон. Радіоактивний розпад радію з утворенням радону і гелію слід записати так:

 Склад атомних ядер. Ядерні реакції

Уперше штучно ядерна реакція була здійснена Резерфордом у 1919 р. бомбардуванням ядер атомів нітрогену а-частинками:

 Склад атомних ядер. Ядерні реакції

В результаті ядерної реакції відбулося перетворення нітрогену в оксиген з виділенням протона.

Після створення циклотрона (1930) було відкрито і досліджено велику кількість різноманітних ядерних реакцій. Більш вживаним є короткий запис ядерних реакцій. Спочатку записують хімічний символ вихідного ядра, потім (у дужках) коротко позначають частинку, яка спричинила реакцію, і частинку, яка утворилася внаслідок реакції, після чого пишуть хімічний символ кінцевого ядра. При цьому біля символів вихідного і кінцевого ядер звичайно проставляють тільки масові числа, тому що заряди ядер легко визначити за періодичною системою Д. І. Менделєєва. Скорочений запис наведених вище ядерних реакцій такий:

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

Де а – позначення а-частинки ( 42Не); р – протона ( 11Н); риска означає відсутність діючої частинки у випадку радіоактивного розпаду.

За допомогою ядерних реакцій добувають ізотопи, які мають радіоактивність (радіоактивні ізотопи). Усі вони нестійкі і внаслідок радіоактивного розпаду перетворюються на ізотопи інших елементів.

Радіоактивні ізотопи добуто для всіх хімічних елементів. їх відомо понад 1 500. Елементи, які складаються лише з радіоактивних ізотопів, називаються радіоактивними. Це елементи із Z = 43, 61 і 84-107.

Стабільних (нерадіоактивних) ізотопів відомо близько 300. З них складається більшість хімічних елементів періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. У деяких елементів поряд із стабільними є також довгоживучі радіоактивні ізотопи. Це  Склад атомних ядер. Ядерні реакції та ін.

За хімічними властивостями радіоактивні ізотопи майже не відрізняються від стабільних. Тому їх використовують як “мічені” атоми: за вимірюванням їх радіоактивності стежать за поведінкою всіх атомів даного елемента та за їх переміщенням. Радіоактивні ізотопи широко застосовуються в наукових дослідженнях, у промисловості, сільському господарстві, медицині, біології і хімії. Тепер їх добувають у великих кількостях.

Найважливішою особливістю ядерних реакцій є виділення величезної кількості енергії у формі кінетичної енергії частинок, що утворюються, або у формі енергії випромінювання. У хімічних реакціях енергія виділяється в основному у формі теплоти. Енергія ядерних реакцій перевищує енергію хімічних реакцій в мільйони разів. Цим пояснюється неруйнівність ядер атомів під час перебігу хімічних реакцій.

Ядерні реакції широко використовуються для синтезу трансуранових елементів1. Велика робота в цьому напрямі проводиться в Об’єднаному інституті ядерних досліджень, а також в інших наукових центрах. Останнім часом в Періодичну систему елементів Д. І. Менделєєва додані наступні елементи: Резерфордій (№ 104), Дубній (№ 105), Сиборгій (№ 106), Борій (№ 107), Хассій (№ 108), Мейтнерій (№ 109). Проводиться робота по синтезу нових елементів.

1 Трансуранові елементи – хімічні елементи, розташовані в періодичній системі за ураном (з атомним номером Z ≥ 93). Нині відомо 14 трансуранових елементів.




Склад атомних ядер. Ядерні реакції