Состав атомных ядер. Изотопы

 1. Строение атома

Эле­мен­тар­ный атом на самом деле ока­зал­ся слож­ной ча­сти­цей, ко­то­рый со­сто­ит из ядра и элек­трон­ной обо­лоч­ки. По сво­е­му стро­е­нию он похож на сол­неч­ную си­сте­му. В нашей сол­неч­ной си­сте­ме в цен­тре на­хо­дит­ся мас­сив­ное солн­це, а в атоме – ядро. Во­круг солн­ца вра­ща­ют­ся пла­не­ты, а в атоме – элек­тро­ны. Эту мо­дель атома со­здал в 1910 году Эр­нест Ре­зер­форд. И толь­ко в 1932 году фи­зи­ки узна­ли, что ядро атома со­сто­ит из эле­мен­тар­ных ча­стиц: про­то­нов – по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных и не име­ю­щих за­ря­да – ней­тро­нов.

Атом по до­гад­ке Ре­зер­фор­да почти пу­стое про­стран­ство с ядром по­се­ре­дине. Ядро – очень плот­ное об­ра­зо­ва­ние, со­сто­я­щее из про­то­нов и ней­тро­нов. Плот­ность атом­но­го ядра со­став­ля­ет 100 000 тонн/мм³. До­бав­ляя про­тон в ядро атома, каж­дый раз по­лу­ча­ет­ся новый эле­мент. Если в ядре всего 1 про­тон, то это во­до­род Н, если 2 – то это гелий Не, если 3- это литий Li. И так далее.

Го­во­рят, что про­то­ны при­да­ют атому ин­ди­ви­ду­аль­ность. А вот ней­тро­ны со­вер­шен­но не вли­я­ют на ин­ди­ви­ду­аль­ность атома, а от­ра­жа­ют­ся толь­ко на массе дан­но­го эле­мен­та.

 2. Нуклиды

Нук­ли­ды – это ча­сти­цы, име­ю­щие опре­де­лен­ное мас­со­вое число и время жизни до­ста­точ­ное для их изу­че­ния. Нук­ли­ды де­лят­ся на

- ста­биль­ные. Ста­биль­ные нук­ли­ды не под­вер­га­ют­ся са­мо­про­из­воль­но­му ра­дио­ак­тив­но­му рас­па­ду.

- ра­дио­ак­тив­ные или ра­ди­о­нук­ли­ды. Ра­ди­о­нук­ли­ды могут са­мо­про­из­воль­но рас­па­дать­ся, об­ра­зуя дру­гие нук­ли­ды.

Ра­ди­о­нук­ли­ды де­лят­ся на

- Дол­го­жи­ву­щие

- Ко­рот­ко­жи­ву­щие

Дол­го­жи­ву­щие ра­ди­о­нук­ли­ды.

Дол­го­жи­ву­щие ра­ди­о­нук­ли­ды воз­ник­ли вме­сте с Зем­лей. Их пе­ри­од по­лу­рас­па­да со­став­ля­ет 5∙10⁸лет.

Наи­боль­шим ко­ли­че­ством ра­ди­о­нук­ли­дов по 34 об­ла­да­ет пла­ти­на Pt и осмий Os. Неко­то­рые эле­мен­ты имеют лишь один ста­биль­ный нук­лид. На­при­мер, зо­ло­то Au и ко­бальт Co. А мак­си­маль­ным чис­лом ста­биль­ных нук­ли­дов 10 об­ла­да­ет олово Sn. У мно­гих эле­мен­тов все нук­ли­ды – ра­дио­ак­тив­ны. Это все эле­мен­ты, име­ю­щие атом­ный номер боль­ше чем у свин­ца Pb, а также тех­не­ций Tc и про­ме­тий Pm.Общее число всех нук­ли­дов всех эле­мен­тов пре­вы­ша­ет 3100.

 3. Представление об изотопах

Ко­ли­че­ство ней­тро­нов в ядре атома на­зы­ва­ет­ся его изо­то­пи­че­ским чис­лом и обо­зна­ча­ет­ся N.

Если атом со­дер­жит оди­на­ко­вое число про­то­нов, т.е. об­ла­да­ет оди­на­ко­вым за­ря­дом, но раз­ное ко­ли­че­ство ней­тро­нов, то он будет иметь раз­ную массу. Такие атомы на­зы­ва­ют­ся изо­то­па­ми.

N – изо­то­пи­че­ское число

А – мас­со­вое число

Z – за­ря­до­вое число

A = N + Z

При обо­зна­че­нии изо­то­пов рядом с сим­во­лом хи­ми­че­ско­го эле­мен­та слева ввер­ху пи­шет­ся мас­со­вое число, а слева внизу – за­ря­до­вое число. ₆¹²С. Ино­гда можно встре­тить такую за­пись: уг­ле­род -12.

Неко­то­рые изо­то­пы имеют соб­ствен­ное на­зва­ние. Это ха­рак­тер­но для изо­то­пов во­до­ро­да и ра­до­на. Изо­топ во­до­ро­да ¹Н – про­тий, ²Н – дей­те­рий, ³Н – три­тий.

Также можно встре­тить изо­то­пы кис­ло­ро­да ¹⁶О,¹⁷О,¹⁸О, ко­то­рые встре­ча­ют­ся в при­ро­де.

От­но­си­тель­ная атом­ная масса эле­мен­та

Рис. 1. Изо­то­пы хлора

Атом очень мал и масса его долж­на быть ни­чтож­на. В 1961 году  на меж­ду­на­род­ном съез­де тео­ре­ти­че­ской и при­клад­ной химии фи­зи­ки и хи­ми­ки при­ня­ли ре­ше­ние, что массу атома будут из­ме­рять не в кг или г, а в еди­ни­цах, по­лу­чив­ших на­зва­ние атом­ная еди­ни­ца массы (а.е.м.). Было при­ня­то, что изо­топ уг­ле­ро­да -12, как самый ста­биль­ный в при­ро­де будет иметь массу 12 а.е.м. Атом­ная еди­ни­ца массы по ве­ли­чине равна:

= 1,66

1 моль лю­бо­го ве­ще­ства со­дер­жит ча­стиц, рав­ных числу Аво­га­д­ро  .

4. Изотопы хлора

От­но­си­тель­ная атом­ная масса эле­мен­та, ко­то­рая при­во­дит­ся в пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме – это сред­няя ве­ли­чи­на мас­со­вых чисел при­род­ных изо­то­пов с уче­том их про­цент­но­го со­дер­жа­ния в при­ро­де.

На­при­мер, все атомы хлора пред­став­ле­ны в при­ро­де изо­то­па­ми ³⁵Cl(75%) и ³⁷ Сl (25%). Рис.1.

От­но­си­тель­ная атом­ная масса хлора будет вы­чис­лять­ся по фор­му­ле = 35,5.

 5. Изотопы водорода

Про­тий

Атом во­до­ро­да, име­ю­щий один про­тон в ядре и не име­ю­щий ней­тро­нов, на­зы­ва­ет­ся про­тий. «Про­тас» - это пер­вич­ный. Так при­ня­то на­зы­вать пер­вый изо­топ во­до­ро­да.

Дей­те­рий.

Рис. 2. Изо­топ во­до­ро­да дей­те­рий

Если в атом во­до­ро­да кроме про­то­на вхо­дит еще и 1 ней­трон, то он будет на­зы­вать­ся дей­те­рий.

Газ дей­те­рий, как и во­до­род, имеет двух­атом­ную мо­ле­ку­лу D₂.

 Этого газа очень мало в ат­мо­сфе­ре, всего 0,012 от всей массы газа во­до­ро­да. Дей­те­рий вхо­дит в со­став тя­же­лой воды. Её фор­му­ла D₂O. Её фи­зи­че­ские свой­ства от­ли­ча­ют­ся от фи­зи­че­ских свойств обыч­ной воды. Таб.1. 

Срав­не­ние фи­зи­че­ских свойств тя­же­лой воды с обыч­ной.
Свой­ства	Н2О	D2O
	1г/см3	1,1г/см3
	0	-3,8
	+100	+101,4

 6. Война за тяжелую воду

Рис. 3. Завод по про­из­вод­ству тя­же­лой воды в Нор­ве­гии

В 30-х годах XX сто­ле­тия тя­же­лую воду впер­вые стали при­ме­нять для по­лу­че­ния ядер­но­го ору­жия. Пер­вым го­су­дар­ством, ко­то­рое про­из­во­ди­ло тя­же­лую воду в про­мыш­лен­ных мас­шта­бах, была Нор­ве­гия. С на­ча­лом Вто­рой Ми­ро­вой войны, Нор­ве­гия в 1940 году была за­хва­че­на нем­ца­ми. И немцы ис­поль­зо­ва­ли Нор­веж­ский завод в своих нуж­дах. В 1943 году ан­гли­чане и аме­ри­кан­цы за­ду­ма­лись над тем, как уни­что­жить завод в Нор­ве­гии, про­из­во­дя­щим тя­же­лую воду. Они пред­при­ня­ли несколь­ко по­пы­ток к уни­что­же­нию этого за­во­да. Наи­бо­лее мощ­ная – это была бом­бар­ди­ров­ка дан­но­го за­во­да в 1943 году. Но немцы уже успе­ли за­бе­то­ни­ро­вать все цеха этого за­во­да и эта бом­бар­ди­ров­ка не на­нес­ла су­ще­ствен­но­го урона про­из­вод­ству тя­же­лой воды. Но ан­гли­чане и аме­ри­кан­цы при­мен­я­ли сле­ду­ю­щие по­пыт­ки по де­ста­би­ли­за­ции ра­бо­ты по этому про­из­вод­ству. В 1944 году немцы ре­ши­ли вы­ве­сти все за­па­сы тя­же­лой воды из этого за­во­да. Через озеро на па­ро­ме они хо­те­ли пе­ре­пра­вить эти за­па­сы в Гер­ма­нию. Но 20 фев­ра­ля 1944 года паром, вез­ший этот груз, был под­верг­нут бом­бар­ди­ров­ке и пошел ко дну. Все ци­стер­ны ока­зал­ись на глу­бине более 400 м. Таким об­ра­зом ан­гли­чане уни­что­жи­ли все за­па­сы тя­же­лой воды. Немцы были вы­нуж­де­ны пре­кра­тить ис­сле­до­ва­ния по ис­поль­зо­ва­нию тя­же­лой воды для со­зда­ния ядер­но­го ору­жия.

Три­тий.

Рис. 4. Три­тий

В со­став три­тия вхо­дит 2 ней­тро­на и 1 про­тон. Обо­зна­ча­ет­ся Бук­вой Т. . Три­тий – это ко­рот­ко­жи­ву­щий изо­топ во­до­ро­да. Он рож­да­ет­ся в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры под дей­стви­ем кос­ми­че­ских лучей.

Рож­да­ет­ся, чтобы тут же уме­реть – пре­вра­тить­ся в ге­лий-3.

Его всего 6 грамм во всей нашей ат­мо­сфе­ре. 1 атом три­тия при­хо­дит­ся на 10 см³ воз­ду­ха.

  7. Где применяют тритий?

За­па­сы при­род­но­го три­тия ни­чтож­ны. По­это­му весь три­тий, ко­то­рый ис­поль­зу­ет­ся в про­мыш­лен­но­сти, по­лу­ча­ют ис­кус­ствен­но. Путем бом­бар­ди­ров­ки ней­тро­на­ми ато­мов лития. Три­тий ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния све­то­чув­стви­тель­ных кра­сок, ко­то­рые на­но­сят­ся на раз­лич­ные при­бо­ры. На­при­мер, это можно уви­деть на лю­ми­но­фор­ных часах, у ко­то­рых све­тят­ся стрел­ки в тем­но­те. За­па­сы три­тия в ор­га­низ­ме че­ло­ве­ка ни­чтож­ны. Но все-та­ки мы по­лу­ча­ем три­тий в ор­га­низм из воз­ду­ха и с пищей.

Га­зо­об­раз­ный три­тий в 500 раз менее ток­си­чен, чем три­тий ,вхо­дя­щий в со­став сверх­тя­же­лой воды для че­ло­ве­че­ско­го ор­га­низ­ма. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что га­зо­об­раз­ный три­тий вы­во­дит­ся из ор­га­низ­ма через три ми­ну­ты, а три­тий, вхо­дя­щий в со­став сверх­тя­же­лой воды, через 10 суток. Таким об­ра­зом, люди, ко­то­рые ино­гда по­гло­ща­ют сверх­тя­же­лую воду, по­вы­ша­ют уро­вень ра­ди­а­ции сво­е­го ор­га­низ­ма. Надо от­ме­тить, что если че­ло­век носит часы, стрел­ки ко­то­рых по­кры­ты лю­ми­но­фо­ром с ис­поль­зо­ва­ни­ем три­тия, в 5 раз более под­вер­жен ра­ди­а­ции, чем обыч­ный че­ло­век.

То, что во­до­род имеет три изо­то­па, не вы­де­ля­ет его среди хи­ми­че­ских эле­мен­тов. Изо­то­пы во­до­ро­да от­ли­ча­ют­ся друг от друга и по фи­зи­че­ским и по хи­ми­че­ским свой­ствам. Это не ха­рак­тер­но для дру­гих ато­мов. Изо­то­пы во­до­ро­да от­ли­ча­ют­ся друг от друга и по фи­зи­че­ским и по хи­ми­че­ским свой­ствам, по­то­му что имеют очень раз­лич­ную массу. Изу­чая изо­то­пы во­до­ро­да, уче­ные при­шли к вы­во­ду, что хи­ми­че­ские свой­ства эле­мен­та удоб­но изу­чать на при­ме­ре их изо­то­пов.

Так ро­ди­лась новая об­ласть химии – химия изо­то­пов.

 8. Ядро атома

Ядра, име­ю­щие оди­на­ко­вое число ней­тро­нов, но раз­ное ко­ли­че­ство про­то­нов на­зы­ва­ют­ся изо­то­ны. Изо­тон. На­зва­ние «изо­тон» было при­ду­ма­но на ос­но­ве слова «изо­топ». Путём за­ме­ны «п» (про­тон) на «н» (ней­трон). При­ме­ра­ми изо­то­нов могут слу­жить изо­то­пы  и . Неслож­но по­счи­тать, что в этих изо­то­нах по 7 ней­тро­нов.

Изо­ба­ры

Нук­ли­ды с оди­на­ко­вым мас­со­вым чис­лом  на­зы­ва­ют­ся изо­ба­ры. Изо­бар; др.-греч. ἴσος (isos) — «оди­на­ко­вый» + βάρος (baros) — «вес»). На­при­мер: . Ко­ли­че­ство и про­то­нов и ней­тро­нов в изо­ба­рах раз­ное.

Атом­ное ядро со­сто­ит из про­то­нов, по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных и ней­тро­нов, не име­ю­щих за­ря­да. Каж­дая из этих ча­стиц имеет массу 1 а.е.м. Ко­ли­че­ство про­то­нов и ней­тро­нов в ядре опре­де­ля­ет мас­со­вое число атома. Если число про­то­нов в ядре по­сто­ян­но, а ко­ли­че­ство ней­тро­нов раз­ное, такие атомы на­зы­ва­ют­ся изо­то­па­ми.

Под­ве­де­ние итога

Вы по­вто­ри­ли, что собой пред­став­ля­ет эле­мен­тар­ная мо­дель атома, ее стро­е­ние, по­хо­жее на нашу Сол­неч­ную си­сте­му. Узна­ли, в каком году фи­зи­ки узна­ли на опыте Ре­зер­фор­да, из чего на самом деле со­сто­ит атом­ное ядро, его плот­ность, как можно по­лу­чить новый эле­мент путем до­бав­ле­ния к нему про­то­на.