Декабрь 20th, 2008 by admin Posted in Атомные превращения
С точки зрения химии вполне обоснованно помещать изотопы
в одну и ту же ячейку периодической таблицы. Торий-234
и торий-232 имеют в ядре по 90 протонов и соответственно по
90 электронов в нейтральном атоме. Химические свойства элементов
определяются распределением электронов по электронным
уровням, а значит, химические свойства этих двух изотопов
тория, как и изотопов любых других элементов, будут одинаковыми’.
Но, несмотря на то что у атомов изотопов на энергетических
уровнях один и тот же набор электронов, они все же отличаются
структурой атомных ядер. Количество протонов в ядре
изотопов одинаково, значит, неодинаково количество нейтронов.
Например, ядро атома тория-234 состоит из 90 протонов
и 144 нейтронов, в то время как ядро атома тория-232 состоит
из 90 протонов и 142 нейтронов.
Когда речь идет об изменениях внутри атомного ядра, например
когда мы говорим о радиоактивности (в то время как
во время химических преобразований изменяется лишь число
электронов, атомное ядро остается неизменным), различия в
количестве нейтронов в ядре очень важны.
Итак, процесс распада тория-232 идет очень медленно, именно
поэтому этот элемент до сих пор присутствует в земной коре.
Атом тория испускает альфа-частицу и его атомное число падает
до 88, т. е. до радия. Запишем это:
90Th232 ^ 8SRa228 + 2а4. (Уравнение 8.5)
С другой стороны, процесс распада атомов тория-234 идет
крайне быстро, и именно поэтому в природе этот элемент
встречается только в исчезающе малых количествах в урановой
руде. Более того, при распаде тория-234 выделяется бета-частица,
что приводит к увеличению атомного числа до 91, то есть
до протактиния:
90Th234 ~* 9]Ра23< + _,р°. (Уравнение 8.6)
После выхода альфа- или бета-частицы может образоваться
новый атом, заряд ядра которого будет выше, чем у атома основного
состояния. После возврата в прежнее состояние атом
испускает гамма-луч. В некоторых случаях это происходит не
сразу, атом существует какое-то время, а радиационное излучение
его возбужденного ядра обладает уникальными характеристиками.
Для обозначения наличия возбужденного ядра символ
элемента помечают звездочкой. В процессе образования
протактиния-234 его ядро переходит в возбужденное состояние:
91Ра234* -> „Ра234 + 0у°. (Уравнение 8.7)
В 1936 году Лизе Майтнер предложила называть атомы с
одинаковыми атомными числами и атомными весами, но различающиеся
структурой ядра, изомерами. Первый случай ядерной
изомерии был зафиксирован на примере протактиния-234
еще в 1921 году Отто Ганом, давним партнером Майтнер по
работе.
Ноябрь 16th, 2008 by admin Posted in Атомные превращения
Атомный вес самой бета-частицы практически равен 0. (Точнее,
0,00054, но в данном случае мы можем сократить его до 0.)
Так как атомный вес равняется числу положительно заряженных
частиц в ядре и так как бета-частица является электроном,
а следовательно, обладает единичным отрицательным зарядом,
ее атомное число равняется — 1. Таким образом, бета-частицу
можно обозначить как _,р°, а процесс выхода как
х&+у -» x+lRx+y + _,Р°. (Уравнение 8.2)
Обратите внимание, что в уравнениях 8.1 и 8.2 сумма атомных
чисел правой части равняется сумме атомных чисел левой
части в соответствии с законом сохранения электрического заряда.
То же можно сказать и об атомных весах правой части
формулы 8.2 согласно закону сохранения массы. (Пока мы можем
пренебречь небольшим изменением массы при ее переходе
в энергию.)
Гамма-луч обозначается греческой буквой у. Гамма-излучение
является электромагнитным, следовательно, не имеет ни атомного
веса, ни атомного числа. Запись будет выглядеть как 0у°. Добавляем
следующую формулу:
хО,+у -> х&+у + 0У». (Уравнение 8.3)
Таким образом, когда атом испускает альфа-частицу, его
атомное число уменьшается на 2, а атомный вес — на 4. Когда
атом испускает бета-частицу, его атомное число уменьшается
на 1, а атомный вес остается неизменным. Когда же атом
испускает гамма-луч, его и атомное число, и атомный вес остаются
неизменными. Этот закон впервые был сформулирован
Содди в 1913 году.
Давайте применим этот закон к атому урана с атомным числом
92 и атомным весом 238, т. е. 92U23S. Слабое радиоактивное излучение
урана высокой очистки состоит из альфа-частиц. Испускание
альфа-частицы уменьшает атомное число атома урана до 90,
т. е. до атомного числа тория, а атомный вес до 234. Запись выглядит
так:
9 2U«8 _> 9oTh234 + 2а4. (Уравнение 8.4)
Атом тория, полученный в результате распада атома урана,
несколько отличается от атома тория, содержащегося в руде.
Атомное число последнего также равняется 90, однако его атомный
вес равен 232, то есть 9()Th232.
Атомное число и одного и другого атома равно 90, поэтому они
оба занимают одну и ту же ячейку периодической таблицы. Содди
обнаружил это в 1913 году и предложил называть элементы,
имеющие одинаковое атомное число и различающиеся атомным
весом, изотопами (от греч., означает «одно и то же место», то есть
одно и то же место в периодической таблице).
Так как атомное число изотопов одного и того же элемента
одинаково, химики решили на письме отображать лишь их атомные
веса: торий-234 и торий-232, или, более кратко, Th232 и Th234.
Сентябрь 7th, 2008 by admin Posted in Атомные превращения
Открытие в 1898 году нескольких новых элементов в радиоактивной
руде вызвало некоторые затруднения. В периодической
таблице было место лишь для 9 радиоактивных элементов (атомные
числа от 84 до 92). То есть для радия, полония и некоторых
других элементов место было, но что делать с остальными? Ведь
если брать только дочерние элементы урана и тория с четко выраженными
свойствами и определенной интенсивностью излучения,
у физиков будет несколько десятков новых элементов.
Каждому типу излучения было дано свое название. Например,
уран Хр, уран Ху, радий А, радий В и так далее вплоть до
радия G. Были также излучения тория от А до D, два мезото-
рия, один радиоторий и т. д. Но если элементов действительно
столько же, сколько и различных излучений, как же их вписать
в таблицу? С открытием Мозли атомного числа задача еще более
усложнилась.
Для начала давайте рассмотрим природу этих радиоактивных
излучений и их влияние на испускающий их атом. (Я прибегну
к протонно-нейтронной модели атомного ядра, несмотря на то
что изначально описываемый мною анализ был сделан на основе
протонно-электронной модели.)
Возьмем произвольный элемент Q, ядро которого состоит из
х протонов и у нейтронов. Значит, его атомное число равняется
х, а его атомный вес х + у. Запишем атомное число текстом
нижнего регистра перед символом элемента, а атомный вес —
текстом верхнего регистра после символа. Получаем xQx+y.
Теперь предположим, что атом этого элемента испустил
одну альфа-частицу (обозначается греческой а). Альфа-частица
состоит из двух протонов и двух нейтронов, следовательно,
ее атомное число 2, а атомный вес 4. В записи это выглядит
как 2а4.
То, что остается от исходного атома после выхода альфа-частицы,
должно содержать х-2 протона и у-2 электрона. Атомное
число уменьшается на 2 (и образуется новый элемент R),
атомный вес — на 4. Это можно записать так:
XQ”¥” - » х _ 2 # г * г ” 4 + 2«4- (Уравнение 8.1)
Если же исходный атом испустил бета-частицу (обозначается
греческой Р), ситуация будет несколько иной. Выход бета-
частицы означает, что внутри ядра один нейтрон превратился
в протон. Значит, теперь количество протонов в ядре будет х +1,
а нейтронов у-l. Атомное число увеличится на 1, а