Изотопы, изотоны, изобары

Лекция 2. ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТОМОВ. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ И РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД ЯДЕР.

1. Строение атома. Элементарные частицы.

2. Виды радиоактивного распада.

3. Закон радиоактивного распада.

Вопрос 1. Строение атома. Элементарные частицы

Окружающий нас мир построен из множества атомов различных элементов. Их размеры очень малы. Диаметр самого легкого атома водорода составляет одну стомиллионную часть сантиметра.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10^-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10^-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона [Белов А.Д., 1999]. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.

В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.

Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т.д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода (¹²С).

1 а.е.м. = 1,67*10^{-27 кг}

Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.

1эВ = 1,602*10^-19Кл

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (^А_ZX).

Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева:

q = Ze

 

Ядерные силы.

Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.

Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы π-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные π-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.

Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10^-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а.е.м. или 938,27 МэВ.

Число протонов в ядре (атомный номер) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы Д.И. Менделеева. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.

Нейтрон (n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента [Белов А.Д., 1999].

Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а.е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10^-28кг. Энергетический эквивалент а.е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10^-19Кл.

Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P,Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:

m=2n²,

где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее.

Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.

Атом, обладающий избытком энергии, называется ВОЗБУЖДЕННЫМ, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленным, от ядра - процессом ВОЗБУЖДЕНИЯ.

Поскольку в природе всякая система стремится перейти в положение, при котором ее энергия будет наименьшей, то и атом из возбужденного состояния переходит первоначальное.

Возращение атома в обычное состояние сопровождается делением избыточной энергии. Переход электронов из внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновым излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома (характеристическое рентгеновское излучение).

Переходы электронов в пределах внешних орбит дают оптический спектр, который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей.

При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы.

Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов - в отрицательный.

Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов.

Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.

 

Изотопы, изотоны, изобары.

Большинство элементов в природе представляет собой смесь разновидностей атомов, ядра которых содержат неодинаковое число нейтронов, т.е. различаются по массе.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число (³⁹₁₉К, ⁴⁰₁₉К, ⁴¹₁₉К).

Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами. Начиная с 83-го элемента т. Менделеева - все изотопы элементов радиоактивны. Известно свыше 1200.

Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. Например ¹³₆С имеет шесть протонов и семь нейтронов, ¹⁴₇N имеет семь протонов и тоже семь нейтронов.

Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т.е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами.

Например: ¹⁰₄Be, ¹⁰₅B, ¹⁰₆C и т.д.