АТОМНОЕ ЯДРО

Характеристики атомного ядра

Ядро каждого атома или иона состоит из N нейтронов и Z протонов. Нейтроны и протоны - элементарные частицы, имеющие массу около 1 а. е. м.: mn = 1,0087 а.е.м., mp = 1,0078 а.е.м.Сумма числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в ядре атома, называется массовым числом атома (ядра). Поскольку и протон, и нейтрон имеют массу, очень близкую к атомной единице массы, то массовое число атома приближенно выражает его атомную массу. Но число протонов равно числу положительных зарядов, т.е. порядковому номеру элемента; следовательно, число нейтронов равняется разности между массовым числом и порядковым номером элемента. Запись каждого элемента AZЭ (например, для хлора 3617Cl, железа 5626Fe) характеризуется не только указанием его символа, но и характеристик ядра его атома: А = N + Z - массового числа и Z - заряда ядра. Конкретное ядро с данным массовым числом А и данным зарядом Z называется нуклидом. Масса ядра mя всегда меньше, чем масса всех составляющих его протонов и нейтронов. Разность

F4
называется дефектом массы.

Дефект массы атомного ядра

Сумма масс протонов и нейтронов, образующих ядро гелия, равна:

F5

тогда как в действительности масса ядра гелия равна 4,0026, т.е. примерно на 0,03 а.е.м. меньше. Аналогичные результаты получаются при подсчете масс других ядер.

Из теории относительности вытекает связь между массой и энергией, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = m·с 2. Из этого уравнения следует, что каждому изменению массы должно отвечать и соответствующее изменение энергии. Если при образовании атомных ядер происходит заметное уменьшение массы, это значит, что одновременно выделяется огромное количество энергии. Дефект массы при образовании ядра атома гелия составляет 0,03 а.е.м., а при образовании 1 моля атомов гелия - 0,03 г. Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению 2,7·10 12 Дж энергии. Чтобы составить себе представление о колоссальной величине этой энергии, достаточно указать, что она примерно равна той энергии, которую может дать в течение часа электростанция, равная по мощности Днепрогэсу.

Энергия связи ядра, рассчитываемая по выражению Эйнштейна Е = m·с 2, определяет устойчивость ядра: чем больше величина выделившейся энергии, тем устойчивее ядро.

Нуклоны распределены приблизительно равномерно по объему ядра. Между образующими ядро частицами действуют два вида сил:

  • электростатические силы взаимного отталкивания положительно заряженных протонов;
  • силы притяжения между всеми частицами, входящими в состав ядра, называемые ядерными силами.

С возрастанием расстояния между взаимодействующими частицами ядерные силы убывают гораздо более резко, чем силы электростатического взаимодействия. Поэтому их действие заметно проявляется только между очень близко расположенными частицами. Но при ничтожных расстояниях между частицами, составляющими атомное ядро, ядерные силы притяжения превышают силы отталкивания, вызываемые присутствием одноименных зарядов, и обеспечивают устойчивость ядер.

Энергия связи ядра приблизительно прямо пропорционально зависит от числа нуклонов, а энергия связи, приходящаяся на один нуклон, имеет максимальное значение при средних атомных массах. Поэтому средние по массе ядра стабильнее, чем ядра более легкие и более тяжелые. При Z > 84 все ядра нестабильные.

Ядра с четными значениями Z и N встречаются гораздо чаще. При этом наиболее устойчивы ядра с количеством нуклонов 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа получили название магических и связаны с тем, что, как и для электронов в атоме, для ядер справедлив принцип заполнения оболочек с особенно устойчивыми конфигурациями.

Классификация ядер

Ядра классифицируются в зависимости от значений Z и N. Различают:

  • изотопы;
  • изотоны;
  • изобары;
  • изомеры.

Изотопы - ядра, имеющие одинаковые числа протонов (Z = const). Название происходит от греческих слов «изос» - одинаковый и «топос» - место. Атомы изотопов обладают одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов (а значит, и разным массовым числом). Так, природный хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами 35 и 37, магний - из трех изотопов с массовыми числами 24, 25 и 26. Химические свойства изотопов тождественны. Это значит, что если и существует некоторое различие между изотопами в отношении их химических свойств, то оно так мало, что практически не обнаруживается.

Исключение составляют изотопы водорода 11H и 21H. Вследствие огромной относительной разницы в их атомных массах (масса атома одного изотопа вдвое больше массы атома другого изотопа) свойства этих изотопов заметно различаются. Изотоп водорода с массовым числом 2 называют дейтерием и обозначают символом D. Дейтерий содержится в обычном водороде в количестве около 0,017%. Известен также радиоактивный изотоп водорода 31H - тритий (период полураспада около 12 лет), получаемый только искусственным путем; его обозначают символом Т.

Изотопы - ядра, содержащие равные числа нейтронов (N = const), например, 136C и 147N.

Изобары имеют равные массовые числа (Z + N = const), например, 136C и 137N.

К изомерам относятся такие ядра, которые имеют равные числа и нейтронов, и протонов (Z = const, N = const), но неравные энергии связи ядер.

Изотопные индикаторы

При изучении механизма химических и биологических процессов широко используют так называемые изотопные индикаторы, или «меченые атомы». Применение их основано на том, что при химических превращениях можно проследить пути перехода интересующего элемента, измерив концентрацию одного из его изотопов в каком-либо из взятых для реакции веществ. Так как все изотопы одного и того же элемента ведут себя при химических реакциях практически тождественно, то по изменению состава изотопов данного элемента в тех или иных продуктах реакции можно проследить, куда именно он перешел.

Так, применение тяжелого изотопа кислорода 188O при изучении процесса усвоения диоксида углерода растениями (для опытов пользовались диоксидом углерода и водой, обогащенными 188O) показало, что процесс идет согласно схемам, в которых изотоп 188O отмечен звездочкой:

6СO2 + 12Н2O* → С6Н12O6 + 6Н2O + 6O*2
6СO*2 + 12Н2O → С6Н12O*6 + 6Н2O* + 6O2

Таким образом, было установлено, что возвращаемый растениями в атмосферу кислород целиком берется из воды, а не из диоксида углерода.


АТОМНОЕ ЯДРО

Яндекс.Метрика Copyright _copy 2014. SARybin.
Подписаться на обновление.