скачать книгу бесплатно
С (1 а.е.м. = 1,66х10
кг, т.е. в 1824 раза больше массы покоя электрона (1 а.е.м.=1824 m
)).
1.1.2. Строение вещества
В настоящее время известно около 1,5х10
типов молекул. Однако атомов к началу 1964 г. было идентифицировано 101, из них в природе встречаются 88, а 13 получаются искусственно. Все известные молекулы построены примерно из 60 типов атомов.
Множество атомов одного типа называется химическим элементом. Таким образом, эти элементы являются теми «кирпичами», из которых сложены в многообразных комбинациях все тела окружающего нас материального мира – неорганического, органического, растительного и животного.
Атом является мельчайшей первичной частицей химического элемента. Он представляет собой сложную электродинамическую систему, состоящую из двух частей: небольшой очень плотной положительно заряженной центральной части, именуемой ядром, и легкой внешней (орбитальной) электронной оболочки, образованной отрицательно заряженными элементарными частицами – электронами. Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие из элементарных материальных частиц – протонов с положительным электрическим зарядом и нейтронов, которые электрического заряда не имеют. Протоны и нейтроны носят общее название – нуклоны.
Ядро атома водорода (наиболее легкого из всех элементов) состоит из одного протона и не содержит нейтронов.
Протон – стабильная элементарная частица, обладающая положительным зарядом (ядро атома водорода). Масса протона в 1837 раз больше массы электрона (т. е. составляет 1837 m
или 1,00758 а.е.м.). Заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона, но противоположен ему по знаку, т. е. равен одной положительной элементарной единице заряда. Протон обозначается
р, где индексы обозначают массу и заряд протона.
Нейтрон – это нейтральная частица. Масса нейтрона равна 1839 m
или 1,00893 а.е.м., то есть примерно равна массе протона. В свободном состоянии нейтрон – неустойчивая частица и претерпевает превращения. Нейтрон обозначается
n, где индекс 0 – заряд нейтрона, индекс 1 – масса нейтрона.
Таким образом, почти вся масса атома сосредоточивается в его ядре; масса электронной оболочки составляет сотые доли процента массы атома (см. табл. 1.2).
Таблица 1.2
Значения масс покоя и электрических зарядов элементарных частиц атома
При нормальном (невозбужденном) состоянии атома число электронов его оболочки равно числу протонов ядра, следовательно, атом электрически нейтрален. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядрах атомов (кроме ядра атома водорода) равняется приблизительно единице для легких ядер и постепенно возрастает до 1,6 с увеличением массы ядра.
В современной физике принято считать, что атомы имеют строение, напоминающее (геометрически) планетную систему Солнца. В центре электродинамической системы атома находится ядро, вокруг которого движутся по своим орбитам электроны. Геометрическая модель атома представлена на рис. 1.1.
Число положительных зарядов атомного ядра (число протонов) называется атомным номером Z элемента.
Число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом А элемента A = N + Z,
где N – число нейтронов в ядре (N = А – Z).
Заряд ядра обусловлен наличием в нем протонов. Заряд любого ядра равен Q = Ze,
где е – заряд протона, Кл.
Рис. 1.1. Планетарная модель атома
По величине заряда ядра все химические элементы располагаются в определенной последовательности в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева. Порядковый номер элемента в этой таблице равен заряду его ядра.
Вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре называют нуклидом и обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например,
He – гелий с зарядом, равным двум зарядам электрона, и массовым числом, равным 4 (см. рис. 1.1).
Массовое число равно ближайшему целому числу, выражающему атомный вес элемента. Например, записи, характеризующие изотопы урана:
U,
U и
U, означают, что все эти изотопы имеют один атомный номер 92, числа же нейтронов их атомных ядер различны и соответственно равны: 238—92=146; 235—92=143 и 233—92=141.
Количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре (см. рис.1.1). Электроны в атоме сгруппированы по электронным оболочкам (орбитам), номера которых возрастают по мере удаления от ядра: n=1,2,3,4… Суммарный отрицательный заряд всех орбитальных электронов равен суммарному положительному заряду протонов ядра. Атом в нормальном состоянии – электрически нейтральная система.
Энергия связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме, зависит от расстояния электрона до центра атома. Каждая орбита соответствует вполне определенному значению этой энергии.
Электроны, расположенные вблизи ядра, находятся под действием большей силы притяжения, чем электроны, находящиеся дальше от него. Когда электрон, оставаясь внутри атома, переходит с одной орбиты на другую, то выделяется или поглощается энергия. Электрон, переходя с ближней обриты на более удаленную от ядра, должен преодолеть силу притяжения ядра, т.е. приобрести (поглотить) дополнительную энергию. При переходе электрона с дальней орбиты на ближайшую к ядру происходит выделение энергии, которая может быть излучена атомом.
Атом, в котором электроны обращаются на более удаленной от ядра орбите, чем им дозволенной, называется возбужденным. Возбужденный атом неустойчив и время его жизни в этом состоянии: х 10
с.
Из периодической системы элементов видно, что атомы различных элементов имеют различное количество слоев (орбит) электронов. Оно зависит от атомного номера, который определяет положение (период) элементов в периодической системе. Наибольшее число слоев электронной оболочки равно семи.
Исходя из того, что атом представляет собой электродинамическую систему планетарной структуры, под диаметром атома понимают диаметр воображаемой сферы, заключающей в себе атом, внутрь которой не может проникнуть другой атом из-за действия сил отталкивания, возникающих между электронными оболочками (см. рис. 1.1). Диаметр атома около 10
см. Размеры атомных ядер очень малы; плотность же ядерного вещества чрезвычайно большая.
Диаметр ядра атомов различных элементов лежит в пределах 10
– 10
см, т. е. в 10
– 10
раз меньше диаметра атома. Радиус атомного ядра может быть определен по формуле R = 1,5 x 10
xA
, где А – число нуклонов в ядре (массовое число).
Радиус атома приблизительно равен (2,5…5,5) х10
м, а радиус атомного ядра (1,5—10) х10
м. Так, радиус ядра атома
U составляет приблизительно 0,93х10
м, а его объем —3,4х10
м
.
Исходя из того, что масса каждого нуклона равна приблизительно 1 а.е.м. или 1,66х10
кг, масса ядра урана равна приблизительно 395х10
кг. Плотность ядерного вещества урана равна 116 000 кг/м
. Плотность ядерного вещества других элементов примерно такая же.
Из изложенного следует, что основная часть энергии атома сосредоточена в его ядре, на электронную же оболочку остается сравнительно ничтожная ее доля. Поэтому перспективным путем получения больших количеств промышленной энергии является деление атомных ядер, в результате которого выделяется ядерная энергия.
1.1.3. Изотопы. Радиоактивность и ее закономерности
Существует много атомов, ядра которых содержат равное число протонов, но разное число нейтронов. Массовые числа у этих атомов различны, но их химические свойства одинаковы, так как они имеют один и тот же заряд ядра и, следовательно, занимают одно и то же место в таблице Менделеева. Такие атомы получили название изотопов. Изотоп – нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу.
Изотопный состав имеют многие химические элементы, некоторые из них имеют относительно большое количество изотопов. Например, водород имеет три изотопа:
H – протий (легчайший изотоп водорода),
D – дейтерий,
T – тритий; известны: 19 изотопов йода, восемь изотопов железа, шесть изотопов урана и т. д.
Изотопы одного элемента химическими методами не могут быть разделены. Записываются изотопы элементов одинаковыми символами, отличающимися один от другого лишь массовым числом, например: изотоп углерода – от
C до
C; изотоп алюминия – от
Al до
Al; изотоп урана – от
U до
U и т. д.
Известно около 1500 изотопов. Одни из них устойчивые – стабильные, другие неустойчивые – радиоактивные. Стабильные изотопы – изотопы, ядра которых в течение длительного промежутка времени не претерпевают изменения. Изотопы, ядра которых со временем распадаются, называют радиоактивными или радионуклидами (РН). Радионуклид – нуклид, обладающий радиоактивностью. Радиоизотоп – изотоп, обладающий радиоактивностью.
В конце XIX в. А. Беккерелем, Пьером и Марией Кюри и другими учеными было открыто явление самопроизвольного распада ядер некоторых неустойчивых химических элементов. Исследователи установили, что распадающиеся ядра претерпевают превращения с образованием новых изотопов элемента и даже новых элементов, при этом выделяется энергия в виде радиоактивных излучений.
Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Явление самопроизвольного распада ядер называется естественной радиоактивностью, а неустойчивые изотопы, претерпевающие самопроизвольные превращения, радиоактивными. Специально приготовленные радиоактивные изотопы называют искусственно радиоактивными.
Явление радиоактивности обладает рядом особенностей:
радиоактивность – свойство ядер радиоактивных элементов;
радиоактивность – самопроизвольный процесс;
на явление радиоактивности не влияют такие внешние факторы, как давление, температура, магнитные и электрические поля, химические реагенты;
в процессе радиоактивного распада выполняется закон сохранения энергии, согласно которому энергия материнского ядра равна энергии продуктов распада, закон сохранения электрического заряда и закон сохранения массы. Это означает, что суммарная энергия, масса и заряд до начала превращения и после его завершения должны оставаться постоянными.
Устойчивость атомных ядер обусловлена соотношением внутриядерных сил, воздействующих на нуклоны ядра. Такими силами являются:
ядерные силы взаимного притяжения нуклонов; эти силы проявляют себя на очень малых радиусах действия (не более 10
см) и стремятся удержать ядро в целостности;
кулоновские силы взаимного отталкивания протонов, стремящиеся разрушить ядро.
Нормальный (невозбужденный) атом всякого элемента электрически нейтрален и все внутриатомные силы его находятся в равновесии.
Атомные ядра элементов с атомным номером 83 и более (число протонов Zх83, отношение числа нейтронов к числу протонов A—Z/Zх1,52) являются в той или иной мере неустойчивыми. К наименее устойчивым относятся ядра тяжелых элементов. На рис. 1.2 представлена графическая зависимость числа нейтронов в атомных ядрах элементов от заряда ядра.
Рис. 1.2. Зависимость N (Z)
По мере увеличения числа протонов в устойчивых атомных ядрах число нейтронов, приходящихся на один протон, возрастает от 1 до 1,6. Это обусловлено тем, что с увеличением числа протонов в ядре кулоновские силы отталкивания усиливаются и, преодолевая ядерные силы взаимного притяжения нуклонов, стремятся разъединить и удалить протоны из ядра.
Ядро с большим числом протонов может существовать только при наличии большого числа нейтронов, которые, снижая концентрацию протонов в ядре (см. рис. 1.2), уравновешивают внутриядерные силы ядра атома. В устойчивых ядрах должно быть определенное соотношение числа нейтронов к числу протонов, увеличивающееся с возрастанием атомных номеров химических элементов.
Отклонение от этого соотношения приводит к неустойчивости элементов, т.е. к их радиоактивному распаду.
Распад ядер радиоактивных элементов происходит до тех пор пока не будет установлено равновесие нуклонов в ядре и ядро не станет устойчивым. Цепь распадов с последовательным образованием ряда промежуточных изотопов, называемая радиоактивным семейством, заканчивается нераспадающимся (стабильным) изотопом какого-либо элемента. Так, например, одно из таких радиоактивных семейств начинается ураном и заканчивается стабильным изотопом свинца.
В науке и технике широко используются искусственные радиоактивные изотопы, которые изготовляются путем различных ядерных реакций и превращений.
Между естественной и искусственной радиоактивностями одинаковых изотопов нет разницы, так как свойства радиоактивного изотопа не зависят от способа его получения.
Основными видами радиоактивных превращений атомных ядер являются: альфа-распад; бетта
и бетта
-распад, электронный захват (К-захват); гамма-распад; нейтронный распад (n-распад); спонтанное деление ядер.
При альфа-распаде из ядра распадающегося элемента излучается альфа-частица, представляющая собой ядро атома гелия
He (два протона и два нейтрона) и имеющая положительный заряд, равный по абсолютной величине двум зарядам электрона. В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных альфа-активных ядер. Этот вид распада характерен для тяжелых элементов, обладающих меньшими значениями энергии связи, и нередко сопровождается гамма-излучением. Образовавшееся при альфа-распаде дочернее ядро будет иметь заряд и массу, меньшие, чем у распавшегося ядра, соответственно на две и четыре единицы. В общем виде реакция альфа-распада записывается так
X –
