Атомы одного химического элемента не обязательно одинаковы: у всех атомов хлора по 17 протонов, но нейтронов в ядре может быть 18 или 20. Чтобы говорить о конкретном виде атомов, нужен точный термин — нуклид. В этой статье по порядку разобраны понятия, связанные с составом ядер, устойчивость ядер, радиоактивный распад и его закон, применение радионуклидов и синтез новых элементов. Статья продолжает тему «Строение атома и химический элемент».
- 1. Нуклид, изотопы, изобары, изотоны
- 2. Изотопы водорода
- 3. Изотопный состав природных элементов
- 4. Какие ядра устойчивы
- 5. Радиоактивность
- 6. Виды распада и правила смещения
- 7. Закон радиоактивного распада
- 8. Радиоактивные ряды
- 9. Ядерные реакции, деление и синтез
- 10. Применение радионуклидов
- 11. Синтез новых элементов
- 12. Типичные ошибки
- Задания с разбором
1. Нуклид, изотопы, изобары, изотоны
Нуклид — вид атомов с определённым числом протонов Z и определённым числом нейтронов N в ядре (а значит, и с определённым массовым числом A = Z + N).
Нуклид обозначают символом элемента с массовым числом вверху слева и зарядом ядра внизу слева: 146C. Поскольку символ элемента уже однозначно задаёт Z, часто пишут короче: 14C или «углерод-14».
Нуклиды группируют по тому, какое из чисел у них одинаково:
| Понятие | Что одинаково | Что различается | Пример |
|---|---|---|---|
| Изотопы | Число протонов Z (один элемент) | Число нейтронов и массовое число | 3517Cl и 3717Cl |
| Изобары | Массовое число A | Число протонов (разные элементы) | 4018Ar, 4019K, 4020Ca |
| Изотоны | Число нейтронов N | Число протонов | 136C и 147N (по 7 нейтронов) |
Слово «изотоп» придумал в 1913 году британский химик Фредерик Содди: «изо» — одинаковый, «топос» — место. Изотопы занимают одно и то же место в периодической системе.
Почему изотопы химически почти неразличимы? Химические свойства определяются строением электронной оболочки, а оно зависит только от заряда ядра. Масса ядра влияет на свойства слабо: немного меняются скорости реакций, температуры плавления и кипения, плотность. Заметны эти различия только у самых лёгких элементов, где относительная разница масс велика.
2. Изотопы водорода
Только изотопы водорода имеют собственные названия и символы.
| Изотоп | Состав ядра | Доля в природе | Особенности |
|---|---|---|---|
| Протий 11H | 1 протон | 99,985 % | Единственный нуклид без нейтронов |
| Дейтерий 21H (D) | 1 протон, 1 нейтрон | 0,015 % | Тяжёлая вода D2O: плотность 1,105 г/см³, кипит при 101,4 °C, замерзает при 3,8 °C |
| Тритий 31H (T) | 1 протон, 2 нейтрона | Следы | Радиоактивен, период полураспада 12,3 года; образуется в атмосфере под действием космических лучей |
Дейтерий открыл в 1931 году американский химик Гарольд Юри. Тяжёлая вода замедляет нейтроны и используется в ядерных реакторах; в больших количествах она вредна для живых организмов, потому что изменяет скорости биохимических реакций.
3. Изотопный состав природных элементов
Большинство элементов в природе — смеси нескольких изотопов, причём их доли почти одинаковы в любом образце. Около двадцати элементов имеют только один стабильный нуклид (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, иод, золото и другие). У олова — рекордные десять стабильных изотопов.
| Элемент | Изотопы и их доли | Относительная атомная масса |
|---|---|---|
| Хлор | 35Cl — 75,8 %, 37Cl — 24,2 % | 35,45 |
| Медь | 63Cu — 69,2 %, 65Cu — 30,8 % | 63,55 |
| Углерод | 12C — 98,9 %, 13C — 1,1 %, следы 14C | 12,011 |
| Кислород | 16O — 99,76 %, 17O, 18O | 15,999 |
Именно из-за смеси изотопов относительные атомные массы элементов дробные. Как их вычисляют — в статье «Относительная атомная масса».
4. Какие ядра устойчивы
Сегодня известно около 3300 нуклидов, но стабильных из них — около 250. Остальные радиоактивны. Устойчивость ядра определяется соотношением двух сил: электрического отталкивания протонов и ядерного притяжения всех нуклонов.
- Соотношение нейтронов и протонов. У лёгких устойчивых ядер N ≈ Z (126C, 168O, 4020Ca). С ростом Z отталкивание протонов растёт быстрее, и для устойчивости нужно всё больше нейтронов: у 20882Pb на 82 протона приходится 126 нейтронов (N/Z ≈ 1,5). Нуклиды с избытком нейтронов распадаются с испусканием электрона (бета-минус-распад), с недостатком — испуская позитрон или захватывая электрон.
- Чётность. Ядра с чётным числом и протонов, и нейтронов устойчивее: из примерно 250 стабильных нуклидов больше половины чётно-чётные, а нечётно-нечётных стабильных лишь пять (2H, 6Li, 10B, 14N и 180mTa).
- Магические числа. Особенно устойчивы ядра с числом протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 — это аналог завершённых электронных слоёв, только для нуклонов. Дважды магические ядра 4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 208Pb необычайно прочны. У олова (Z = 50, магическое) — больше всего стабильных изотопов.
- Предел устойчивости. У технеция (Z = 43), прометия (Z = 61) и всех элементов тяжелее свинца (Z > 82) стабильных нуклидов нет; висмут-209 формально радиоактивен, но его период полураспада (около 2·10¹⁹ лет) в миллиард раз больше возраста Вселенной.
5. Радиоактивность
Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного нуклида в ядра другого, сопровождающееся испусканием частиц или излучения.
Радиоактивность открыл в 1896 году французский физик Анри Беккерель: соли урана засвечивали фотопластинку, завёрнутую в чёрную бумагу. Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри в 1898 году открыли полоний и радий, во много раз более активные, чем уран, и ввели сам термин «радиоактивность». В 1902 году Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди показали, что при радиоактивном распаде атомы одного элемента превращаются в атомы другого — то есть элементы не вечны.
Радиоактивный распад — ядерный процесс. На его скорость практически не влияют температура, давление, химическое состояние вещества: уран распадается одинаково и в металле, и в оксиде, и в растворе соли.
6. Виды распада и правила смещения
При любом ядерном превращении сохраняются суммарный заряд и суммарное число нуклонов (массовое число). Поэтому в записи ядерной реакции суммы верхних и суммы нижних индексов слева и справа равны. Отсюда следуют правила смещения (Содди и Фаянс, 1913).
| Вид распада | Что происходит в ядре | Что испускается | Изменение Z и A | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Альфа-распад | Ядро выбрасывает ядро гелия | Альфа-частица 42He | Z − 2, A − 4; элемент смещается на две клетки назад | 23892U → 23490Th + 42He |
| Бета-минус-распад | Нейтрон превращается в протон | Электрон 0−1e и антинейтрино | Z + 1, A не меняется; на клетку вперёд | 146C → 147N + 0−1e |
| Бета-плюс-распад | Протон превращается в нейтрон | Позитрон 0+1e и нейтрино | Z − 1, A не меняется; на клетку назад | 116C → 115B + 0+1e |
| Электронный захват | Ядро захватывает электрон внутреннего слоя | Нейтрино (и рентгеновское излучение оболочки) | Z − 1, A не меняется | 4019K + 0−1e → 4018Ar |
| Гамма-излучение | Ядро переходит из возбуждённого состояния в основное | Гамма-квант | Не меняются | Сопровождает альфа- и бета-распад |
Альфа-частицы задерживаются листом бумаги, бета-частицы — несколькими миллиметрами алюминия, гамма-излучение ослабляется лишь толстым слоем свинца или бетона.
Распад калия-40 электронным захватом — источник почти всего аргона в атмосфере (около 1 % воздуха). Поэтому средняя атомная масса аргона (39,95) больше, чем у следующего за ним калия (39,10).
7. Закон радиоактивного распада
Распад отдельного ядра — случайное событие: нельзя предсказать, когда распадётся данное ядро. Но для большого числа ядер действует строгий статистический закон: за равные промежутки времени распадается одна и та же доля имеющихся ядер. Время, за которое распадается половина ядер, называют периодом полураспада T₁/₂.
N = N₀ · (1/2)t / T₁/₂
Через одно T₁/₂ остаётся 1/2 исходного числа ядер, через два — 1/4, через три — 1/8, через десять — около 1/1000. Период полураспада не зависит от количества вещества: за 5730 лет распадётся половина и грамма, и тонны углерода-14.
| Нуклид | Вид распада | Период полураспада |
|---|---|---|
| 238U | α | 4,47 млрд лет |
| 235U | α | 704 млн лет |
| 40K | β⁻ и электронный захват | 1,25 млрд лет |
| 226Ra | α | 1600 лет |
| 14C | β⁻ | 5730 лет |
| 137Cs | β⁻ | 30 лет |
| 3H | β⁻ | 12,3 года |
| 131I | β⁻ | 8 суток |
| 222Rn | α | 3,8 суток |
8. Радиоактивные ряды
Тяжёлые ядра не превращаются в стабильные за один шаг: возникает цепочка последовательных распадов — радиоактивный ряд. В природе существуют три таких ряда, они начинаются с долгоживущих урана-238, урана-235 и тория-232 и заканчиваются стабильными изотопами свинца (206Pb, 207Pb и 208Pb соответственно). В ряду урана-238 образуются радий-226 и газ радон-222. Радон, выделяясь из горных пород, скапливается в подвалах и плохо проветриваемых помещениях первых этажей; это главный источник природного облучения человека.
Поскольку при альфа-распаде A уменьшается на 4, а при бета-распаде не меняется, число альфа-распадов в цепочке находят по изменению массового числа, а число бета-распадов — по изменению заряда (см. задание 7).
9. Ядерные реакции, деление и синтез
Ядра можно превращать и искусственно, облучая их частицами. Первую такую реакцию осуществил Резерфорд в 1919 году:
147N + 42He → 178O + 11H
Деление ядер. В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что ядро урана-235, поглотив нейтрон, раскалывается на два осколка средней массы, испуская 2–3 нейтрона и большую энергию. Испущенные нейтроны могут вызвать деление следующих ядер — возникает цепная реакция. Управляемая цепная реакция идёт в ядерных реакторах; первая в мире атомная электростанция дала ток в 1954 году в Обнинске.
Синтез лёгких ядер. В недрах Солнца при температуре около 15 млн градусов ядра водорода сливаются в ядра гелия. Энергия выделяется, потому что гелий-4 связан гораздо прочнее (дефект массы — в статье о строении атома).
10. Применение радионуклидов
- Радиоуглеродное датирование. Углерод-14 постоянно образуется в атмосфере из азота под действием нейтронов космических лучей и вместе с CO2 попадает в растения и животных. Пока организм жив, доля 14C в нём такая же, как в атмосфере; после смерти она уменьшается вдвое каждые 5730 лет. Метод позволяет определять возраст органических остатков до 50 тысяч лет. Его автор Уиллард Либби получил Нобелевскую премию 1960 года.
- Датирование горных пород — по накоплению свинца в урановых минералах или аргона в калиевых; так определили возраст Земли — 4,54 млрд лет.
- Медицина. Иод-131 накапливается в щитовидной железе и применяется для её лечения; технеций-99m (период полураспада 6 часов) — самый распространённый нуклид в радиодиагностике; кобальт-60 — для лучевой терапии.
- Метод меченых атомов. Заменяя атом в молекуле его изотопом, можно проследить путь вещества в реакции или в организме. Так с помощью кислорода-18 доказали, что кислород при фотосинтезе выделяется из воды.
11. Синтез новых элементов
Элементы тяжелее урана в природе практически не встречаются; их получают в реакторах и на ускорителях. Многие сверхтяжёлые элементы впервые синтезированы в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, в сотрудничестве с американскими лабораториями: флеровий (114), московий (115), ливерморий (116), теннессин (117) и оганесон (118). Оганесон — второй в истории элемент, названный в честь живущего учёного (первый — сиборгий). Ядра сверхтяжёлых элементов живут доли секунды, но теория предсказывает «остров стабильности» около Z = 114–120 и N = 184 — там, где сочетаются магические числа.
Повторить тему можно в уроке ЕГЭ «Атом, ядро, изотопы, ионы».
12. Типичные ошибки
| Неверно | Верно |
|---|---|
| «Изотопы — разные элементы с одинаковой массой» | Изотопы — атомы одного элемента с разной массой; атомы разных элементов с одинаковым массовым числом — изобары |
| «При бета-распаде из ядра вылетает электрон оболочки» | Электрон рождается в ядре при превращении нейтрона в протон |
| «При нагревании радиоактивный распад ускоряется» | Скорость распада от температуры и химического состояния практически не зависит |
| «Через два периода полураспада вещество распадётся полностью» | Останется четверть исходного количества |
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Какие из нуклидов — изотопы, какие — изобары, какие — изотоны: 4018Ar, 3618Ar, 4020Ca, 3919K?
Разбор
Изотопы — 40Ar и 36Ar (Z = 18). Изобары — 40Ar и 40Ca (A = 40). Изотоны: нейтронов у 40Ar 22, у 36Ar 18, у 40Ca 20, у 39K 20 — изотоны 40Ca и 39K.
Задание 2
Чем различаются атомы протия, дейтерия и трития? Почему их химические свойства почти одинаковы?
Разбор
Числом нейтронов (0, 1, 2) и массой. У всех трёх по одному протону и одному электрону; электронная оболочка одинакова, а химические свойства определяются ею.
Задание 3
Какой нуклид образуется при альфа-распаде радия-226 (Z = 88)? При бета-минус-распаде фосфора-32 (Z = 15)?
Разбор
Альфа-распад: Z = 86, A = 222 — радон-222 22286Rn. Бета-распад: Z = 16, A = 32 — сера-32 3216S.
Задание 4
Период полураспада иода-131 — 8 суток. Какая доля исходного количества останется через 24 суток? Через сколько суток останется 1/16?
Разбор
24 / 8 = 3 периода: (1/2)³ = 1/8 (12,5 %). 1/16 = (1/2)⁴ — через 4 периода, 32 суток.
Задание 5
Почему относительная атомная масса аргона больше, чем у калия, хотя аргон стоит в периодической системе раньше?
Разбор
Природный аргон почти целиком состоит из тяжёлого изотопа 40Ar, который накопился в атмосфере за счёт распада калия-40; природный калий — в основном лёгкий 39K. Элементы в таблице расположены по заряду ядра (Ar — 18, K — 19), а не по массе.
Задание 6
Допишите ядерные реакции: а) 94Be + 42He → 126C + ? б) 2713Al + 10n → ? + 42He.
Разбор
а) Сумма A: 9 + 4 − 12 = 1; сумма Z: 4 + 2 − 6 = 0 — нейтрон 10n (так Чедвик открыл нейтрон). б) A: 27 + 1 − 4 = 24; Z: 13 − 2 = 11 — натрий-24 2411Na.
Задание 7 (олимпиадное)
Уран-238 через цепочку превращений переходит в стабильный свинец-206. Сколько альфа- и бета-распадов происходит в цепочке?
Разбор
A меняется только при альфа-распаде, на 4: (238 − 206) / 4 = 8 альфа-распадов. Они уменьшают Z на 16: 92 − 16 = 76, а у свинца Z = 82. Разница 6 — это 6 бета-минус-распадов.
Задание 8 (олимпиадное)
Доля углерода-14 в деревянной ложке из захоронения составляет 25 % от доли в живой древесине. Оцените возраст ложки. Каким будет возраст при доле 40 %? T₁/₂ = 5730 лет.
Разбор
25 % = (1/2)² — 2 периода, 11 460 лет. Для 40 %: t = T₁/₂·log₂(1/0,40) = 5730·1,32 ≈ 7570 лет.
Задание 9 (олимпиадное)
При облучении висмута-209 ядрами хрома-54 образовались ядро нового элемента и один нейтрон. Определите заряд ядра и массовое число нового нуклида. Какой это элемент?
Разбор
Z = 83 + 24 = 107; A = 209 + 54 − 1 = 262 — борий-262 262107Bh. Именно этой реакцией борий получили в Германии в 1981 году.
Задание 10 (олимпиадное)
Природный уран содержит 99,27 % урана-238 и 0,72 % урана-235. Периоды полураспада 4,47 и 0,704 млрд лет. Каким было соотношение этих изотопов 2 млрд лет назад? Как это связано с открытием природного ядерного реактора в Окло (Габон)?
Разбор
Количество каждого изотопа 2 млрд лет назад: N = N_сейчас·2^(t/T). Для 238U множитель 2^(2/4,47) = 2^0,447 ≈ 1,36; для 235U — 2^(2/0,704) = 2^2,84 ≈ 7,2. Доля урана-235: 0,72·7,2 / (99,27·1,36 + 0,72·7,2) ≈ 5,2 / 140 ≈ 3,7 % от всего урана. Такая концентрация близка к обогащённому топливу современных реакторов, и 2 млрд лет назад в месторождении Окло при наличии воды-замедлителя самопроизвольно шла цепная реакция деления. Следы этого — пониженная доля урана-235 в руде — обнаружены в 1972 году.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…