4.2 Изотопы

Изотопы (от изо... и греч. tópos — место) - разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома. Место химического элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке нейтрального атома или, или равным ему числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона.

Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А = Z + N называется массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный дипольный момент и некоторые другие его свойства.

Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов называются изотопы. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.

Ядра химических элементов обозначают символом ^A_ZX или _ZX^A, где X – химический символ элемента. Например;

1Н1 2Не4

- Водород - Гелий

8О16 6С12

- Кислород - Углерод

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической таблице Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

4.3 Атом водорода

Простейший из атомов - атом водорода достаточно хорошо изучен экспериментально. Он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона

Обыкновенный водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: лёгкого водорода, или протия (¹H), имеющего в ядре только один протон (рисунок 6.), и тяжёлого водорода, или дейтерия (²H, или D), в ядре которого кроме протона имеется один нейтрон (рисунок 7.). В природных соединениях водорода на 1 атом ²H приходится в среднем 6800 атомов ¹H.

Искусственно получен радиоактивный изотоп — сверхтяжёлый водород, или тритий (³H, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T_1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10^-15% от общего числа атомов водорода). В ядре трития (рисунок 8.), кроме одного протона находится два нейтрона.

Также получен крайне неустойчивый изотоп ⁴H (рисунок 9.), в ядре которого кроме протона находится три нейтрона. Массовые числа изотопов ¹H, ²H, ³H и ⁴H, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия — 1 протон и 1 нейтрон, трития — 1 протон и 2 нейтрона, ⁴H — 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.

Атом водорода имеет наиболее простое строение по сравнению с атомами всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом водорода может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н^-; при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв.