2. Строение атомных ядер. Радиоактивность.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Приводимые в этом разделе химические символы обозначают

не атомы элементов, а их .ядра. Нижний индекс указывает заряд

ядра, численно совпадающий с номером элемента в периодической

системе элементов, верхний — массовое число А, представляющее

собой сумму Z + N, где Z — число протонов (р) в ядре, определяющее

заряд ядра, а N — число нейтронов (п) в ядре. Ядра

всех атомов данного элемента имеют одинаковый заряд, т. е. содержат

одно и то же число протонов; число нейтронов может быть

различным.

Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разными массовыми

числами, называются изотопами (например, ffCl и 17CI).

Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разное число

протонов в ядре, называются изобарами (например, j°K

Пример 1. Символ изотопа элемента 23>§Э. Указать: а) название элемента;

б) число нейтронов и протонов, содержащихся в ядре; в) число электронов, содержащихся

в электронной оболочке атома.

Р е ш е н и е . Заряд ядра атома искомого элемента 92 численно совпадает с номером

элемента в периодической системе. Элемент № 92 — уран, символ — U.

Число нейтронов в данном ядре N = А — Z = 238 — 92 = 146.

Число электронов в атоме равно заряду ядра; в данном случае число электронов

равно 92.

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивого

изотопа одного химического элемента в изотоп другого

элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц

или ядер.

Периодом полураспада (Ti,) называется время, за которое распадается

половина исходного количества радиоактивного изотопа.

В течение первого периода полураспада распадается !/2 часть от

первоначального числа ядер изотопа iV0 и остается ifeNo = 2~1NQ

ядер. В течение второго периода распадается половина от 2~xNo

и остается 1/2-'2~1NQ = 2~~2No ядер и т. д. В конце n-го периода

полураспада остается 2~nN0 ядер исходного изотопа. Аналогичное

выражение справедливо для массы (т) нераспавшегося изотопа:

т = 2~пто, где т о — исходная масса изотопа.

Пример 2. Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа равен

3 ч. Какая масса его останется нераспавшейся через 18 ч, если первоначальная

масса изотопа составляла 200 г?

Р е ш е н и е . За время хранения радиоактивного изотопа прошло 18/3 = 6 периодов

полураспада. Отсюда масса нераспавшегося изотопа, оставшаяся после 18 ч

хранения, равна:

га = 2 " " т 0 = 2~6 • 200 = 200/64 = 3,125 г.

К основным видам радиоактивного распада относятся си-распад,

fir- и fi+ -распад, электронный захват и спонтанное деление. Часто

эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием 7_

лучей, т. е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного

излучения.

а-Распад. сс-Частица — ядро атома гелия jHe. При испускании

а-частицы ядро теряет два протона и два нейтрона, следовательно,

заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4. Дочернее

ядро принадлежит элементу, смещенному в периодической системе

на две клетки к началу системы по отношению к материнскому

элементу: | Э -+ | Н е + ^ Э ' .

fi~-Распад. /3~-Частица — электрон. /З^-Распаду предшествует

процесс \п —у _\е~~ + \р, протекающий в ядре; таким образом,

при испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу,

а массовое число не изменяется. Дочернее ядро — изобар исходного

— принадлежит элементу, смещенному на одну клетку ,

к концу периодической системы от места материнского элемента:

Za ^ - I е + Z-\a •

Позитронпый распад. /3+-Частица — позитрон (е+) — обладает

массой электрона и зарядом, равным заряду электрона, но

противоположным по знаку. Позитронному распаду предшествует

ядерный процесс: \р —*• Jra + °е+. Число протонов в ядре при по-

зитронном распаде уменьшается на единицу, а массовое число не

изменяется. Образующееся ядро — изобар исходного ядра — принадлежит

элементу, смещенному от материнского элемента на одну

клетку к началу периодической системы: ^Э —• ?е+ + %_ХЭ'.

Электронный захват. При захвате ядром электрона с ближайшего

к ядру А'-слоя в ядре уменьшается число протонов вследствие

протекания процесса: \р+ _\е~ = Jn.

Заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остается

прежним. Дочернее ядро принадлежит' элементу (изобару

исходного элемента), смещенному по отношению к материнскому

на одну клетку к началу периодической системы элементов:

§Э + _°е- - • 2 _ 1Э' + /и/.

При переходе периферийного электрона на освободившееся в

К-слое место выделяется энергия в виде кванта рентгеновского

излучения.

Пример 3. Закончить уравнения реакций радиоактивного распада:

B ) 6 5 C o i i . г)4 0 К К-захвах,

Р е ш е н и е :

а) *fg Th — | Не + 2 | | Ra; б) *39 N p _ ^ _ о е - + 239 Р ц .

в) Щ Со —, ?е+ + Ц Fe; г) *§ К +_\е~ —> fg Ar +hu .

Уравнения ядерных реакций (в том числе и реакций радиоактивного

распада) должны удовлетворять правилу равенства сумм

индексов: а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию,

равна сумме массовых чисел частиц — продуктов реакции; при

этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются;

б) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию, и частиц —

продуктов реакции равны между собой.

Пример 4. Закончить уравнения ядерных реакций:

a)Sf,Cr+?D—>&„ + ...; 6)™F+lp^... + 1 .

Р е ш е н и е .

а) Запишем уравнение реакции в виде:

iiCr+fD —£п + £э.

Для верхних индексов: 53 + 2 = 1 + А, тогда А — 54. Для нижних идексов:

24 + 1 = 0 + Z, отсюда Z = 25.

Образующееся ядро ^ Э — изотоп марганца. Полная запись уравнения реакции:

|3Cr+2D_ln + 54Mn

Краткая форма записи уравнения ядерной реакции составляется по схеме:

исходное ядро [бомбардирующая частица, вылетающая частица] дочернее ядро:

Ц Cr [D, n] U Мп ;

6 ) 1 | F + 1 P —ЙЭ + 8-Г-

Для верхних индексов: 19 + 1 = А + 0; А = 20. Для нижних индексов:

9 + 1 = Z + 0; Z = 10. Дочернее ядро |дЭ — изотоп неона.

Полная и краткая запись уравнения ядерной реакции:

«F+lp_»20Ne+7 и 19 р ^ 7]'20Ne

3 а д а чи

206. Символ одного из изотопов элемента ЦЭ. Указать: а) название

элемента; б) число протонов и нейтронов в ядре; в) число

электронов в электронной оболочке атома.

207. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а

электронная оболочка этого атома — 15 электронов. Назвать элемент,

изотопом которого является данный атом. Привести запись

его символа с указанием заряда ядра и массового числа.

208. Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в

электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать

число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.

209. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов

35С1 [75,5% (масс.)] и 37С1 [24,5% (масс.)]. Вычислить среднюю

атомную массу природного хлора.

210. Природный магний состоит из изотопов 24Mg, 25Mg и 26Mg.

Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание

отдельных изотопов в атомных процентах соответственно

равно 78,6, 10,1 и 11,3.

211. Природный галлий состоит из изотопов 71Ga и 69Ga. В

каком количественном соотношении находятся между собой числа

атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна

69,72?

212. Найти массу изотопа 81Sr (T\, = 8,5 ч), оставшуюся через

25,5 ч хранения, если первоначальная масса его составляла 200 мг.

213. Вычислить процент атомов изотопа 1281 {Т\и = 25 мин),

оставшихся нераспавшимися после его хранения в течение 2,5 ч.

214. Период полураспада /^"-радиоактивного изотопа 24Na равен

14,8 ч. Написать уравнение реакции распада и вычислить,

сколько граммов дочернего продукта образуется из 24 г 24Na

за 29,6 ч.

215. Закончить уравнения реакций радиоактивного распада:

а\ 238тт_« • РЛ 235тт_« . _\ 239 й р . , _« . _\ 86 т>>, £ \ . _\ 234 Т ь Р ) 92 U N ° ) 92 U N в ] 94 F u N т) 3 7 K D N &) 90 i f l N

е) j 7Mn ^ > ; ж) 18 F -^>; з) ^ С -^»; и) f2 Ti ^ > . В каких случаях

дочерний атом является изобаром материнского атома?

216. Какой тип радиоактивного распада наблюдается при следующих

превращениях: а) 2 | | Ra —> 222Rn; б) 2 | | Np —• 2|fPu;

в) 1

6

52 Sm -+ 14

0

8 Nd; г) ™ Pd - . ^ Ag?

217. Записать уравнения ядерных реакций: a) ^ N i + j H —>? —•

->?+Jn; б) 1§B+Jn->? + |He; в) ЦA1+JH ->? + |Не; г) ? + \Н ->

^ 35-°г ^ - + 0""

218. Написать полные уравнения ядерных реакций: a) 3oZn[p, п]?;

б) Ц V [а, тг]?; в) |° Fe [D, ?] « Со; г) ? [а, Г>] ?4 С1; д) Ц Мп [?, а] Ц V.

219. Как изменяются массовое число и заряд атома изотопа:

а) при последовательном испускании а-частицы и двух /3~ -частиц;

б) при поглощении ядром двух протонов и испускании двух нейтронов;

в) при поглощении одной а-частицы и выбрасывании двух

дейтронов?

220. Сколько а- и /3~-частиц должно было потерять ядро 226Ra

для получения дочернего элемента с массовым числом 206, принадлежащего

IV группе периодической системы элементов? Назвать

этот элемент.

221. Ядро атома изотопа 2 | |U в результате радиоактивного распада

превратилось в ядро 2fjRa. Сколько а- и /3~-частиц испустило

при этом исходное ядро?

Вопросы для самоконтроля

222. Изотоп 40К превращается в изотоп 40Са. Какой тип радиоактивного

распада при этом реализуется: а) а-распад; б) /3~-

распад; в) /3+ -распад; г) захват электрона; д) спонтанное деление?

223. Какой тип радиоактивного распада приведет к образованию

дочернего ядра, являющегося изобаром по отношению к исходному

ядру: а) а-распад; б) /3~-распад; в) /3+-распад; г) захват электрона;

д) ни один из этих процессов?

224. Как изменятся массовое число и заряд атома при испускании

одной а-частицы и двух /3~ -частиц: а) заряд уменьшится на 2,

а массовое число — на 4; б) заряд увеличится на 2, а массовое

число уменьшится на 4; в) заряд не изменится, а массовое число

уменьшится на 4; г) ни заряд, ни массовое число не изменятся?

225. Фотон жесткого 7-излучения выбивает из ядра 2|Mg протон.

При этом образуется: а) ядро-изотоп 2;>Mg; б) ядро-изобар i^Mg;

в) ядро-изотоп fjNa; г) ядро-изобар f^Na.

226. К какому радиоактивному семейству относится изотоп

207Pb: a) 232Th; б) 237Np; в) 227Ас; г) 238U?

227. Может ли в природе находиться изотоп 222Rn с 7V =

= 3,2 дня: а) да; б) нет?

Потому что: 1) период полураспада этого изотопа много мень-

ще времени существования Земли; 2) этот изотоп является членом

радиоактивного семейства; 3) у радона есть более долгоживующие

изотопы.