1 Общая радиохимия глава 2

ПОВЕДЕНИЕ ИЗОТОПНЫХ ЧАСТИЦ

Под изотопными частицами понимают атомы, ионы и молекулы, отличающиеся по изотопному составу.

Известно, что химические системы, содержащие атомы стабильных элементов, сохраняют неизменным свой изотопный и элементный состав, тогда как элементный и изотопный состав систем, включающих радиоактивные нуклиды, является функцией времени. Возникает вопрос, сказывается ли изменение изотопного состава во времени на поведении элемента в целом, т. е. возможно ли изучать свойства элемента на основании исследования свойств любой совокупности его изотопов (в том числе и какого-нибудь одного из них). Для решения этого вопроса необходимо рассмотреть поведение изотопных частиц. При этом следует четко разграничивать два аспекта: ядерно-физический и химический. Известно, что ядерно-физические свойства изотопов различаются чрезвычайно сильно. Это относится к распространенности изотопов, энергии связи нуклонов в ядрах, сечению ядерных реакций, характеру и энергиям радиоактивного распада и т. д. Химический аспект включает вопросы общехимического, термодинамического и кинетического поведения изотопных частиц.

§ 1. Общехимические свойства изотопных частиц

Под общехимическим поведением изотопных частиц понимают характер и условия протекания реакций, в которых участвуют такие частицы, а также, качественный и количественный состав соединений, образующихся при определенных условиях.

     Известно, что свойства элемента в целом прежде всего определяются структурой внешних и внутренних электронных оболочек. Резкое различие свойств элементов одного и того же периода обусловлено неодинаковым числом электронов во внешних оболочках атомов. Близкие, хотя и различающиеся свойства элементов одной и той же подгруппы данной группы периодической системы определяются неодинаковой структурой внутренних электронных оболочек. Изотопы одного и того же элемента характеризуются полной идентичностью строения как внешних, так и внутренних электронных оболочек.

     Помимо структуры электронных оболочек, свойства элемента определяются также энергетическим состоянием электронов его атома. Причиной различного энергетического состояния электронов изотопных атомов, у которых заряд ядра одинаков, может быть лишь различие масс ядер.

     Расчет энергии электронов Е для случая неподвижного ядра водородоподобного атома осуществляется с помощью уравнения Шредингера:

     ² + 2m_e/² ( E + Ze²/r ) = 0

где  - оператор Лапласа;  - волновая функция электрона, определяющая вероятность нахождения электрона в данной точке; m_e — масса электрона;  = h/2, где h—постоянная Планка; Z— эффективный заряд ядра; е — заряд электрона; r — радиус орбиты. Ядро движется вокруг общего центра тяжести системы ядро— электрон. Вокруг этого же центра движется и электрон. Известно, что рассмотрение движения системы двух частиц можно заменить рассмотрением движения одной фиктивной частицы, обладающей приведенной массой (расположенной от неподвижного центра на расстоянии, равном расстоянию между частицами):

      = Mm_e/( M + m_e )

где М—масса ядра, —приведенная масса системы ядро—электрон. С учетом движения ядра уравнение Шредингера можно записать

     ² + 2/²( E + Ze²/r ) = 0

     Решение этого уравнения имеет вид

     E = -e⁴Z²/2²n²

где n—главное квантовое число.

     Если имеется два изотопа элемента с массами M₁ и М₂ приведенные массы которых

     ₁ = M₁m_e/(M₁ + m_e) и ₂ = M₂m_e/(M₂ + m_e)

то энергии электронов на определенном электронном уровне атомов этих изотопов соответственно

     E₁ = -₁e⁴Z²/2²n² и E₂ = -₂e⁴Z²/2²n²

Отношение этих энергий

     

Для изотопов водорода с атомными массами 1 и 3 это отношение составляет 0,9996371, а для изотопов технеция (наиболее легкого радиоактивного элемента) с массовыми числами 98 и 99 оно равно 0,9999999.

     Таким образом, строение электронных оболочек изотопных атомов и энергетическое состояние электронов на этих оболочках практически одинаковы. Это определяет идентичность общехимических свойств изотопов всех без исключения элементов периодической системы (в том числе и наиболее легких).