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 f^Cl).

Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разное число протонов в ядре, называются изобарами (например, fgK и |оСа).

Пример 1. Символ изотопа элемента ²||Э. Указать: а) название элемента;

б) число нейтронов и протонов, содержащихся в ядре; в) число электронов, со­держащихся в электронной оболочке атома.

Решение. 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 (Tjy₂) называется время, за которое рас­падается половина исходного количества радиоактивного изотопа. В течение первого периода полураспада распадается ¹/₂ часть от первоначального числа ядер изотопа No и остается V^o = 2“¹ No ядер. В течение второго периода распадается половина от 2~^] Л^го и остается ¹/г • 2^-1Л^го = 2~²No ядер и т. д. В конце n-го периода полураспада остается 2~ⁿNo ядер исходного изотопа. Аналогичное выражение справедливо для массы (тп) иераспавшегося изотопа: т = 2~^пто, где то — 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?

Решение. За время хранения радиоактивного изотопа прошло 18/3 — 6 пери­одов полураспада. Отсюда масса нераспавшегося изотопа, оставшаяся после 18 ч хранения, равна:

т = 2~^пто = 2“⁶ ■ 200 = 200/64 = 3,125 г.

К основным видам радиоактивного распада относятся а-распад, (3~- и /3^f-рас пад, 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. а-Частица — ядро атома гелия 2Не. 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: уЗ —»■ \ Не +^. ■

Р~ -Распад. /^“-Частица — электрон. /^“-Распаду предшеству­ет процесс \п —»■ Jle~ + \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:

^ЛЧ -4- ^А Ч'

Z^a ^ -I^е + Z-l^a -

Позитронный распад. /?⁺-Частица — позитрон (е⁺) — обла­дает массой электрона и зарядом, равным заряду электрона, но противоположным по знаку. Позитронному распаду предшествует ядерный процесс: \р-*\п + \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: уЭ —> ^е⁺ + Э'.

Электронный захват. При захвате ядром электрона с ближай­шего к ядру А"-слоя в ядре уменьшается число протонов вследствие протекания процесса: \р + _°е^- = $п.

Заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число оста­ется прежним. Дочернее ядро принадлежит¹ элементу (изобару исходного элемента), смещенному по отношению к материнско­му на одну клетку к началу периодической системы элементов: §Э + _?е~ —s- г-1 Э' + hv.

При переходе периферийного электрона на освободившееся в АТ-слое место выделяется энергия в виде кванта рентгеновского излучения.

Пример 3. Закончить уравнения реакций радиоактивного распада:

^а) ²|о Th —6)*i§Np^; в) *7Со г) «К ^К-^^ахаат> .

Решение:

а) Щ Th ►I Не +и| Ra; б) ™ _Np — _°е~ + ™ Pu;

в) р Со V ?е+ + 11 Fe; г) f° К +_?е“ > f° Ar +hv.

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:

1. “Cr+?D—6)»F+}p—►■-• + 7.

Решение.

а) Запишем уравнение реакции в виде:

24 “Ъ? ^ —* о^п “Ъ •

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:

24 С^г +1 D > Jn + 25 Мп .

Краткая форма записи уравнения ядерной реакции составляется по схеме: исходное ядро [бомбардирующая частица, вылетающая частица] дочернее ядро:

Ш Cr [D, п\ 1| Мп;

^б) ^F+iP —" 1^э + оТ-

Для верхних индексов: 19 + ] = А + 0; А = 20. Для нижних индексов: Q -\- 1 = Z + 0; Z = 10. Дочернее ядро Э — изотоп неона.

Полная и краткая запись уравнения ядерной реакции:

^F+lp —fgNe+7 и ^llF[p,7]?SNe

Задачи

177. Символ одного из изотопов элемента 24Э. Указать: а) на­звание элемента; б) число протонов и нейтронов в ядре; в) число электронов в электронной оболочке атома.

178. 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.

179. 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.

180. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁵С1 [75,5% (масс.)] и ³⁷С1 [24,5% (масс.)]. Вычислить среднюю атомную массу природного хлора.

181. 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.

182. Природный галлий состоит из изотопов ⁷¹ Ga и ⁶⁹ Ga. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69,72?

183. Найти массу изотопа ⁸¹Sr (T\j₂ = 8,5 ч), оставшуюся через

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

177. Вычислить процент атомов изотопа ¹²⁸I (Ti/₂ = 25 мин), оставшихся нераспавшимися после его хранения в течение 2,5 ч.

178. 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.

179. Закончить уравнения реакций радиоактивного распада:

а) ²||U б) ²ffU в) ²f|Pu г) f?Rb д) ²f₀⁴Th ^

е) Ц Мп ж) F з) "_в С и) Ti В каких случаях дочерний атом является изобаром материнского атома?

177. Какой тип радиоактивного распада наблюдается при сле­дующих превращениях: а) ²|| Ra —» ²|| Rn; б) ²|| Np —> ²|| Pu;

в) % Sm -> ¹⁴₀⁸ Nd; г) ' " Pd - ™ Ag?

177. Записать уравнения ядерных реакций: a) IsNi+jH —»? —*

-^? + £и; б) В +q7i —>? + 2 Не; в) Ц А1 +} Н -»? + |Не; г) ? + }Н^

2. Вг —»? + о п.

177. Написать полные уравнения ядерных реакций: a) goZn[p, и]?;

б) U V [а, гг]?; в) Ц Fe [D, ?] Ц Со; г) ? [а, D] f⁴ Cl; д) “ Мп [?, а] Ц V.

177. Как изменяются массовое число и заряд атома изотопа:

а) при последовательном испускании а-частицы и двух /j"-частиц;

б) при поглощении ядром двух протонов и испускании двух ней­тронов; в) при поглощении одной а-частицы и выбрасывании двух дейтронов?

177. Сколько а- и /3“-частиц должно было потерять ядро ²²⁰Ra для получения дочернего элемента с массовым числом 206, принад­лежащего IV группе периодической системы элементов? Назвать этот элемент.

178. Ядро атома изотопа ²gfU в результате радиоактивного рас­пада превратилось в ядро ²g|Ra. Сколько а- и /3“-частиц испустило при этом исходное ядро?

Вопросы для самоконтроля

177. 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?

178. 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?

177. Как изменятся массовое число и заряд атома при испуска­нии одной а-частицы и двух /?“-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?

177. Фотон жесткого 7-излучения выбивает из ядра j^Mg протон.

При этом образуется: а) ядро-изотоп б) ядро-изобар ?lMg;

в) ядро-изотоп fjNa; г) ядро-изобар ffNa.

177. К какому радиоактивному семейству относится изотоп ²⁰⁷Pb: a) ²³²Th; б) ²³⁷Np; в) ²²⁷Ас; г) ²³⁸U?

178. Может ли в природе находиться изотоп ²²²Rn с ^ = = 3,2 дня: а) да; б) нет?

Потому что: 1) период полураспада этого изотопа много мень- дге времени существования Земли; 2) этот изотоп является членом радиоактивного семейства; 3) у радона есть более долгоживующие изотопы.