3. Изотопы, изобары, изомеры. Стабильные и нестабильные изотопы.

Большинство химических элементов в природе представлены в виде смеси атомов с разным числом нейтронов в их

ядрах, но одинаковым количеством протонов.

Изотопы (isos — одинаковый, topos — место) - атомы с одинаковым числом протонов (т. е. с одинаковым зарядом Z), но различные по числу нейтронов. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д. И. Менделеева, но разное массовое число А (рис. 4). Поскольку заряды ядер этих атомов одинаковые, электронные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам и спектрам. Большинство (71 из 90) природных элементов представляет собой смесь 2...10 (для олова) изотопов. Причем обычно преобладает какой-то один изотоп, а остальные составляют доли процентов.

Например, природный калий состоит из трех изотопов:

39 40 41

19 19 19 K—93,08%; K—0,0119%; K—6,91%.

Изомеры - элементы, ядра которых имеют одинаковое массовое (А) и зарядовое (Z) число, но отличаются по уровню энергии, называют. Про изомер с избытком энергии говорят, что он находится в метастабильном состоянии. Символически такое состояние обозначают латинской буквой m, поставленной рядом с массовым числом (^80mBr). Отдавая излишек энергии, метастабильный бром совершает изомерный переход в основное состояние.

Изобары – атомы, атомные ядра разных элементов с одинаковым массовым числом (А), но с различным атомным

номером (Z), например,

40 40 40

18 19 20 Ar, K, Ca).

Изотоны - Атомные ядра разных элементов с равным количеством нейтронов называют изотонами, например

13 14

6 7 Cи N. В ядрах углерода и азота по семь нейтронов, но разное количество протонов. Эти элементы разные по химическим, но близкие по физическим свойствам.

4. Явление радиоактивности. Естественная и искусственная радиоактивность.

Крупнейшие открытия:

• В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения через стеклянный баллон с разреженным воздухом.

• 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают невидимые лучи, вызывающие почернение фотопластинки и флуоресценцию некоторых веществ.

• В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Складовская-Кюри открыли еще два элемента — полоний и радий, которые давали подобные излучения, но интенсивность их во много раз превышала интенсивность излучения урана. Впоследствии были установлены свойства этих излучений и определена их природа. Кроме того, было обнаружено, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию в виде теплоты.

Вещества, испускающие излучения, — радиоактивные (от лат. radius — луч и activus — действенный).

Явление самопроизвольного излучения – радиоактивность.

Радиоактивность — это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно (т. е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным.

Само явление называется радиоактивным распадом. Таким образом, радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), — искусственной радиоактивностью. Однако деление это условно, так как оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ И РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА

Впервые естественная радиоактивность была обнаружена в 1986 г. французским ученым Анри Беккерелем, который показал, что соли урана самопроизвольно испускают лучи, способные, подобно рентгеновским лучам, проходить

через черную бумагу и засвечивать фотопластинку.

В условиях солнечной системы и Земли стабильные и естественно-радиоактивные изотопы образовались несколько миллиардов лет назад, и продолжают образовываться вследствие радиоактивного распада и под влиянием космического излучения.

Радиоактивные элементы распространены в природе в ничтожных количествах. Они содержатся в твердых породах

земной коры, в воде, воздухе, а также в растительных и животных организмах, в которые они попадают из окружающей

среды. В земной коре естественно-радиоактивные элементы есть преимущественно в урановых рудах, и почти все они являются изотопами тяжелых элементов с атомным номером

более 83.

Ядра тяжелых элементов неустойчивы. Они претерпевают в ряде случаев многократные последовательные ядерные

превращения. В результате возникает целая цепочка радиоактивных распадов, в которой изотопы оказываются генети_

чески связанными между собой.

Такая цепочка — совокупность всех изотопов ряда элементов, возникающих в результате последовательных радиоактивных превращений из одного материнского элемента, называется радиоактивным семейством или рядом. Семейства названы по первым элементам, с которых начинаются радиоактивные превращения, т. е. по их родоначальникам.

В настоящее время известно три естественно-радиоактивных семейства:

1. урана–радия 238

92 (Ra), Исходный элемент семейства урана в результате 14 последовательных радиоактивных превращений (8- и 6 -распадов) переходит в устойчивый изотоп свинца 206

82 Pb.

Поскольку это семейство включает в себя важный радиоактивный элемент — радий, а также продукты его распада, то оно часто обозначается как семейство урана–радия.

2. урана–тория 232

90(Th), Родоначальник семейства тория путем 10 последовательных превращений (6 - и 4 -распадов) переходит в стабильный изотоп свинца 208

82 Pb.

3. урана–актиния 235

89( Ac). Родоначальником семейства актиния является элемент, который раньше называли актиноураном AcU. Путем 11 превращений (7 - и 4 -распадов) переходит в стабильный изотоп свинца 206

82 Pb.

Родоначальники всех семейств являются долгоживущими изотопами. Период полураспада у них порядка 10⁸...10¹⁰ лет.

Немаловажным естественным радионуклидом является ⁴⁰K. Он находится во всех живых тканях. Например, в человеке массой 70 кг содержится 140 г естественных изотопов калия, среди которых и K_40, который создает годовую

дозу — 0,18 мЗв.

Естественными источниками радиоактивности внеземного происхождения являются радионуклиды ¹⁴С и ³Н. Они непрерывно образуются в космосе в результате ядерных реакций и создают годовую дозу облучения— 0,015 мЗв.

Таким образом, естественные радиоактивные элементы условно можно разделить на три группы:

• входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран, торий и актиноуран;

• не входящие в состав радиоактивных семейств (⁴⁰K, ⁴⁸Са, и др.);

• элементы, непрерывно возникающие под действием космических лучей (¹⁴С, ³Н).