4.Какую роль в установке на рисунке 1 играет свинцовая пластина?

5.Составьте схему последовательности открытий, которые привели к модели атома Бора.

6.* Воспользовавшись воспоминаниями одного из организаторов Съезда химиков в Карлсруэ Ш. А. Вюрца (http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/karlsruhe.html; английский язык), сформулируйте аргументы за и против атомистической гипотезы.

Японимаю историческую логику развития представлений о строении атома.

Ямогу объяснить недостатки разных моделей строения атома

Практическая работа 1. Изучение спектров газов

Обборудование Газоразрядные трубки с источниками питания, спектроскоп.

1.Изучите в спектроскоп спектры излучения ламп накаливания, газов

вэлектрическом разряде, разных источников света. Какие источники дают линейчатый спектр, а какие — непрерывный?

2.Считая, что линии в видимом спектре водорода соответствуют переходам электронов на второй энергетический уровень с более высоких, оцените разницу в энергии между этими уровнями. Соответствие частот и цветов найдите в Интернете.

3.Изучите спектры ламп, висящих в классе и в коридоре школы, а также других видимых источников света. По спектрам определите, относятся ли они к люминесцентным (газоразрядным) лампам, лампам накаливания или светодиодным лампам.

4.Отчёт о работе оформите в виде таблицы.

Язнаю что такое спектр излучения и как он связан с энергетическими

уровнями электронов

8

• Что такое радиоактивны й распад?

Строение атомного ядра. В 1914—1915 гг. было обнаружено, что при прохождении a-частиц через газообразный водород образуются положи-

тельно заряженные частицы с массой, как у атома водорода. Их назвали H-частицами. Было также обнаружено, что эти частицы испускаются под действием a-частиц и соединениями, не содержащими водорода, в част-

ности кварцем и никелем. В 1919 г. Резерфорд подробно изучил образование H-частиц и по распределению углов и скоростей H-частиц сделал вывод, что положительный заряд распределён в a-частице неравномерно. На основе выбивания H-частиц a-частицами из атомов азота и других атомов

он предположил, что ядро состоит из ядер атомов водорода и так называемых «ядерных электронов», причём электронов в ядре меньше. Чуть позже для ядра атома водорода был предложен термин протон.

В 1932 г. Дж. Чедвик исследовал лучи с высокой проникающей способностью, возникающие при облучении бериллия a-частицами. Он сделал вы-

вод, что эти лучи представляют собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Чедвик назвал эти частицы нейтронами. Практически сразу после этого Вернер Гейзенберг и Дмитрий Дмитриевич Иваненко независимо друг от друга предложили протон-нейтронную модель ядра взамен протон-электронной. Эта модель считается общепринятой

внастоящее время.

Всоответствии с этой моделью ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Число протонов в ядре нейтрального атома равно числу электронов в электронной оболочке этого атома.

Химический элемент. Одно из важнейших понятий в химии — хими-

ческий элемент.

ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — это вид атомов (химически не связанных

друг с другом) с одинаковым положительным зарядом ядра.

Заряд ядра элемента определяется числом протонов (p) в ядре. Число протонов в ядре соответствует порядковому номеру элемента в

периодической таблице Д. И. Менделеева, т. е. его атомному номеру.

В 1913 г. Генри Мозли показал, что частота колебаний определённых линий в рентгеновском спектре простых веществ пропорциональна атомному номеру элемента. Это и позволило предположить, что заряд ядра соответствует атомному номеру.

9

Атомный номер обозначают латинской буквой Z и указывают слева внизу от символа элемента, например 26Fe, 8О, 6С.

Сколько протонов в ядре атома He? Ca? U? Сколько электронов в атоме Cr? Fe? Mg?

Если число протонов в ядре — величина постоянная для атомов данного химического элемента, то число нейтронов (n) в ядрах атомов одного и того же элемента может различаться. Например, в атомах железа может содержаться как 28, так и 30, 31 или 32 нейтрона.

Сумму протонов и нейтронов в ядре атома элемента называют

МАССОВЫМ ЧИСЛОМ.

Массовое число обозначают латинской буквой А и указывают слева вверху от символа элемента, например 56Fe.

Вид атомов характеризующихся определённым массовым числом и

определённым атомным номером, называют НУКЛИДОМ.

Могут ли быть одинаковые нуклиды у разных элементов? разные нуклиды у одинаковых элементов?

Чтобы определить число нейтронов в ядре атома элемента, надо из значения массового числа А вычесть значение атомного номера элемента Z. Например, в ядре нуклида кислорода с массовым числом 18 содержится восемь протонов (так как порядковый номер кислорода 8). Число нейтронов составит: 18 – 8 = 10.

Сколько протонов и нейтронов в ядре нуклида гелия с массовым числом 3?

Нуклиды обозначают символом элемента с указанием его массового числа, например 16О (кислород-16), 12С (углерод-12), 14С (углерод-14), 131I (иод-131). Иногда слева внизу от символа элемента указывают и число протонов (атомный номер):

массовое число 222Rn порядковый номер 86

Всего к настоящему времени известно более 3000 различных нуклидов. Нуклиды бывают стабильными и радиоактивными. Радиоактивные нуклиды называют радионуклидами. Ядра таких нуклидов могут самопроизвольно распадаться. Некоторые элементы, например золото, имеют лишь один стабильный нуклид, а у олова десять стабильных нуклидов. У многих элементов все нуклиды радиоактивны (например, у всех элементов, имеющих атомный номер больше, чем у свинца).

10

Нуклиды одного элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре,

но разные массовые числа, называют ИЗОТОПАМИ.

Термин «изотопы» (от греч. «изос» — одинаковый и «топос» — место) означает, что все изотопы занимают одно и то же место (клетку) в таблице Менделеева.

Некоторые элементы (фтор, натрий, алюминий) имеют лишь один природный нуклид (19F, 23Na, 27Al), другие — несколько. Рекорд принадлежит олову: 18 природных изотопов.

Протон. Нейтрон. Химический элемент. Заряд ядра. Атомный номер. Массовое число. Нуклид. Радионуклид. Изотопы

1.В ядре атома кислорода 8 протонов. Сколько электронов в атоме кислорода?

2.В нейтральном атоме азота 7 электронов. Сколько протонов в его ядре?

3.Рассчитайте массовое число нуклида, в ядре которого: а) 15p и 16n; б) 21p и 23n.

4.Сколько протонов и нейтронов в ядре нуклида: а) 56Fe; б) 56Ni; в) 57Ni?

5.Что такое химический элемент с точки зрения состава атомного ядра? Чем различаются элементы?

6.Что отражает атомный номер элемента?

7.Что такое массовое число? Можно ли говорить о массовом числе химического элемента? Что называют нуклидом?

Язнаю чем различаются понятия «изотоп» и «нуклид»

Яумею определять массовое число, заряд ядра, число протонов, число

нейтронов у конкретного нуклида

11

ипроблема их разделения

•Что такое изотопы и чем они различаются?

•Что называют реагента ми? продуктами?

•На каком свойстве ионооббменных смол осн овано их использование?

Использование отдельных изотопов — важное направление в современной науке и технологиях. Иногда используют специфические свойства их ядер, проявляющиеся в ядерных реакциях, а иногда, наоборот, химическое сходство изотопов друг с другом.

Использование ядерных свойств изотопов. Из ядерных свойств важнее всего ядерный распад и ядерный синтез, ибо эти свойства используют для получении огромных количеств энергии. Например, при взрыве атомной бомбы происходит распад ядер 235U или 239Pu, а при взрыве тротила — химическое разложение. При ядерном взрыве 10 кг урана (что может уместиться в коробку из-под обуви) выделяется столько же энергии, сколько при химической реакции — взрыве 20 000 т (300 вагонов!) тротила. Хотя в ядерных реакциях тоже происходит превращение веществ, их изучает не химия, а ядерная физика, поэтому химики могут считать атомы химически неделимыми частицами.

Процессы ядерного синтеза (слияния ядер водорода в более тяжёлые ядра) протекают на Солнце и обеспечивают его энергией. Если бы человечество научилось проводить такой синтез в контролируемых условиях, то оно обеспечило бы себя практически неисчерпаемым источником энергии. Однако, чтобы преодолеть отталкивание ядер, для ядерного синтеза требуются температуры в миллионы градусов. Их удаётся достигнуть в термоядерной бомбе (неуправляемый процесс), но управлять термоядерным синтезом до сих пор не научились.

Использование химического сходства изотопов. Химическое сходство изотопов используют в первую очередь в так называемом методе меченых атомов. Если химиков интересует механизм реакции, они в качестве одного из реагентов вводят вещество, содержащее радиоактивный изотоп, и следят, в какой из продуктов он попадёт. Так было обнаружено, что в процессе фотосинтеза свободный кислород выделяется из воды, а не из углекислого газа.

Некоторые вещества избирательно накапливаются некоторыми раковыми опухолями. Если в организм ввести эти вещества, содержащие радиоактивный изотоп, излучение способно убить клетки опухоли. К сожалению, этот метод работает не всегда.

12

Радиоактивные изотопы можно использовать для определения возраста материала. Например, при облучении атмосферного азота-14 космическими нейтронами образуется так называемый радиоуглерод 14С. Его период полураспада равен 5700 лет. Вместе с углеродом 12С он усваивается растениями в процессе фотосинтеза и постепенно распадается. Со временем отношение 14С/12С в растительных остатках уменьшается, а значит, по этому соотношению можно датировать растительные остатки возрастом до 50 тыс. лет (т. е. пока весь радиоуглерод не распадётся).

Несмотря на то что химические свойства изотопов почти неразличимы, небольшие различия всё-таки существуют. Из-за этого соотношение стабильных изотопов в разных природных средах немного различается. С одной стороны, это затрудняет точное определение относительной атомной массы элемента, с другой — позволяет определять происхождение тех или иных природных объектов. Например, по соотношению 34S/36S в тканях животного можно определить, какой пищей оно питалось (растительной, наземными или водными животными).

Методы разделения изотопов. Для использования отдельных изотопов их приходится выделять из природной смеси. Например, нуклид урана 235U способен к цепной реакции ядерного распада (эта реакция, начавшись единожды, производит продукты, которые вызывают такую же реакцию), которая происходит в атомной бомбе и ядерных реакторах. Однако примеси 238U прерывают эту реакцию, поэтому необходимо очищать 235U от примесей 238U. В природной смеси нуклидов урана 235U в 140 раз меньше, чем 238U, поэтому разделение изотопов — серьёзная проблема. Чаще всего используют следующие методы:

•центрифужный: газообразное соединение элемента раскручивают в газовой центрифуге. Соединение с более тяжёлым изотопом отходит дальше от оси вращения;

•мембранный: газообразное соединение элемента пропускают через

специальные мембраны. Соединение лёгкого изотопа проходит чуть легче, чем соединение тяжёлого;

• ионообменный: раствор ионного соединения пропускают через ионо-

обменные смолы. Одни изотопы проходят чуть легче, чем другие.

В любом случае на каждой ступени происходит очень незначительное обогащение фракций тем или иным изотопом. Поэтому процесс приходится повторять многократно и тратить на него много энергии. Так, заводы по разделению изотопов урана занимают площади в несколько квадратных километров.

Метод меченых атомов

13

1.Как можно экспериментально определить соотношение изотопов в веще-

стве?

2.Природный бром содержит два изотопа: 79Br и 81Br. Зная относительную атомную массу брома, рассчитайте соотношение этих двух изотопов.

3.По содержанию в воздухе нуклида 222Rn (период полураспада 3,85 суток) можно определить, откуда этот воздух — с океанов или с материка. В каком воздухе содержание этого нуклида выше? Ответ обоснуйте.

4.Можно ли радиоуглеродным методом определять возраст останков живот-

ных?

5.Почему радиоуглеродным методом нельзя определить возраст старше 50 тысяч лет?

6.Используя Интернет, составьте список факторов, которые искажают возраст, определённый радиоуглеродным методом.

Язнаю как используют изотопы в науке и технике

Ямогу объяснить принципы, на которых основано разделение смеси изо-

топов

14