В ряде случаев наряду с энергетическими требованиями на электронное строение атомов в основном состоянии оказывает влияние симметрия электронного распределения. Например, согласно указанным выше правилам, электронные формулы атомов хрома и меди в основном состоянии должны быть такими:

Однако энергетически более выгодной является конфигурация с наиболее симметричным распределением электронов d5 и d10, (наполовину и полностью застроенный d-подуровень, соответственно); происходит явление, называемое электронным перескоком: один из 4s-электронов переходит на 3d-подуровень:

1.9. Ядро атома

1.9.1. Введение

История развития теории атомного строения неразрывно связана с изучением двух компонентов атома: ядра и электронов. Однако объектом тщательного изучения атомное ядро стало лишь в 30-е годы XX столетия. Во всех предшествующих исследованиях ядро рассматривалось лишь как инертная сердцевина атома, активного во всевозможных оптических и химических явлениях исключительно за счет своих электронов.

Казалось бы, атомное ядро – объект интересов ядерной физики, в ходе химических реакций оно не претерпевает никаких изменений. Действительно, только электронная структура атома предопределяет его химическое поведение, реакционную способность вещества, в состав которого он входит.

35

Однако интерес химиков к атомному ядру не случаен. В наибольшей степени это связано с эффективным применением радиоактивных изотопов ("меченых атомов") для изучения тонких механизмов сложнейших химических превращений. Например, именно этим методом был установлен механизм фотосинтеза. Применение радиоактивных изотопов в качестве индикаторов в биохимических исследованиях внесло неоценимый вклад в развитие этой науки. Ядерная химия играет существенную роль в качественном и количественном анализе различных веществ и смесей, в установлении структуры сложных органических молекул. В качестве примера здесь можно привести такой наиболее успешно применяемый в современной химии метод исследования как метод ядерного магнитного резонанса – ЯМР. Большой интерес вызывают и химические реакции, инициируемые радиоактивным излучением (их изучает радиационная химия).

1.9.2. Характеристики атомного ядра

Атомное ядро (нуклид) построено из нуклонов – ядерных частиц – протонов и нейтронов. Авторство протонно-нейтронной теории ядра (1932 г.) разделяют В. Гейзенберг и русский ученый Д. Д. Иваненко.

Важнейшими характеристиками атомного ядра являются его заряд (Z) и

массовое число (А).

В 1913 г. молодой сотрудник Э. Резерфорда Генри Гвин Джеффрис Мозли установил соответствие между частотой спектральных линий характеристического рентгеновского излучения и порядковым номером излучающего химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Тем самым, высказанное ранее А. Ван-ден-Бруком предположение о равенстве между порядковым номером элемента и зарядом ядра его атома получило экспериментально обоснованное доказательство.

Заряд ядра (Z) определяется числом протонов, т.к. нейтроны не несут электрического заряда, и, следовательно, никакого вклада в эту характеристику

36

атомного ядра не вносят. Понятно, что в свою очередь число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Z называют также атомным номером элемента. Поскольку атом – система электронейтральная, то атомный номер элемента показывает не только число протонов в ядре его атома, но и количество электронов, окружающих ядро.

Массовое число (А) – это суммарное число протонов (Z) и нейтронов (N). Число нейтронов (N) для данного нуклида легко вычислить по разности между массовым числом (А) и числом протонов (Z):

N = A – Z.

Массовое число нуклида принято указывать в виде верхнего индекса, а атомный номер – в виде нижнего индекса слева от символа соответствующего элемента. Например, нуклид меди (атомный номер элемента 29) с массовым числом 63 обозначается символом:

63

29Cu.

Другой нуклид меди с массовым числом 65 можно обозначить следующим образом:

65

29Cu.

Поскольку атомный номер для данного химического элемента может иметь только одно единственное значение, то использование символа элемента фактически предопределяет значение его атомного номера. По этой причине его можно не приводить и использовать сокращенные обозначения нуклидов:

63Cu 65Cu.

37

1.9.3. Изотопы

Атомы одного и того же элемента (следовательно, имеющие одинаковое число протонов в ядре), различающиеся числом нейтронов в ядре, называют изотопами. Следовательно, изотопы имеют один и тот же атомный номер, но различаются массовым числом. Например, для трех изотопов углерода:

12

6C (6 протонов, 6 нейтронов)

13

6C (6 протонов, 7 нейтронов)

14

6C (6 протонов, 8 нейтронов)

Изотопы были открыты Дж. Дж. Томсоном в 1912 г. при изучении явления отклонения пучка ионов неона в электрическом и магнитном полях. Было установлено, что атомы неона существуют в трех "разновидностях", различающихся атомной массой. Последующие исследования показали, что химические свойства неона не зависят от этих различий, а, следовательно, они обусловлены разным составом ядра. Разновидности атомов одного и того же элемента, различающиеся массой атомов были названы "изотопами" ("изос" – одинаковый, "топос" – место), т.к. они занимают одно и то же место в периодической системе Д. И. Менделеева. После открытия нейтрона Дж. Чедвиком и предположения Д. Д. Иваненко о том, что атомное ядро построено из протонов и нейтронов, стало очевидным, что изотопы различаются числом нейтронов в ядре.

Все без исключения химические элементы имеют изотопы. Ныне известно 280 стабильных и 46 радиоактивных изотопов, существующих в природе. Около 1500 изотопов получено искусственным путем. Среди них более 150 изотопов трансурановых элементов.

Содержание каждого изотопа в изотопной смеси называется изотопным содержанием. Изотопное содержание указывают в процентах. Суммарное изо-

38