Химия. Абакумова Н.А. - 17 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

∆Е = ∆mc
2
. Чем больше ∆m, тем больше энергия связи между частицами в ядре и тем выше его устойчивость. Благодаря
большим значениям ∆m для ядерных реакций применим не закон сохранения массы, а общий закон сохранения материи:
Σm + ΣE = const.
Ядерные реакции: первая ядерная реакция была осуществлена бомбардировкой α-частицами (ядра атома гелия) ато-
мов азота и привела к открытию протона (Э. Резерфорд, 1919):
14
7
N +
4
2
He = (
18
9
F) =
17
8
O +
1
1
H. Уравнение этой же реак-
ции в общепринятой краткой символике:
14
7
N(α, р),
17
8
O, т.е. указывается: ядро-мишень, бомбардирующая частица («сна-
ряд»), вылетающая частица и образовавшееся ядро. Большая часть ядерных реакций протекает в две стадии: 1) захват
«снаряда» ядром-мишенью и 2) распад неустойчивого продукта захвата с образованием конечного ядра – продукта реак-
ции.
Радиоактивность – это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изо-
топ другого, которое сопровождается испусканием элементарных частиц или ядер (например, ядер атома гелия). Явление
радиоактивности, открытое А. Беккерелем (1896), было объяснено Э. Резерфордом и Ф. Содди (1903). Радиоактивными
называют элементы, все изотопы которых радиоактивны: технеций
43
Тс, прометий
61
Pm и все элементы конца периодиче-
ской системы, начиная с полония
84
Ро. Есть элементы, которые кроме стабильных изотопов, например
39
K,
86
Rb,
139
La,
имеют радиоактивные долгоживущие изотопы
40
K,
87
Rb,
138
La.
Согласно правилу смещения (Ф. Содди и К. Фаянс, 1913) образующийся при радиоактивном распаде элемент оказы-
вается смещенным относительно исходного или в направлении начала периодической системы, если выбрасываемая
ядром частица имеет положительный заряд, или в направлении конца периодической системы, если выбрасываемая час-
тица заряжена отрицательно. Число клеток, на которое происходит смещение (изменение порядкового номера), равно
числу зарядов выбрасываемой частицы.
Существует несколько видов радиоактивного распада. Например, ) α-распад:
226
88
Ra →
222
86
Rn +
4
2
He; 2) электрон-
ный или β
-
-распад:
14
6
С→
14
7
N + e
–
; 3) позитронный или β
+
-распад, обнаруженный у изотопов, образующихся при бом-
бардировке ядер легких элементов α-частицами (Ирен и Фредерик Жолио Кюри, 1934):
27
13
Al +
4
2
He →
31
15
P →
31
14
Si + e
+
;
4) электронный захват (Л. Альварец, 1933), при котором ядро захватывает электрон с ближайшего электронного слоя – К-
захват, и этот электрон вместе с одним из протонов ядра превращается в нейтрон: р + е
–
→ n.
40
19
K + e
–
→
40
18
Ar + γ; 5)
спонтанное деление – это самопроизвольный распад тяжелых ядер (Z ≥ 90) на два (редко на 3 или на 4) осколка, которы-
ми являются ядра элементов середины периодической системы. Деление сопровождается испусканием нейтронов (от 2 до
4). Радиоактивный распад часто сопровождается γ-излучением (λ = 0,0004…0,02 нм), который является результатом пе-
рехода возбужденного ядра на более низкий энергетический уровень.
Деление атомных ядер тяжелых элементов вызывается и действием сравнительно медленных «тепловых» нейтронов
в ядерных реакторах:
235
92
U +
1
0
n →
92
36
Kr +
141
56
Ba + 2
1
0
n. Нейтроны бóльшей энергии захватываются ядром урана, после
чего за счет β
-
-распада последовательно образуются два первых трансурановых элемента – нептуний Np и плутоний Pu:
238
92
U →
239
92
U →
239
93
Np →
239
94
Pu.
Радиоактивность элементов возникает при таком количественном соотношении протонов и нейтронов (Z
/ A), при ко-
тором ядро переходит в возбужденное состояние. Ядро оказывается наиболее устойчивым при соотношении Z
/ A, равным
0,5 для легких изотопов и 0,38 для тяжелых (Z ≈ 100). Позитронный распад и электронный захват увеличивают число
нейтронов, поэтому характерны для изотопов легких элементов с дефицитом нейтронов (Z
/ A больше оптимального). Тя-
желым элементам с избытком нейтронов и значением Z
/ A меньшим оптимального свойственен β
–
-распад, уменьшающий
число нейтронов в ядре. Для тяжелых ядер, даже в случае приближения Z
/ A к оптимальному значению, Е
св
α-частиц
уменьшается настолько, что становится энергетически выгодным α-распад или спонтанное деление.
За единицу радиоактивного распада в СИ принят беккерель (Бк) – радиоактивность, при которой за 1 с происходит 1
акт распада (с
–1
). Внесистемная единица кюри (Ku) равна 3,7 ⋅ 10
10
Бк (число α-частиц, которые испускает радий массой в
1 г в 1 с).
Периодом полураспада Т
1/2
называют время, за которое распадается половина первоначального количества радиоак-
тивного элемента. Для
212
84
Ро и
50
23
V эта величина соответственно равна 3 ⋅ 10
–7
с и 6 ⋅ 10
15
лет. Константой радиоактивного
распада λ (с
–1
) называют величину, которая показывает, какая доля наличного числа атомов радиоактивного изотопа рас-
падается в единицу времени. Обратная величина 1
/ λ (с) – среднее время жизни радиоактивного элемента – указывает, из
какого числа ядер распадается одно ядро в течение 1 с. Константа распада и период полураспада связаны между собой
соотношением: λТ
1/2
= ln2 = 0,693.
П р и м е р 8. Из скольких атомов изотопа
40
K ежесекундно распадается одно ядро, если константа радиоактивного
распада для него равна 1,7
⋅ 10
–17
с
–1
?
Р е ш е н и е. 1
/ λ = 1 / (1,7 ⋅ 10
–17
) = 6 ⋅ 10
16
c. Таким образом, за 1 секунду из 6 ⋅ 10
16
ядер изотопа
40
K распадается одно
ядро.
П р и м е р 9. Период полураспада радия 1617 лет. Как это определяет константу радиоактивного распада радия?
Из скольких атомов и сколько атомов радия распадается за 1 с?
Р е ш е н и е. 1). Так как λТ
1/2
= 0,693, то λ (Ra) = 0,693 / T
1/2
(Ra) = = 0,693 / (1617 ⋅ 365 ⋅ 24 ⋅ 3600) = 1,36 ⋅ 10
–11
c
–1
.
2) Если λ
(Ra) = 1,36 ⋅ 10
–11
= ∼ 1,4 ⋅ 10
–11
= 14 ⋅ 10
–12
= 14 / 10
12
, то из 10
12
атомов за 1 с распадаются 14 атомов радия.
Уравнения ядерных реакций (в том числе и реакций радиоактивного распада) должны удовлетворять правилу равен-
ства сумм индексов: 1) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц, обра-
зующихся в результате реакции; при этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются; 2) суммы зарядов
частиц, вступающих в реакцию и частиц – продуктов реакции, равны между собой.

Страницы