книги / Неорганическая химия

Открытый Д. И. Менделеевым периодический закон и пред­ ложенная им периодическая система химических элементов вы­ держали все испытания, которые возникали по> мере развития новых представлений о строении материи. Периодическая си­ стема; является тем фундаментом, на котором строится физичес­ кая и химическая наука, и тем необходимым ориентиром, кото­ рым руководствуется наука о строении материи и наука об ис­ пользовании внутриатомной энергии,

Периодическая система вносит ясность в понятие о химиче­ ском элементе. Химический элемент — это вид атомов, никакими химическими способами не способных разлагаться на более про­ стые частицы, занимающих определенное место в периодичес­ кой системе и обладающих. совокупностью присущих: им хими­ ческих свойств.

Глава VII

АТОМНОЕ ЯДРО

А т о м н о е я д р о — внутренняя центральная положительно заряженная часть атома, занимающая в нем ничтожно малый объем. Этот объем равен примерно одной стотысячной доле все-

го объема атома (радиус ядра = 10 см, а радиус атома

ъ Ю ^ с м ).

Первые представления об атомном ядре начали возникать в начале XX в. в связи с работами известного английского учено­ го Э. Резерфорда. Резерфорд экспериментально доказал наличйе в атоме положительно заряженного ядра. До 1932 г., когда из элементарных частиц были известны лишь электроны и про­ тоны, общепринятой была электронно-протонная теория строе­ ния ядра атома. По этой теории, ядро атома представляли со­ стоящим из протонов и электронов. Электроны рассматривались своего рода цементом, как бы скрепляющим положительно за­ ряженные протоны, которые, как одноименно заряженные, без связующих электронов должны взаимоотталкиваться и разлетаться. Но электронно-протонная теория не могла объяснить ря­ да свойств ядра— особенности магнитных моментов, массы, заряда и др.

В 1932 г. английский физик Дж. Чэдвик обнаружил новую ядерную частицу, электрически нейтральную, по массе очень близкую к массе протона. Она получила название нейтрон (ней­ тральный). Это открытие заставило пересмотреть общепринятые представления о составе ядра атома.

Советские физики Д. Д. Иваненко, Е. Н. Гапон и одновре­ менно немецкий физик В. Гейзенберг в 1932 г. предложили новую протонно-нейтронную теорию строения ядра атома, по которой в состав ядра атома входят только протоны и нейтроны. Эта теория устраняла имевшиеся противоречия, которые нельзя бы­ ло объяснить, исходя из электронно-протонной теории;-Соглас­

но

но ей, количество протонов в ядре должно определяться коли­ чеством положительных зарядов 2 ядра, а число нейтронов N — разностью между численным выражением массы ядра М и чис­ лом протонов:

Ы=М—2.

Общее число нейтронов и протонов в ядре (2+Ы ) получило

из 8 протонов и 8 нейтронов; ядро атома урана с массовым чис­ лом 238 и зарядом ядра 92 — из 92 протонов и 146 нейтронов.

Протоны и нейтроны по своей массе оказались почти оди­ наковы: так, масса протона принимается равной 1,00757 к. е., а масса нейтрона — 1,00893 к. е.

Таким образом, несмотря на большое различие атомных ядер отдельных элементов по массе и заряду, все они, согласно про­ тонно-нейтронной теории, состоят из двух видов ядерных час­ тиц— протонов и нейтронов. Но само строение ядер и состав­ ляющих их частиц оказалось очень сложным и пока еще недо­ статочно изучено.

Протоны и нейтроны в настоящее время рассматриваются как качественные разновидности единой ядерной частицы — ну­ клона . Предполагается, что в известных условиях они могут

взаимопревращаться, выделяя или электрон р” или позитрон Р+, которые в этих процессах как бы «рождаются», формируясь из ядерного вещества в момент своего излучения:

я (нейтрон) ^ р (протон) 4 - р" V»

р (протон) ^ п (нейтрон) + Р+ + м.

В первом случае нейтрон п превращается в протон р, излу­ чая электрон р~ и особую частицу нейтрино V; во втором слу­

чае протон р превращается в нейтрон п, выделяя позитрон р+ и нейтрино V.

Теоретические расчеты, данные о распределении электронов, а также другие факты позволили предположить, что ядро име­ ет слоистое строение, подобно электронной оболочке в атоме. Слоистым строением, например, объясняется различная плот­ ность заряда в центре и на периферии ядер. Причем ядерное ве­ щество в атоме находится в сильно уплотненном состоянии, и средняя плотность ядерного вещества измеряется огромной ве­ личиной порядка 1,2—2,4* 10м г/сл*3, или 120 и больше млн.

тонн)смъ.

Протоны и нейтроны, как показывают новейшие исследова­ ния, также являются сложными частицами. Предполагается, что они состоят из центральной части (так называемого керна), ок-

руженной облаком я?мезонов ~ частиц с/массой, поомежуточной между массами протона и электрона - (рис. «38). й-Мезоны вперт выё были обнаружены американским, учёным К. Андерсоном еще в 1936 г. в лучах, приходящих на Землю щз. космического пространства.

В.Настоящее время различают несколько -видов мезонов:' я-мезоны, р-мёЗоны, /(-мезоны, гипероны и др; с зар!ядом поло­ жительным, отрицательным-, или Незаряженные (см. табл. 64, гл. XXIX).

Многие частицы в свободном состоянии весьма недолговеч-

мов естественно-радиоактивных элемен­ тов, которые в природных условиях неустойчивы, подвержены радиоактивным превращениям.

Устойчивых (стабильных) ядер атомов, существующих в при­ роде, в настоящее время насчитывают около 280 видов; они со­ ставляют большинство элементов периодической системы. К ес­ тественно-радиоактивным (природным) элементам относятся по* лоний 84Р0, астат 8бА1, франций втРг, радий ввКа, актиний 89Ас, торий 90ТЬ, протактиний ^Ра, уран гэИКроме того, некоторые стабильные элементы имеют долгоживущие радиоактивные изо­ топы: К40, КЪ87, 1п115, Ьа138, 5ш 147, Ьи17®, Ре187 и др. Естественных радиоактивных изотопов элементов насчитывается около 50 ви­ дов. В настоящее время получен и выделен в результате ядерных реакций ряд искусственных радиоактивных элементов: тех­ неций 43Тс, прометий б1Р т и так называемые заурановые эле­ менты (подробнее см. гл. XXIX). Все естественные радиоактив­ ные элементы, кроме «оТЬ и дгИ, встречаются в природе в нич­ тожно малых количествах. Ядра естественных радиоактивных

активные семейства — это ряды радиоэлементов, в которых каж­ дый последующий член возникает из предыдущего в результате'

выбрасывания а-, или р-+частиц.

Известны три естественных радиоактивных ряда радиоэле­ ментов, носящих названия исходных долгоживущих радиоэле­

ный ряд — ряд нептуния; исходный элемент этого ряда— искусст­

В ядерной физике и химии принято атомные ядра элементов обозначать химическими символами, указывая справа вверху массовое число ядра, слева внизу — заряд ядра.

Радиоактивный распад ядер каждого радиоэлемента закан­ чивается образованием устойчивого (стабильного) ядра свинца РЬ206 (урановый ряд), РЬ208 (ториевый ряд), РЬ207 (актиниевый ряд). Радиоактивные ядра атомов элементов отличаются друг от друга как по характеру радиоактивных превращений, так и по скорости распада; одни из них распадаются быстрее, дру­ гие — медленнее.

Установлено, что в каждую единицу времени всегда распада­ ется строго определенная доля наличного количества радиоак­ тивного элемента. Поэтому скорость радиоактивного распада принято выражать временем, в течение которого распадается половина всех ядер атомов радиоактивного вещества. Это; вре­ мя называется п е р и о д о м п о л у р а с п а д а Т 1/а, т ак> ддЯ

II238 период полураспада 4,5 млрд, лет, для Ка228— 1590 лет, для Кп222 — 3,82 дня. Зависимость между количеством распавшегося радиоактивного элемента и временем представлена на рис. 40. Известно несколько видов распада естественных радиоактивных элементов. При а-распаде ядро атома радиоактивного элемен­ та самопроизвольно излучает а-частицы, при (5-распаде— (5-части­ цы. Оба эти вида распада сопровождаются у-излучением. В ре-; зультате излучения одной а-частицы масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на две единицы. Иначе говоря, появляют­ ся атомные ядра нового элемента, стоящего в периодической си­ стеме Д. И. Менделеева на 2 группы левее исходного. При (5-электронном распаде масса ядра не меняется, а заряд увели­ чивается на единицу.

При (5-электронном распаде образуются ядра атомов с мас­ совым числом, одинаковым с исходным ядром, но с зарядом на единицу большим против первоначального; при (5-позитронном распаде образуются ядра атомов с тем же массовым числом, но с зарядом на единицу меньше против исходного. Эта закономер­ ность, открытая в 1912 г. польским ученым К. Фаянсом и ан­ глийским ученым Ф. Содди, получила название з а к о н а сме-

ных превращений

вд ен и.я; элемент, ,образующийся из другого элемента при. из­ лучении а-частиц,; по своря химическим свойствам смещается в периодической системе Д. Я, Менделеева на два места влево от

исходного, а образующийся при излучении смещается на од­ но место вправо.

2.ИЗОТОПЫ И ИЗОБАРЫ

Всвязи с открытием радиоактивности возникли большие за* труднения в размещении в периодической системе элементов, образующихся при радиоактивном распаде. Сначала казалось,

мических свойствах вновь полученных при радиоактивном распаде иония 1о230 и радиотория КаТЬ228 с торием ТЬ232, мезатория МзТЬ228 с радием Ка226.

Согласно Современным представлениям (см. гл. VI), хими­ ческие свойства элементов определяются не атомным весом, а зарядом ядра атома. Поэтому атомы с разными массовыми чис­ лами, но с одинаковыми зарядами своих ядер, проявляют оди­ наковые химические свойства и относятся к одному элементу, являются разновидностями атомов одного элемента и должны находиться в одной клетке периодической системы. На этом ос­ новании все естественные радиоактивные элементы разместились в периодической системе так, что во многих клетках ока­ залось несколько разновидностей атомов с одинаковым зарядом ядра, но с разными массовыми числами. Такие разновидности атомов химического элемента, по предложению английского ученого Ф. Содди, были названы и з о т о п а м и (От греч. изос — одинаковое, топос — место, т. е. занимающие одинаковое место)*

Закон смещения позволил найти место изотопам в периоду

ческой системе. Например, при излучении КаИ210 двух р” -частиц и одной а-частицы элемент в периодической системе должен ос-*

татьек « а . прежнем месте» так как заряд его ядра не меняется, хотя массовое число уменьшается на 4 единицы. Иными словами, получается изотоп данного элемента;

иНаО»®^ 83НаЕ210 ^ 84КаР*1®^ 82КаО»» (изотоп РЬ).

Изотопы одного и того же элемента, отличаясь составом яд­ ра, имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому химические и некоторые физические свойства, зависящие от электронной оболочки атома, у этих изотопов почти тождествен­ ны, однако ядра их при одинаковом числе протонов содержат разное число нейтронов. Поэтому изотопы, имея одинаковый заряд ядра, различаются массовыми числами.

Массовые числа различных элементов показывают, что боль­ шинство химических элементов в природе состоит не из одного вида атомов, а из смеси изотопов, причем изотопный состав от­ дельных элементов почти всегда одинаков. Поэтому атомные веса химических элементов, представляющие собой средние зна­ чения атомных масс изотопов с учетом их содержания в сме­ шанном элементе, являются величинами постоянными.

Большое относительное различие в. массовых числах изото­ пов водорода 1Н1, 102, 1Т3 (протий, дейтерий, тритий) сказыва­ ется не только на их физических, но и на химических свойствах. Так, изотоп водорода дейтерий {Ь2,входя в состав молекулы во­ ды, образует так называемую тяжелую воду ЭгО (мол. в. 20), отличную по свойствам от обычной воды НгО.

Изотопы большинства элементов настолько сходны по хими­ ческим свойствам, что разделить их очень трудно и сложно. Раз­ деление основывается главным образом на некотором различии их физических свойств. Из многих методов разделения изотопов наиболее широко применяется метод, основанный на так назы­ ваемой магнитной сепарации. Он заключается в том, что откло­ нение различных атомов (ионов) в магнитном и электрическом полях происходит различно в зависимости от массы, заряда и скорости движения. Такое разделение изотопов впервые начали осуществлять в сконструированном английским физиком Ф. Ас­ тоном (1919) приборе масс-спектрографе, в мощных магнитных и электрических полях которого поток разделяется на отдельные пучки в зависимости от их массы и заряда (рис. 41).

На фотографической пластинке можно получить ряд линий, из которых каждая соответствует частицам определенной массы. В настоящее время с помощью усовершенствованных приборов этого типа можно разделять и измерять массу изотопов с высо­ кой степенью точности (до 0,0001—0,00001 единицы атомной массы). Применяют и другие методы разделения изотопов.

При определении масс атомов ряда элементов были обнару­ жены атомы, одинаковые по массе,, но имеющие ядра, различаю-

Ш