Чем отличаются атомы нуклидов b11 и b10
§10. Нуклиды и изотопы. Понятие о радиоактивности
Д. И. Менделеев, размещая химические элементы в периодической системе, вынужден был поставить некоторые из них не в порядке возрастания атомных масс.
В то время этому факту не было объяснения, и Д. И. Менделеев руководствовался только принципом периодичности, согласно которому эти элементы должны были занимать места в соответствии с химическими свойствами их атомов.
НУКЛИДЫ
Исследованиями начала XX веке было установлено, что атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы. Это объясняется тем, что в их ядрах при одном и том же числе протонов может находиться разное число нейтронов. Общее число протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называется массовым числом атома (А):
Массовое число практически определяет массу ядра, а следовательно, и массу всего атома, так как масса электронов составляет ничтожную часть общей массы атома. Т.е. массовое число приблизительно равно относительной атомной массе элемента.
Заряд ядра атома Z (т. е. число протонов) и его массовое число A указывают числовыми индексами слева от символа химического элемента:
Вид атомов с определенным значением атомного номера и массового числа называется нуклидом. Т.е. нуклид – это химический элемент с указанием массового числа.
Например, углерод-12, или 12 С; кислород-16, или 16 O; сера-35, или 35 S. Число нейтронов N у любого нуклида легко подсчитать по разности
Еще один вопрос стоял перед учеными: почему относительные атомные массы большинства элементов не являются целочисленными величинами, хотя массовые числа их нуклидов выражаются целыми числами?
Открытие изотопов позволило дать ответ на этот вопрос.
ИЗОТОПЫ
В начале XX в. было доказано, что большинство химических элементов в природе существует в виде нескольких нуклидов. Так, природный литий (Z = 3), кроме нуклидов, в ядрах которых находится 4 нейтрона, имеет нуклиды с числим нейтронов 3. Массовые числа таких нуклидов равны соответственно 6 и 7: 3 6 Li и 3 7 Li.
Нуклиды такого типа назвали изотопами.
Изотопами называются нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (т.е. одинаковое число протонов в ядре), но различные массовые числа
Следовательно, нуклиды 3 6 Li и 3 7 Li — изотопы лития. Другими словами, изотопы — это разновидности атомов одного и того же эле мента, в ядрах которых содержится разное число нейтронов.
Следовательно, атомы данного химического элемента — это нуклиды с одинаковым зарядом ядра (атомным номером).
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА
В природе большинство химических элементов существуют в виде смеси нуклидов, каждый из которых характеризуется своим собственным значением массового числа. Поэтому относительная атомная масса данного элемента является усредненной величиной относительных атомных масс его нуклидов. Конечно, при этом учитывается содержание каждого нуклида в природной смеси.
Теперь понятно, почему относительная атомная масса калия меньше, чем аргона. У калия более 93 % его природных атомов имеет массовое число 39, а у аргона 99 % природной смеси приходится на долю нуклида аргон-40. Поэтому относительная атомная масса калия ближе к 39, а аргона — к 40. Однако заряд ядра атомов калия равен 19+, а аргона 18+, и поэтому в таблице они размещаются согласно этой главной характеристике химического элемента.
Относительная атомная масса элемента — физическая величина, которая показывает, во сколько раз средняя масса атомов данного химического элемента больше 1/12 части массы нуклида углерода-12 ( 12 С).
ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
Все нуклиды можно разделить на два типа: стабильные и радиоактивные. Само название «стабильный» говорит об устойчивости данного нуклида, т. е. его способности существовать без изменения состава ядра сколь угодно долго. Стабильность этих нуклидов определяется прежде всего устойчивостью их ядер.
Устойчивость ядра зависит только от соотношения между числом протонов и нейтронов (для каждого элемента оно свое). Если это соотношение выходит за определенные пределы, ядро (а вместе с ним и атом) становится неустойчивым.
Оно самопроизвольно распадается, превращаясь в ядра атомов других элементов. При этом происходит испускание различных частиц. Это явление и есть радиоактивность.
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц.
Периодическая таблица нуклидов
Термин «нуклид» был предложен в 1947 г. американским химиком Т. Команом, и благодаря практическому удобству получил широкое распространение. Химический элемент, таким образом, определяется как множество нуклидов с данным значением Z, которые обозначались соответствующим массовым числом атома А. Например, кальций (Са) с порядковым номером 20 по современным представлениям имеет атомный вес 40.
Анализ наблюдаемой плотности кальция (1550 кг/м^(3)), позволяет утверждать, что атомный вес кальция равен 20, таким образом в своём стабильном состоянии кальций содержит 20 протонов. [1]
Мне, к сожалению, не известно, когда именно началась создаваться известная сегодня таблица нуклидов, но по данным доктора ф-м наук, директора отраслевого Центра радионуклидных данных Радиевого института им. В.Г. Хлопина В.П.Чечева в России она впервые появилась в 1998 году. В этой таблице (карте) была предпринята попытка систематизировать известные данные о нуклидах.
Как видно из рисунка кальций имеет 6 стабильных нуклидов (40, 42, 43, 44, 46), два долговременных (полустабильных) (41, 48) и остальные короткоживущие (нестабильные).
К сожалению, данная таблица мало информативна, так как не даёт представления о том, во-первых, почему разные нуклиды имеют разную стабильность, а во-вторых, какими закономерностями определяется влияние изменения состава ядра на его стабильность.
Попыткой ответить на эти вопросы является волчково-симметричная модель атомного ядра. Суть которой заключается в том, что атомное ядро имеет строго структурированную конструкцию.
Основой ядра является центральная ось, состоящая из нечетного числа протонов. По центру оси размещается главная орбита, на которой размещаются орбитальные протоны в количестве, не превышающем числа протонов входящих в состав оси. Выше и ниже главной орбиты в зависимости от числа протонов на оси размещаются дополнительные орбиты. Поскольку эти орбиты парные, то каждая пара обозначается как отдельная дополнительная орбита.
Так, для кальция ось состоит из семи протонов. Для основного нуклида главная орбита содержит пять протонов. В ядре кальция может размещаться до трёх дополнительных орбит. Для основного нуклида заполнена только первая дополнительная орбита, на которой размещается по 4 протона на каждой подорбите. Таким образом, всего в состав основного нуклида кальция входит: 7 протонов оси, 5 протонов главной орбиты, 8 (4+4) протонов первой дополнительной орбиты, остальные орбиты не заполнены. Итого: 7 + 5 + 8 = 20. Важной особенностью этой структуры является незаполненные вторая и третья орбиты, что обеспечивает нуклиду неограниченную стабильность.
Полустабильные (долговременные) нуклиды:
Кальций 21 (41) – 7/6/6/2
Кальций 28 (48) – 7/7/12/2
Нестабильные нуклиды:
Кальций 17 (37) – 7/2/4/2/2
Кальций 18 (38) – 7/3/4/2/2
Кальций 19 (39) – 7/4/4/2/2
Кальций 25 (45) – 7/4/8/4/2
Кальций 27 (47) – 7/4/8/4/4
Кальций 29 (49) – 7/6/8/4/4
Кальций 30 (50) – 7/7/8/4/4
Как хорошо видно из приведенных данных полная стабильность нуклидов обеспечивается двумя свободными дополнительными орбитами: второй и третьей. Поустабильность, уже только одной свободной дополнительной орбитой: третьей. И если заполнены все три дополнительные орбиты, то нуклиды становятся нестабильными.
Таким образом, предлагаемая волчко-симетричная модель позволяет не только объяснить природу стабильности или нестабильности нуклидов, но и предсказать свойства ещё неоткрытых нуклидов.
[1] Нейтронов в ядре нет. Нейтроны представляют собой вырожденный атом водорода, который образуется во время ядерного распада, и как самостоятельные элементарные частицы не существуют.
Таблица нуклидов
| 145 Gd | Нестабильный (менее суток) |
| 146 Gd | 1—10 дней |
| 149 Gd | 10—100 дней |
| 153 Gd | 100 дней — 10 лет |
| 148 Gd | 10—10 000 лет |
| 150 Gd | 10 тыс.—700 млн лет |
| 158 Gd | Стабильный |
Эта таблица нуклидов содержит все известные науке нуклиды. Количество протонов (атомный номер) увеличивается слева направо, а нейтронов — сверху вниз, то есть вертикальные столбцы включают все изотопы химического элемента, а горизонтальные строки — изотоны.
Период полураспада нуклида показан цветом его ячейки (смотрите расшифровку цветов справа на примере гадолиния). Цветные рамки показывают время жизни наиболее стабильных ядерных изомеров.
Интересный факт: не существует стабильных или хотя бы долгоживущих нуклидов с массовыми числами 5 и 8.
Нуклид
Слово « нуклид» было придумано Трумэном П. Кохманом в 1947 году. [2] [3] Кохман определил нуклид как «разновидность атома, характеризующаяся строением его ядра», содержащая определенное количество нейтронов и протонов. Таким образом, термин первоначально был сосредоточен на ядре.
Хотя слова нуклид и изотоп часто используются как синонимы, быть изотопами на самом деле является лишь одной связью между нуклидами. В следующей таблице перечислены некоторые другие отношения.
Нуклид и продукт его альфа-распада являются изодиаферами. [4]
но с разными энергетическими состояниями
См. Раздел « Обозначение изотопов» для объяснения обозначений, используемых для различных типов нуклидов или изотопов.
Самым долгоживущим ядерным изомером в неосновном состоянии является нуклид тантал-180m ( 180м 73Та ), период полураспада которого превышает 1000 триллионов лет. Этот нуклид существует изначально и никогда не наблюдался распада до основного состояния. (Напротив, нуклид тантал-180 в основном состоянии не встречается изначально, поскольку он распадается с периодом полураспада всего 8 часов до 180 Hf (86%) или 180 Вт (14%)).
Пример нуклидов, образованных в результате ядерных реакций, космогенных. 14
C
( радиоуглерод ), который образуется при бомбардировке космическими лучами других элементов, и нуклеогенный 239
Пу
который до сих пор создается нейтронной бомбардировкой естественного 238
U
в результате естественного деления урановых руд. Космогенные нуклиды могут быть стабильными или радиоактивными. Если они стабильны, их существование должно быть выведено на фоне стабильных нуклидов, поскольку каждый известный стабильный нуклид присутствует на Земле изначально.
Помимо 339 естественных нуклидов, более 3000 радионуклидов с различным периодом полураспада были искусственно произведены и охарактеризованы.
