ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 111
Скачиваний: 1
гут находиться |
максимально два электрона, на L — 8, на М — |
||
18, на N — 32 |
электрона и т. д. Поэтому |
по мере |
увеличения |
атомного номера элемента заполняются |
новые |
электронные |
|
оболочки. Число электронов на внешней оболочке периодически повторяется. Так, атом лития содержит три электрона: два из них располагаются на К-оболочке и один на внешней /.-оболоч ке; атом натрия содержит 11 электронов: два располагаются на /(-оболочке, восемь — на L-оболочке и один — на /И-оболочке и т. д.
Поскольку электроны внешних оболочек атома менее связа ны с ядром и больше подвержены внешним воздействиям, хи мические свойства атома определяются в основном числом элек тронов на внешней оболочке. Периодическое повторение числа электронов на внешней оболочке, по мере заполнения новых электронных оболочек, объясняет периодичность химических свойств в периодической системе элементов. Так, у лития, нат рия, калия и рубидия на внешней оболочке находится по одно му электрону, у галогенов — по семи и т. д.
Соединение атомов в молекулы сводится к перестройке внеш них электронных оболочек. Строение внутренних оболочек и яд ра атома при химических реакциях не изменяется. Запас внут ренней энергии атома обусловливается взаимным расположе нием ядра и окружающих его электронов.
Внешним энергетическим воздействием, например нагрева нием или облучением, можно сообщить атому, находящемуся в нормальном состоянии, дополнительную энергию. Получив избы ток энергии, атом возбуждается, т. е. переходит в одно из воз можных энергетически более высоких состояний. Возбужденное состояние атома неустойчиво и длится короткое время. Путем самопроизвольных переходов электронов на близкие к ядру свободные места в оболочках атом возвращается в нормальное устойчивое состояние. При этом избыток энергии излучается порциями в виде фотонов электромагнитного излучения. Их энергия пропорциональна частоте электромагнитных колебаний v и равна hv (h— постоянная Планка, равна 6,625Х
ХЮ~27 эрг-сек).
На рис. 1.1 схематически изображены возможные пути пере хода электрона на /(-оболочку. В первом случае произойдет вы свечивание (испускание) одного фотона излучения, энергия ко
торого равна fcv,=£4—£ ь во втором |
случае — двух фотонов с |
|||||
энергиями |
fiX‘ 2 ~ £ 4—£з |
и hv3 = E3—Ер, |
в третьем случае — трех |
|||
фотонов |
с энергиями |
hx3 = EA—£з, |
/пч = £з—£ 2, |
hv3 = E3—£i |
||
И Т. Д., причем |
=/гЛ?2+ /гУз= ЙУ2-гЙЛ?4-гЙУ5= /г\.’б + /гУ5. |
|
||||
Как следует из приведенного примера, атом при переходе из |
||||||
возбужденного состояния в невозбужденное испускает |
фотоны |
|||||
вполне определенных энергий. Фотонное излучение |
с |
дискрет |
||||
ным спектром, возникающее при изменении энергетического со стояния атома, называется характеристическим излучением (см.
ГО
стр. 19). Энергия испускаемых фотонов равна разности энер гии связи электрона в атоме на оболочке, которую он занял после перехода атома в невозбужденное состояние, и на оболоч- к,е, с которой был совершен переход. С увеличением порядково го номера элемента Z увеличивается энергия характеристиче ского излучения.
Строение атомного ядра. Изотопы. Ядро атома по своим ли
нейным размерам примерно в 105 раз меньше |
размера атома |
|||
(линейные размеры |
атома |
порядка 10-8 см, |
а ядра — порядка |
|
|
hv2 |
hv2 |
|
|
|
|
hy\ |
hvs |
|
ц |
hv3 |
|
hvs |
|
Рис. 1.1. Возможные |
пути перехода электпона |
с (V- |
на /^-оболочку. |
10-13 см), но в нем сосредоточена почти вся масса атома. Ядро состоит из протонов и нейтронов [2]. Протон р — элементарная частица, обладающая единицей положительного заряда. Масса его примерно равна атомной единице массы [тр= 1,007593 а. е. м.
(1,672-10-24 г)]. Отношение массы протона к массе электрона Щп
— —=1836. Нейтрон п — элементарная частица, не обладающая
т0
зарядом. Масса его приблизительно равна массе |
протона Точ |
||||
нее, т „ = |
1,00893 а. е. м. (1,674 •10-24 г)]. Протон и нейтрон мож |
||||
но рассматривать как два состояния одной |
частицы — нуклона. |
||||
Протоны |
высокой энергии в поле ядра могут |
превращаться |
в |
||
нейтроны, |
при этом образуются позитрон |
|3+ |
и |
нейтрино |
v: |
+ P+4-V.
Позитрон — элементарная частица, обладающая той же мас сой, что и электрон, но несущая электрический заряд противо
положного знака. Нейтрино v и антинейтрино v — элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. Масса покоя их точно не известна, но во всяком случае она значительно мень ше, чем у электрона. Свободные нейтроны не стабильны и пре вращаются в протоны с образованием электронов р_ и анти
нейтрино v: n-*-/? + p- +v. В ядре атома энергия связи между нуклонами компенсирует разность масс тп—тр и делает ней трон стабильным.
Суммарное число протонов и нейтронов (нуклонов) в ядре называется массовым числом атомного ядра А. Массовое число примерно равно атомному весу элемента, так как атомные веса
П
протона н нейтрона приблизительно равны единице. Число про тонов в ядре определяет заряд ядра, который, как уже указы валось выше, численно равен порядковому номеру элемента Z. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым чис лом А и порядковым номером элемента Z ( N=A—Z). Ядра хи мических элементов в книге обозначены соответствующим симво лом элемента с цифрами внизу слева и вверху справа от сим вола. Верхняя цифра означает массовое число, нижняя — заряд
Рис. 1.2. Зависимость энергии связи, приходящейся на нуклон, от массового числа А.
ядра. Например, ядро железа 26Fe56 состоит из 26 протонов и
56—26= 30 нейтронов.
Атомы, ядра которых обладают одинаковыми зарядами, но разными массовыми числами, называют изотопами. Закономер ности, определяющие изотопный состав элемента, в настоящее время неизвестны. Чаще всего в природе встречаются изотопы
•с четными Z и N. Такие изотопы составляют большинство эле ментов в земной коре.
Протоны и нейтроны, образующие ядро, взаимодействуют друг с другом посредством ядерных сил. Особенность ядерных сил состоит в том, что они действуют на очень коротких рас стояниях, порядка размера .ядра (10-13 см). При этом энергия связи нуклонов в ядрах имеет величину порядка нескольких мегаэлектронвольт, а энергия связи электрона в атоме благода ря кулоновскому взаимодействию составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт.
На рис. 1.2 приведена зависимость средней энергии связи на один Нуклон от массового числа. Ядро тем устойчивее, чем выше энергия связи в расчете на один нуклон; в частности, из приведенной кривой следует, что ядра со средними значениями массового числа более устойчивы, чем ядра, расположенные на
12
краях кривой. Устойчивость ядер, начиная с наиболее легких элементов, характеризующихся низкой энергией связи, резко возрастает с увеличением массового числа А и постепенно до стигает максимальной величины, оставаясь примерно постоян ной при изменениях массового числа в широком интервале от 50 до ПО; при массовом числе выше 120 устойчивость ядер уменьшается.
По мере увеличения атомного номера в ядре растет число протонов и кулоновские силы отталкивания между протонами в ядрах тяжелых элементов становятся существенными. У элемен тов с Z > 8 2 ядерные силы уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер, и начинаются процессы их внутренней пере стройки, в результате которых тяжелые ядра переходят в более легкие с меньшим порядковым номером, т. е. происходит есте-
i ственный радиоактивный распад.
2. Радиоактивность и закон радиоактивного распада
а. Естественная радиоактивность
Самопроизвольный (спонтанный) распад неустойчивых ядер называется радиоактивностью [2, 3]. Неустойчивые ядра распа даются, испуская обычно а- и (3-частицы и у-излучение.
у-Излучение представляет собой фотонное излучение с ди скретным спектром, возникающее при изменении энергетическо го состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.
Различают два типа естественной радиоактивности: а- и 13распад.
(3-Частицы — поток электронов или позитронов. В первом случае говорят об электронном распаде (|3_), во втором — о по зитронном (|3+). Естественным радиоактивным изотопам присущ только (3~-распад.
сс-Частицы — ядра атомов гелия гНе4, испускаемые ядрами некоторых радиоактивных элементов. а-Частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, поэтому она обладает зарядом, рав ным 2, и массовым числом, равным 4. Выбрасывая а- или (3-частицы, ядро освобождается от избытка энергии, но может оставаться в возбужденном состоянии. Излучение энергии в ви де у-фотонов (у-излучение) переводит ядро из возбужденного состояния в основное с более низким уровнем энергии. Приме ром радиоактивного превращения, сопровождающегося выбра сыванием а-частиц и у-излучением, может служить распад ра дия:
ssRa22G seRn222-f 2Не4 у.
В настоящее время известно более 40 естественных радиоак тивных элементов. Радиоактивностью обладают в основном изо топы очень тяжелых элементов. Однако известно несколько ра
13
диоактивных изотопов с атомным номером меньше 83, например:
19K40, srRb87, 62Sm152.
Для объяснения (3-распада общепринятой является гипотеза о том, что (З-частмцы возникают в результате превращения нейт ронов и протонов.
В отличие от а-частнц, которые испускаются различными ядрами одного и того же вещества всегда с определенной энер гией, (3-частицы обладают разной энергией, от нуля до некоторо го максимального значения, т. е. энергетический спектр * [3-ча- стиц непрерывный. Этот спектр для данного радиоактивного изо топа характеризуется вполне определенной максимальной энер гией (3-частиц В'максНепрерывность спектра (3-частиц обусловле на тем, что при (3-распаде часть избыточной энергии ядра уно сится нейтрино или антинейтрино. Максимальная энергия (3-ча- стиц для различных радиоактивных элементов колеблется в ши роких пределах — от нескольких десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт.
Рассмотрим, что происходит с атомами в результате радио активного а- и |3~-распада. Так как а-частица есть ядро атома гелия с зарядом т 2 и массовым числом 4, а |3_-частица — элект рон, то при а-распаде в результате превращения уменьшается на две единицы число протонов в ядре и на столько же единиц — число нейтронов; при |3~-распаде нейтрон ядра переходит в про тон, в результате чего число протонов в ядре возрастает на еди ницу, а массовое число остается неизменным, так как суммар ное число протонов и нейтронов в ядре не изменилось. Следо вательно, в результате а-распада образуется новое ядро, поряд ковый номер которого будет на две единицы, а массовое число
на четыре единицы |
меньше, чем у исходного. Например, в ре |
|
зультате |
а-распада |
SsRa226 образуется новый элемент с Z = 86 и |
А = 222, т. |
е. b6Rn222. |
|
При (3~-распаде образуется новое ядро с порядковым номе ром на единицу больше исходного и тем же массовым числом. Так, в результате |3“ -распада igK40 число протонов во вновь об разованном ядре будет уже не 19, а 20, т. е. образуется новый элемент 2оСа40.
Как отмечалось выше, в результате радиоактивного распада вновь образованное (дочернее) ядро может находиться в воз бужденном состоянии, т. е. обладать избытком энергии. Пере ход ядра из возбужденного состояния в основное сопровожда ется испусканием одного или нескольких у-фотонов, в зависимо сти от характера перехода. Энергия у-фотонов у различных ра диоактивных элементов колеблется в широких пределах — от нескольких десятков килоэлектронвольт до нескольких мега электронвольт.
* Энергетический спектр ионизирующего излучения — распределение по энергиям частиц корпускулярного излучения или фотонов.
14