Глава XV. ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ И РАДИОХИМИЯ

Ядерная химия устанавливает взаимосвязь между физикохимическими и ядерными свойствами вещества. Радиохимия изучает химию ядерных превращений и сопутствующие им физикохимические процессы, а также химию радиоактивных веществ.

§ XV.1. АТОМНОЕ ЯДРО. РАДИОАКТИВНОСТЬ

Атомное ядро. Согласно протонно-нейтронной теории, выдвинутой советскими учеными Д. И. Иваненко и Е. Н. Гапоном, а также немецким ученым В. Гейзенбергом, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами.

Протон это частица, имеющая массу кг и положительный заряд, равный Кл. Нейтрон незаряженная частица, обладающая массой кг.

Заряд ядра равен целому числу (порядковому номеру элемента) единиц зарядов протона. Его пишут слева внизу у символа элемента. Сумму протонов и нейтронов содержащихся в ядре атома, называют ядерным массовым числом (или просто массовым числом): Массовое число обычно пишут слева вверху у символа атома. Так, запись обозначает атом углерода с ядерным массовым числом 12.

Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, входящих в это ядро. Разность между массами ядра и нуклонов называют дефектом массы. Например, масса изотопа гелия равна 4,0015 атомных единиц массы (а.е.м), в то время как сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 4,0319 а.е.м., соответственно дефект массы равен 0,0304 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. Он соответствует энергии, которая выделяется при образовании ядра из протонов и нейтронов и может быть рассчитана по уравнению Эйнштейна:

где Е — энергия; — масса; с — скорость света.

Согласно этому уравнению, уменьшение массы на 0,0304 а.е.м. при образовании ядра гелия из двух протонов и двух нейтронов соответствует выделению энергии Дж или 2,72 10 кДж на 1 моль ядер гелия. Соответственно средняя энергия связи в ядре гелия на 1 моль нуклонов составляет кДж, т. е. в миллион раз превышает энергию связи атомов в молекулах.

Изотопы.

Существуют ядра с одним и тем же значением но с различным значением А, т. е. ядра с различным содержанием нейтронов. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Так, символами и С обозначают изотопы углерода. Большинство химических элементов является совокупностями изотопов. Например, природный кислород состоит из изотопов во (0,04 %) природный хлор — из изотопов Наличие нескольких изотопов у элементов — основная причина дробных значений атомных масс элементов. Наиболее многочисленны изотопы (по 6—10) у элементов с от 40 до 56, т. е. расположенных в середине периодической системы элементов. При этом число устойчивых (стабильных) изотопов меньше числа неустойчивых, т. е. радиоактивных. Элементы, начиная с 84 (полоний) и кончая 92 (уран), состоят только из неустойчивых изотопов. При изотопы становятся настолько нестабильными, что все тяжелые элементы, начиная с нептуния (93), получены искусственным путем.

Так как изотопы одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра и соответственно одинаковое электронное строение,

то химические свойства их практически тождественны. Исключение составляют изотопы легких элементов, у которых атомные массы существенно различаются. У таких изотопов и их соединений наблюдается заметная разница химических свойств. Примером таких изотопов могут быть протий дейтерий и тритий

Естественная радиоактивность.

Многие ядра атомов неустойчивы и могут самопроизвольно превращаться в другие ядра. Явление самопроизвольного распада ядер природных элементов получило название естественной радиоактивности. Естественная радиоактивность открыта французскими физиками А. Беккерелем (1896), М. Кюри и П. Кюри (1898). К основным типам самопроизвольных ядерных процессов относятся а- и -распады и спонтанное деление. При а-распаде ядро испускает а-частицы (ядра гелия) с массовым числом четыре и положительным зарядом два, что приводит к образованию изотопа элемента с зарядом ядра на две единицы меньше исходного. Выделение а-частиц характерно для большинства элементов с массовыми числами, превышающими 208, например для изотопа урана:

При -распаде происходит испускание ядром электрона или позитрона или захват ядром электрона с одного из ближайших к ядру энергетических уровней. При этом нейтрон превращается в протон или протон — в нейтрон. Р-Распад сопровождается выделением незаряженных частиц нейтрино или антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино обозначаются символами соответственно и При электронном р-распаде

излучаются электрон и антинейтрино. Например,

При позитронном р-распаде

испускаются позитрон и нейтрино. Например,

При электронном захвате

ядро захватывает электрон с ближайшего уровня и испускает нейтрино. Например,

При массовое число ядер не изменяется. При Р-распаде возникают атомы новых элементов, смещенных на одно место от исходного элемента к концу периодической системы (для электронного р-распада) или к ее началу (для позитронного р-распада или электронного захвата).

Спонтанным делением называется самопроизвольный распад ядер тяжелых элементов на два (реже на три, четыре) ядра атомов элементов, находящихся в середине периодической системы. Спонтанное деление сопровождается излучением нейтронов. Спонтанному делению подвергаются ядра атомов урана тория и др., например

Продолжительность ядерных процессов варьируется в очень больших пределах, от малых долей секунды до миллиарда лет и более. Реакция радиоактивного распада подчиняется кинетическому уравнению для реакций первого порядка (см. § V.1)

где — число не распавшихся ядер к моменту времени — первоначальное число ядер; к — постоянная радиоактивного распада.

Для характеристики скорости распада радиоактивных веществ используют величину, называемую периодом полураспада.

Период полураспада — промежуток времени, в течение которого первоначальное число ядер радиоактивного вещества вследствие распада уменьшается вдвое. Значение можно легко вывести из уравнения (XV. 1). Так как при или

Из уравнений (XV.1) и (XV.2) получаем

По уравнениям можно определить время прошедшее после начала распада, или первоначальное число ядер или период полураспада Периоды полураспада радиоактивных изотопов лежат в очень широких пределах. Так, равен лет,

Радиоактивные ряды.

Все элементы, находящиеся в периодической системе элементов после висмута, радиоактивны.

Среди последних существуют три элемента, а именно: торий-232 лет), уран-235 лет) и

Рис. XV. 1. Радиоактивный ряд урана

уран-238 лет), продолжительность жизни которых достаточно высока, чтобы они могли сохраниться на Земле в течение прошедших млрд. лет ее существования.

Изотопы и — родоначальники природных радиоактивных рядов тяжелых элементов, названных соответственно рядом тория, урана и актиноурана; а- и -превращения в этих рядах заканчиваются образованием трех устойчивых изотопов свинца: На рис. XV.1 приведен радиоактивный ряд урана.