webdonsk.ruКак сделать изотоп
Добавил пользователь Alex Обновлено: 02.09.2024
Содержание
Терминология
Основная позиция ИЮПАК состоит в том, что правильным термином в единственном числе для обозначения атомов (или ядер) одного химического элемента с одинаковой атомной массой является нуклид, а термин изотопы допускается применять для обозначения совокупности нуклидов одного элемента. Термин изотопы был предложен и применялся изначально во множественном числе, поскольку для сравнения необходимо минимум две разновидности атомов. В дальнейшем в практику широко вошло также употребление термина в единственном числе — изотоп. Кроме того, термин во множественном числе часто применяется для обозначения любой совокупности нуклидов, а не только одного элемента, что также некорректно. В настоящее время позиции международных научных организаций не приведены к единообразию и термин изотоп продолжает широко применяться, в том числе и в официальных материалах различных подразделений ИЮПАК и ИЮПАП. Это один из примеров того, как смысл термина, изначально в него заложенный, перестаёт соответствовать понятию, для обозначения которого этот термин используется (другой хрестоматийный пример — атом, который, в противоречии с названием, не является неделимым).
История открытия изотопов
Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди, стали называть изотопами.
Изотопы в природе
Считается, что изотопный состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии.
Применение изотопов человеком
В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235 U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия. Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235 U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.
См. также
Стабильные: 1 H: Протий, D, 2 H: Дейтерий
10—10 000 лет: T, 3 H: Тритий
Нестабильные (менее суток): 4 H: Водород-4, 5 H: Водород-5, 6 H: Водород-6, 7 H: Водород-7
Гипотетические: 2 He: Гелий-2 (Дипротон)
Стабильные: 3 He: Гелий-3, 4 He: Гелий-4
Нестабильные (менее суток): 5 He: Гелий-5, 6 He: Гелий-6, 7 He: Гелий-7, 8 He: Гелий-8, 9 He: Гелий-9, 10 He: Гелий-10
Нестабильные (менее суток): 8 C: Углерод-8, 9 C: Углерод-9, 10 C: Углерод-10, 11 C: Углерод-11
Стабильные: 12 C: Углерод-12, 13 C: Углерод-13
10—10 000 лет: 14 C: Углерод-14
Нестабильные (менее суток): 15 C: Углерод-15, 16 C: Углерод-16, 17 C: Углерод-17, 18 C: Углерод-18, 19 C: Углерод-19, 20 C: Углерод-20, 21 C: Углерод-21, 22 C: Углерод-22
Ясное дело, химикам и физикам это лучше не читать. Объяснения в статье примитивные, со множеством допущений, рассчитанные на людей, далеких от науки.
Итак, изотоп. Лучше всего рассматривать его на примере водорода – самого распространенного во Вселенной элемента, занимающего первый атомный номер в периодической таблице.
Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный, а нейтроны – нейтральны. Поэтому атом электрически нейтрален тогда, когда число протонов и электронов совпадает. В противном случае этот атом будет называться ионом. Протоны и нейтроны в ядре связаны сильным взаимодействием – одним из самых сильных в природе.
Мы договорились рассматривать изотопы на примере водорода. Водород выглядит намного проще, чем верхний рисунок: он имеет один-единственный протон, вокруг которого по орбите движется электрон (даже нейтрона у него нет):
Изотопы – это те вещества, у которых атомы имеют одинаковое число протонов и электронов, а отличаются лишь числом нейтронов. Атомный номер элемента при этом не меняется, ведь число протонов остается то же самое. Но меняется массовое число – так как нейтроны добавляют массу атому.
Давайте добавим к нашему простейшему водороду один нейтрон. Теперь водород выглядит так:
С точки зрения химика ничего не изменилось, остался прежний водород с его химическими свойствами. И остался этот наш водород по-прежнему в первой ячейки периодической системы. А вот с физической точки зрения есть большая разница: это самый настоящий изотоп. С точки зрения изотопов простейший водород (без нейтрона) также является изотопом и называется протием. Водород с одним нейтроном называется дейтерием, а с двумя нейтронами – тритием:
Тритий нестабилен и распадается в течение 12,3 лет. Изотопы водорода с большим количеством нейтронов (квадий, пентий и пр.) в природе устойчиво не существуют, так как распадаются за мельчайшие доли секунды.
Кроме водорода множество других химических элементов имеют изотопы. Они бывают радиоактивные (в которых ядра атомов крайне нестабильны и распадаются с испусканием частиц), а бывают стабильные, которые распадаются миллионы лет. На сегодня известно более 2000 нестабильных изотопов и около 270 стабильных. Атомное ядро не может содержать произвольное количество нейтронов, делающих вещество изотопом, поэтому количество изотопов не бесконечно.
Для чего нам нужны изотопы? Для огромного количества самых разных задач, в том числе биологических, агрохимических, медицинских, научных. Так, например, наверняка все слышали про радиоуглеродный анализ, позволяющий определить возраст биологических останков. Дело в том, что один из изотопов углерода 14С содержится в большом количестве в атмосфере, имеет период полураспада 5600 лет и активно участвует в углеродном обмене со всеми живыми организмами. После гибели организма данный изотоп начинает постепенно распадаться. Зная примерное содержание изотопа в организме и измерив его активность можно с большой точностью определить время смерти организма.
Широко применяются изотопы и в медицинских средствах инструментальной диагностики.
Разумеется, изотопы применяются в ядерном оружии. Например, в водородной бомбе происходит практически мгновенная реакция синтеза уже упомянутых дейтерия и трития в более тяжелые элементы.
Итак, что необходимо запомнить? Что изотопы – это вещества, в атомном ядре которого находится различное количество нейтронов.
В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение A X.
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2 H и 3 H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1 H называют иногда протием).
В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z Ј 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.
Открытие изотопов, историческая справка.
В 1808 английский ученый натуралист Джон Дальтон впервые ввел определение химического элемента как вещества, состоящего из атомов одного вида. В 1869 химиком Д.И.Менделеевым была открыт периодический закон химических элементов. Одна из трудностей в обосновании понятия элемента как вещества, занимающего определенное место в клетке периодической системы, заключалась в наблюдаемой на опыте нецелочисленности атомных весов элементов. В 1866 английский физик и химик – сэр Вильям Крукс выдвинул гипотезу, что каждый природный химический элемент представляет собой некоторую смесь веществ, одинаковых по своим свойствам, но имеющих разные атомные масс, однако в то время такое предположение не имело еще экспериментального подтверждения и поэтому прошло мало замеченным.
Важным шагом на пути к открытию изотопов стало обнаружение явления радиоактивности и сформулированная Эрнстом Резерфордом и Фредериком Содди гипотеза радиоактивного распада: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличающийся от исходного. В результате возникло представление о радиоактивных рядах или радиоактивных семействах, в начале которых есть первый материнский элемент, являющийся радиоактивным, и в конце – последний стабильный элемент. Анализ цепочек превращений показал, что в их ходе в одной клеточке периодической системы могут оказываться одни и те же радиоактивные элементы, отличающиеся лишь атомными массами. Фактически это и означало введение понятия изотопов.
Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было затем получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона и Астона в 1912–1920 с пучками положительно заряженных частиц (или так называемых каналовых лучей), выходящих из разрядной трубки.
В 1919 Астон сконструировал прибор, названный масс-спектрографом (или масс-спектрометром). В качестве источника ионов по-прежнему использовалась разрядная трубка, однако Астон нашел способ, при котором последовательное отклонение пучка частиц в электрическом и магнитном полях приводило к фокусировке частиц с одинаковым значением отношения заряда к массе (независимо от их скорости) в одной и той же точке на экране. Наряду с Астоном масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан американцем Демпстером. В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей к 1935 году была составлена почти полная таблица изотопных составов всех известных к тому времени химических элементов.
Методы разделения изотопов.
Для изучения свойств изотопов и особенно для их применения в научных и прикладных целях требуется их получение в более или менее заметных количествах. В обычных масс-спектрометрах достигается практически полное разделение изотопов, однако количество их ничтожно мало. Поэтому усилия ученых и инженеров были направлены на поиски других возможных методов разделения изотопов. В первую очередь были освоены физико-химические методы разделения, основанные на различиях в таких свойствах изотопов одного итого же элемента, как скорости испарения, константы равновесия, скорости химических реакций и т.п. Наиболее эффективными среди них оказались методы ректификации и изотопного обмена, которые нашли широкое применение в промышленном производстве изотопов легких элементов: водорода, лития, бора, углерода, кислорода и азота.
Применение изотопов.
В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.
Окружающий нас мир построен из множества атомов различных элементов. Их размеры очень малы. Диаметр самого легкого атома водорода составляет одну стомиллионную часть сантиметра.
Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10 -8 см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10 -13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона [Белов А.Д., 1999]. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.
В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.
Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т.д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода ( 12 С).
1 а.е.м. = 1,67*10 -27 кг
Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.
1эВ = 1,602*10 -19 Кл
Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.
Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z ( А ZX).
Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева:
q = Ze
Ядерные силы.
Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.
Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы p-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные p-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.
Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10 -19 Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а.е.м. или 938,27 МэВ.
Число протонов в ядре (атомный номер) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы Д.И. Менделеева. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.
Нейтрон (n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента [Белов А.Д., 1999].
Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а.е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10 -28 кг. Энергетический эквивалент а.е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10 -19 Кл.
Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P,Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:
m=2n 2 ,
где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее.
Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.
Атом, обладающий избытком энергии, называется ВОЗБУЖДЕННЫМ, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленным, от ядра - процессом ВОЗБУЖДЕНИЯ.
Поскольку в природе всякая система стремится перейти в положение, при котором ее энергия будет наименьшей, то и атом из возбужденного состояния переходит первоначальное.
Возращение атома в обычное состояние сопровождается делением избыточной энергии. Переход электронов из внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновым излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома (характеристическое рентгеновское излучение).
Переходы электронов в пределах внешних орбит дают оптический спектр, который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей.
При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы.
Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов - в отрицательный.
Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов.
Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.
Изотопы, изотоны, изобары.
Большинство элементов в природе представляет собой смесь разновидностей атомов, ядра которых содержат неодинаковое число нейтронов, т.е. различаются по массе.
Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число ( 39 19К, 40 19К, 41 19К).
Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами. Начиная с 83-го элемента т. Менделеева - все изотопы элементов радиоактивны. Известно свыше 1200.
Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. Например 13 6С имеет шесть протонов и семь нейтронов, 14 7N имеет семь протонов и тоже семь нейтронов.
Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т.е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами.
Читайте также: