Строение ядра. Ядерные превращения

Ядро атома. Структурными единицами, образующими атомное ядро являются положительно заряженные протоны (р) и нейтральные нейтроны (n), представляющие собой два различных состояния одной и той же частицы — нуклона.

Возможный переход нуклона из одного состояния в другое сопровождается «рождением» электрона е ^- или позитрона е ⁺ вместе с частицей, не имеющей заряда и мас­сы покоя — нейтрино ν:

р → n + е ⁺ + ν; n → р + е ^- + ν.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в Периодической таблице Д.И. Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом А и приблизительно равно средней массе атома, указанной в Периодической таблице. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Атомная масса химического элемента (также «средняя атомная масса», «стандартная атомная масса») является средневзвешенной атомной массой всех стабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной распространённости в земной коре и атмосфере.

В ядре между нуклонами действуют силы сцепления, на­зываемые ядерными силами. Для них характерно: 1) дейст­вие между всеми частицами ядра; 2) необычайная мощность, благодаря которой плотность ядерного вещества достигает огромного значения порядка 10¹⁴ г/см²; 3) способность дей­ствовать только на очень малых расстояниях, не превышаю­щих размера самого ядра (10^{-13 см).}

Дефектом массы (Δ m) называют разность между массой ядра и арифметической суммой масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Дефект массы связан с энергией, выделяющейся при образовании ядра, соотношением Эйн­штейна E = Δ m∙ c ². Чем больше Δ m, тем больше энергия свя­зи между частицами в ядре и тем выше его устойчивость. Благодаря большим значениям Δ m для ядерных реакций применим не закон сохранения массы, а общий закон со­хранения материи: Σ m +Σ Е = const.

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом. Ядерная реакция изображается уравнением реакции, в котором последовательно указывается: ядро-мишень, бомбардирующая частица («снаряд»), вылетающая частица и образовавшееся ядро. Большая часть ядерных реакций протекает в две стадии: 1) захват «снаряда» ядром-мишенью, 2) распад неустойчивого продукта захвата с об­разованием конечного ядра — продукта реакции.

В результате ядерной реакции ядро атома претерпевает более или менее глубокие превращения, в результате которых образуют­ся ядра атомов других элементов (одно или несколько) или же из­меняется энергетическое состояние исходного ядра.

При составлении уравнений ядерных реакций необходимо учитывать следующие их особенности.

1. Приводимые в этих уравнениях химические символы обозна­чают не атомы элементов, а лишь их ядра (зная заряд и массу ядра, легко можно представить себе и атом в целом).

2. Индексы у структурного символа той или иной частицы обоз­начают: верхний индекс — массовое число, т. е. массу данной час­тицы, округленную до ближайшего целого числа; нижний индекс — положительный заряд частицы (зарядовое число). У ядер атомов он численно равен порядковому номеру элемента в таблице Менделее­ва.

Уравнения ядерных реакций должны удовлетворять следующим требованиям (правило равенства сумм индексов):

а) сумма массовых чисел частиц левой и правой частей уравне­ния (по верхним индексам) должны быть равны между собой. При этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются;

б) суммы зарядов частиц (по нижним индексам) в обеих частях уравнения также должны быть одинаковыми. Заряд электрона учитывается со знаком минус, протона и позитрона — со знаком плюс. Нейтрон и γ -фотон заряда не имеют.

Часто пользуются сокращенными записями ядерных реакций. При этом действующая частица («бом­бардирующая» частица облучения) и выбрасываемая (вто­ричная) частица указываются в скобках.

Радиоактивность - это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изо­топ другого, которое сопровождается испусканием элемен­тарных частиц или ядер. Существует несколько видов радиоактивного распада: α – распад, электронный или β ^- – распад, β ⁺ – распад, электронный захват и спонтанной деление.

За единицу радиоактивного распада в СИ принят беккерель (Бк) — радиоактивность, при которой за 1 с про­исходит 1 акт распада (с^-1). Внесистемная единица кюри (Ки) равна 3, 7∙ 10¹⁰ Бк (число α -частиц, которые испускает радий массой 1 г в 1 с).

 

Задачи:

1.Символ одного из изотопов элемента ⁵²₂₄Э. Укажите: а) название элемента; б) число протонов и ней­тронов в ядре; в) число электронов в электронной обо­лочке атома.

2. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома — 15 электронов. Назовите элемент, изотопом которого яв­ляется данный атом. Приведите запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа.

3. При бомбардировке ядер бора ¹⁰₅B нейтронами был получен изотоп лития ⁷₃Li. Определите промежуточное ядро и выброшенную частицу.

4. В результате бомбардировки изотопа неона ²¹₁₀Ne некоторыми частицами образуются изотоп фтора и α -частица. Определите бомбардирующую частицу.

5. Из ядра магния ²⁴₁₂Mg получено ядро изотопа нат­рия ²²₁₁Nа и α -частица, а из ядер ⁹₄Ве получены ¹⁰₅В + n и ¹²₆С + n. При помощи каких «снарядов» были осуществлены эти реакции?

6. γ -Кванты возбуждают ядра цинка ⁶⁶₃₀Znи магния ²⁶­­₁₂Мg, благодаря чему первое ядро выбрасывает протон и нейтрон, а второе — только протон. Определите, ядра каких элементов при этом образуются.

7. Изотоп какого элемента образуется, если ядро лития ⁶₃Li, поглощая нейтрон, выбрасывает α -частицу?

8. При бомбардировке протонами ядер: а) изотопа ²¹₁₀Ne вылетают α -частицы; б) меди ⁶³₂₉Сu - нейтроны. Какие изо­топы и каких элементов при этом образовались?

9. Технеций Тс — первый элемент, полученный синте­тическим путем при облучении ⁹⁶₄₂Мо дейтронами. Какое возбужденное ядро при этом образуется и в ядро какого элемента оно превращается после выброса нейтрона?

10. Сколько α -частиц теряет ядро радона, если в резуль­тате образуется изотоп свинца ²¹⁴₈₂Рb?

11. Сколько α - и β ^- -частиц теряют ядра ²³²₉₀Th, ²³⁸₉₂Uи ²³⁵₉₂U, превращаясь в конечном итоге в изотопы свинца?

12. Какой элемент периодической системы образуется, если в цепи радиоактивных превращений ядро атома ра­дия ²²⁶₈₈Ra в конечном счете потеряло 5α - и 4β ^- -частиц?

13. Чему равна Е _св между протоном и нейтроном в ядре дейтерия в кДж/моль? Сравните ее с Е _св между атомами водорода в молекуле Н₂, равной 436 кДж/моль. Δ m (D) = 0, 00185 а. е. м.

14. Полные уравнения ядерных реакций запишите в сокращенном виде:

а) ³⁷₁₇С1 + ²₁D → ³⁵₁₆S+ ⁴₂Не д) ¹⁸₉F → ¹⁸₈О + β ⁺

б) ²⁰⁹₈₃Вi + ⁴₂Не → ²¹¹₈₅Аt + 2 n е) ³⁴₁₆S + n → ³⁵₁₆S + γ

в) ¹⁹⁷₇₉Аu + ²₁D → ¹⁹⁴₇₇Ir + ⁴₂Не + p ж) ⁶²₂₈Ni + γ → ⁶¹₂₇Со + p

г) ⁹⁹₄₂Mо → ⁹⁹₄₃Тс + β ^-

15. Сокращенные уравнения ядерных реакций запишите в полном виде (с указанием верхних и нижних индексов):

а) ²⁷А1 (р, α ) ²⁴Мg д) ⁵⁶Мn (—, β ^-) ⁵⁶Fе

б) ⁷⁰Zn (р, n)⁷⁰Gа е) ¹³N (—, β ⁺) ¹³С

в) ⁵⁴Fе (γ; р, n) ⁵²Мn ж) ²³⁹Рu (—, α)²³⁵U

г) ³¹Р (n, γ) ³²Р

16. Для приведенных ядерных реакций укажите структурный символ составного ядра (обозначен знаком вопроса в скобках):

а) ¹⁹₉F + α → (?) → ²²₁₁Ne + p

б) ⁹₄Ве + α → (?)→ ¹²₆С + n

в) ¹⁹⁷₇₉Аu + ²₁D → (?) → ¹⁹⁴₇₇Ir + α + p

17. Представьте структурный символ промежуточного ядра в реакции, записанной в общем виде (промежуточное ядро обозначить через Э):

^A_ZХ + ⁴₂Не →? → ^A+3_Z+2Y + n

18. Допишите уравнения ядерных реакций:

а) ⁶¹₂₈Ni + p → (?)→? + n

б) ⁸⁹₃₉Y + n → (?)→ ⁸⁹₃₈Sr +?

в)? + p → (⁸³₃₅Вr) →? + n

г) ²⁵³₉₉Es +? → (?)→ ²⁵⁶₁₀₁Md +?

д) ⁵⁰₂₄Сr + p → (?)→? + γ

19. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁵Сl (75, 5% (масс.)) и ³⁷Сl (24, 5% (масс.)). Вычислите среднюю атомную массу природного хлора.

20. Природный магний состоит из изотопов ²⁴Мg, ²⁵Mg и ²⁶Мg. Вычислите среднюю атомную массу при­родного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78, 6, 10, 1 и 11, 3.

 

Задачи для самостоятельного решения:

1. Массовое число атома некоторого элемента рав­но 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Укажите число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.

2. Напишите полные уравнения реакций, краткая запись которых имеет вид: а) ⁶³₂₉Сu(р, n)⁶³₃₀Zn; б) ⁹⁸₄₂Mo(n, е ^-)⁹⁹₄₃Tc; в) ⁵⁵Мn(n, α)⁵²V; г) ⁵³Сr(d, n)⁵⁴Мn.

3. Фотон γ -излучения выбивает из ядра изотопа ²⁶₁₂Мg протон. Какое ядро при этом образуется?

4.При действии γ - квантов алюминий превращается в изотоп магния. Какая частица испускается при этом возбужденным ядром алюминия?

5. Определите исходное ядро, если из него при бом­бардировке дейтронами образуется изотоп марганца ⁵⁴₂₅Мn с выбросом нейтрона.

6. При облучении дейтронами ядер изотопа ⁴¹₁₉К обра­зуется возбужденное ядро, выбрасывающее протон. Какой конечный изотоп получен в результате этой реакции?

7. Самый тяжелый галоген астат был получен в 1940 г. при облучении ²⁰⁹₈₃Вi α -частицами. Какой изотоп астата образуется, если возбужденное ядро выбрасывает два нейтрона?

8. Какие элементы образуются при α -распаде ядер ¹¹₅B; ²⁸₁₄Si; ²¹⁴₈₄Ро?

9. Укажите природу и состав неустойчивого промежуточного ядра (т. е. приведите его структурный символ) для следующих ядерных реакций:

а) ⁵³Сr (d, n) ⁵⁴Мn

б) ⁵⁵Мn (n, α)⁵²V

в) ³²S (α, d) ³⁴Сl

10. Напишите уравнения ядерных реакций:

а) ⁵¹V(α, n)? г)? (α, d) ³⁴Cl

б) ⁵⁶Fе (d,?) ⁵⁷Со д) ¹⁹ F(?, γ) ²⁰Nе

в) ¹⁴N (?, р) ¹⁷О

11. Природный галлий состоит из изотопов ⁷¹Gа и ⁶⁹Gа. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69, 72?

 

Занятие №5.