Атомное ядро

Ядро каждого атома или иона состоит из N нейтронов и Z протонов, услов­ные обозначения и характеристики которых даны ранее. Нейтроны и протоны — элементарные частицы, имеющие массу около 1 а. е. м.: т_n = 1,0087 а. е. м., т_p = 1,0078 а. е. м. (Напомним, что 1 а. е. м. = 1/12 массы изотопа углерода ¹²₆С. В атомной системе единиц, которой мы пользовались выше, т_n — 1838, 8т_е и т_p = 1836, 1 т_е, где масса покоя электрона принималась равной единице). Сум­ма числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в ядре атома, называется массовым числом атома (ядра). Поскольку и протон, и нейтрон имеют массу, очень близкую к атомной единице массы, то массовое число атома приближенно выражает его атомную массу. Но число протонов равно числу положительных зарядов, т. е. порядковому номеру элемента; следовательно, число нейтронов равняется разности между массовым числом и порядковым номером элемента. Запись каждого элемента ^A_ZЭ (например, для хлора ³⁶₁₇Сl, железа ⁵⁶₂₆Fе) характе­ризуется не только указанием его символа, но и характеристик ядра его атома: А = N + Z — массового числа и Z — заряда ядра. Конкретное ядро с данным массовым числом А и данным зарядом Z называется нуклидом. Масса ядра т_я всегда меньше, чем масса всех составляющих его протонов и нейтронов. Разность называется дефектом массы. Сумма масс протонов и нейтронов, образующих ядро гелия, равна

2 - 1,00728 + 2 - 1,00867 = 4,03190,

тогда как в действительности масса ядра гелия равна 4,0026, т. е. примерно на 0,03 а. е. м. меньше. Аналогичные результаты получаются при подсчете масс других ядер.

Чем же объяснить уменьшение массы при образовании атомных ядер? Как уже неоднократно упоминалось, из теории относительности вытекает связь ме­жду массой и энергией, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = тс². Из этого уравнения следует, что каждому изменению массы должно отвечать и соответ­ствующее изменение энергии. Если при образовании атомных ядер происходит заметное уменьшение массы, это значит, что одновременно выделяется огромное количество энергии. Дефект массы при образовании ядра атома гелия составля­ет 0,03 а. е. м., а при образовании 1 моля атомов гелия — 0,03 г. Согласно урав­нению Эйнштейна, это соответствует выделению 2,7 - 10¹² Дж энергии. Чтобы составить себе представление о колоссальной величине этой энергии, достаточ­но указать, что она примерно равна той энергии, которую может дать в течение часа электростанция, равная по мощности Днепрогэсу.

Энергия связи ядра, рассчитываемая по выражению Эйнштейна Е = тс², определяет устойчивость ядра: чем больше величина выделившейся энергии, тем устойчивее ядро.

Нуклоны (нейтроны и протоны) распределены приблизительно равномерно по объему ядра. Между образующими ядро частицами действуют два вида сил: электростатические си­лы взаимного отталкивания положительно заряженных протонов и силы притя­жения между всеми частицами, входящими в состав ядра, называемые ядерны­ми силами. С возрастанием расстояния между взаимодействующими частицами ядерные силы убывают гораздо более резко, чем силы электростатического вза­имодействия. Поэтому их действие заметно проявляется только между очень близко расположенными частицами. Но при ничтожных расстояниях между ча­стицами, составляющими атомное ядро, ядерные силы притяжения превышают силы отталкивания, вызываемые присутствием одноименных зарядов, и обеспе­чивают устойчивость ядер.

Энергия связи ядра приблизительно прямо пропорционально зависит от числа нуклонов, а энергия связи, приходящаяся на один нуклон, имеет максимальное значение при средних атомных массах. Поэтому средние по массе ядра стабиль­нее, чем ядра более легкие и более тяжелые. При Z > 84 все ядра нестабильные.

Ядра с четными значениями Z и N встречаются гораздо чаще. При этом наи­более устойчивы ядра с количеством нуклонов 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа получили название магических и связаны с тем, что, как и для элек­тронов в атоме, для ядер справедлив принцип заполнения оболочек с особенно устойчивыми конфигурациями.

Радиоактивность. Сведения об устойчивости атомных ядер полу­чаются при исследовании явления радиоактивности. При этом распад ядер со­провождается излучением: α-излучение — ядра гелия ⁴₂Не (ион Не²⁺), β-излучение — поток электронов высокой энергии, γ-излучение — электромагнитные волны более высокой частоты, чем рентгеновское излучение.

Радиоактивные элементы и их распад. Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа (изотопы – ядра, имеющие одинаковые числа протонов) одного химического эле­мента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементар­ных частиц или ядер. Радиоактивность, проявляемая природными изотопами элементов, называется естественной радиоактивностью. Процессы радиоак­тивных превращений протекают у разных изотопов с различной скоростью. Эта скорость характеризуется постоянной радиоактивного распада, показывающей, какая часть общего числа атомов радиоактивного изотопа распадается в 1 с. Чем больше радиоактивная постоянная, тем быстрее распадается изотоп.

Изучение процессов радиоактивного распада показало, что количество ато­мов радиоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, пропорцио­нально имеющемуся в данный момент общему количеству атомов этого изо­топа. Другими словами, всегда распадается одна и та же часть имеющегося числа атомов. Таким образом, если в течение некоторого времени разложилась половина имевшегося радиоактивного изотопа, то в следующий такой же про­межуток времени разложится половина остатка, т. е. вдвое меньше, еще в сле­дующий — вдвое меньше, чем в предыдущий, и т. д. Наблюдая, например, за изменением количества радона, установили, что через 3,85 суток остается поло­вина первоначального количества, еще через 3,85 суток — только 1/4, затем 1/8 и т. д.

Зависимость количества нераспавшегося ра­дона от времени показана на рис. (нарисовать рисунок)

Промежуток времени, в течение которого разлагается половина первоначального коли­чества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада. Эта величина характе­ризует продолжительность жизни элемента. Для различных радиоактивных элементов она колеблется от долей секунды до миллиардов лет. Так, период полураспада радона соста­вляет 3,85 суток, радия — 1620 лет, урана — 4,5 миллиарда лет.

К основным видам радиоактивного распа­да относятся α-распад, β-распад, электронный захват и спонтанное деление. Часто эти ви­ды радиоактивного распада сопровождаются испусканием γ-лучей, т.е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного излучения.

При α -распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия ⁴₂Не; это приводит к уменьшению заряда исходного радио­активного ядра на 2, а его массового числа на 4. Таким образом, в результате α -распада образуется атом элемента, смещенного на два места от исходного ра­диоактивного элемента к началу периодической системы.

Возможность β-распада связана с тем, что протон и нейтрон представляют собой два состояния одной и той же элементарной частицы — нуклона (от ла­тинского nuclеиs — ядро). При известных условиях (например, когда избыток нейтронов в ядре приводит к его неустойчивости) нейтрон может превращать­ся в протон, одновременно «рождая» электрон. Этот процесс можно изобразить схемой:

Нейтрон → Протон + Электрон или п → р+ е^-.

При взаимопревращениях протона и нейтрона образуются также другие эле­ментарные частицы (нейтрино и антинейтрино). Поскольку масса покоя и элек­трический заряд этих частиц равны нулю, их участие в радиоактивных превра­щениях в приводимых здесь схемах не отражено.

Таким образом, при β-распаде один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон; возникающий при этом электрон вылетает из ядра, по­ложительный заряд которого на единицу возрастает.

Возможно также превращение протона в нейтрон с образованием позитрона:

Протон → Нейтрон +Позитрон илиp→n + e⁺

Такой процесс может происходить в тех случаях, когда неустойчивость ядра вызвана избыточным содержанием в нем протонов, При этом один из прото­нов, входящих в состав ядра, превращается в нейтрон, возникающий позитрон вылетает за пределы ядра, а заряд ядра на единицу уменьшается. Такой вид радиоактивного распада называется позитронным β-распадом (или β⁺-распа­дом) в отличие от ранее рассмотренного электронного β -распада (β^—распада).

Этот вид радиоактивного превращения наблюдается у некоторых искусственно полученных радиоактивных изотопов.

Изменение заряда ядра при β-распаде приводит к тому, что в результате β-распада образуется атом элемента, смещенного на одно место от исходного ра­диоактивного элемента к концу периодической системы (в случае β^--распада) или к ее началу (в случае β⁺-распада).

К уменьшению заряда ядра на единицу при сохранении массового числа ато­ма приводят не только β⁺-распад, но и электронный захват, при котором один из электронов атомной электронной оболочки захватывается ядром; взаимодей­ствие этого электрона с одним из содержащихся в ядре протонов приводит к образованию нейтрона:

e^- + р → n.

Электрон чаще всего захватывается из ближайшего к ядру K-слоя (K-захват), реже из L- или М -слоев.

Спонтанным делением называется самопроизвольный распад ядер тяжелых элементов на два (иногда на три или на четыре) ядра элементов середины пе­риодической системы. Варианты такого деления очень разнообразны, так что общих правил смещения по периодической системе не существует; чаще всего происходит распад исходного ядра на тяжелый и легкий осколки, несущие со­ответственно около 60 и 40 % заряда и массы исходного ядра. Относительное содержание нейтронов в ядрах изотопов тяжелых элементов выше, чем в ядрах устойчивых изотопов середины периодической системы. Поэтому при спонтан­ном делении распадающееся ядро испускает 2—4 нейтрона; образующиеся ядра все еще содержат избыток нейтронов, оказываются неустойчивыми и поэтому претерпевают последовательный ряд β^--распадов.

Элементы, расположенные в конце периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радио­активен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и так далее до тех пор, пока не получаются атомы устойчивого изотопа. Ряд элементов, образую­щихся подобным образом один из другого, называется радиоактивным рядом. Примером может служить приводимый ниже ряд урана — последовательность продуктов превращения изотопа ²³⁸₉₂U составляющего преобладающую часть природного урана; для каждого превращения указан тип радиоактивного рас­пада (над стрелкой) и период полураспада (под стрелкой) (показать картинку)

Таким образом, конечным продуктом распада является устойчивый изотоп свинца.

При β-распаде массовое число изотопа не меняется, а при α-распаде умень­шается на 4. Поэтому возможно существование четырех радиоактивных рядов: один из них включает изотопы, массовые числа которых выражаются общей формулой 4n (n — целое число), второму отвечает общая формула массово­го числа 4n + 1, третьему — 4n + 2 (это и есть радиоактивный ряд урана) и четвертому — 4n + 3. Действительно, помимо ряда урана, известны еще два естественных радиоактивных ряда: ряд тория, начинающийся с изотопа ²³²₉₀Th и соответствующий общей формуле массового числа 4n, и ряд актиния, начина­ющийся с изотопа ²³⁵₉₂U и отвечающий общей формуле массового числа 4n + 3. Устойчивые продукты превращений в этих рядах тоже представляют собой изо­топы свинца ²⁰⁸₈₂Рb ^{и 207}₈₂Рb. Родоначальником четвертого радиоактивного ряда (ряда нептуния) с общей формулой массового числа 4п + 1 служит изотоп ис­кусственно полученного элемента нептуния ²³⁷₉₃Np; здесь конечным продуктом распада является устойчивый изотоп висмута ²⁰⁹₈₃Вi.

Накопление свинца в результате распада содержащихся в минералах радиоактив­ных элементов позволяет определить возраст соответствующих горных пород, Зная скорость распада ²³⁸₉₂U, ²³²₉₀^Th и ²³⁵₉₂U и определив их содержание, а также содержание и изотопный состав свинца в минерале, можно вычислить возраст минерала, т. е. время, прошедшее с момента его образования (так называемый свинцовый метод определения возраста). Для минералов с плотной кристаллической упаковкой, хорошо сохраняющей содержащиеся в кристаллах газы, возраст радиоактивного минерала можно установить по количеству гелия, накопившегося в нем в результате радиоактивных превращений (гелиевый метод). Для определения возраста сравнительно молодых образований (до 70 тыс лет) применяется радиоуглеродный метод, основанный на радиоактивном распа­де изотопа углерода ¹⁴₆С (период полураспада около 5600 лет). Этот изотоп образуется в атмосфере под действием космического излучения и усваивается организмами, после гибели которых его содержание убывает по закону радиоактивного распада. Возраст органических остатков (ископаемые организмы, торф, осадочные карбонатные поро­ды) может быть определен путем сравнения радиоактивности содержащегося в них углерода с радиоактивностью углерода атмосферы.

Искусственная радиоктивность. Оказалось, что некоторые легкие элемен­ты, например бор, магний, алюминий, при «бомбардировке» α-частицами испус­кают позитроны. Причем испускание позитронов продолжается некоторое время после воздействия α-частиц. Значит, при бомбардировке α-частицами образуют­ся радиоактивные атомы, обладающие определенной продолжительностью жиз­ни, но испускающие не α-частицы и не электроны, а позитроны. Таким образом, была открыта искусственная радиоактивность.

Например, в случае алюминия процесс протекает в две стадии

²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + n,

где ³⁰₁₅P — искусственно полученный изотоп фосфора — радиофосфор. Послед­ний неустойчив (период полураспада 3 мин 15 с) и распадается с образованием устойчивого ядра:

³⁰₁₅P →³⁰₁₄Si+ е⁺.

Аналогичные процессы происходят при бомбардировке α-частицами ядер бора и магния.

В настоящее время искусственно получены сотни радиоактивных изотопов хи­мических элементов. Раздел химии, изучающий радиоактивные элементы и их поведение, называется радиохимией. Следует различать радиохимию и радиаци­онную химию, предметом которой являются химические процессы, протекающие под действием ионизирующих излучений.

Получение изотопа ³⁰₁₅P путем бомбардировки атомов алюминия а-частицами служит примером ядерных реакций, под которыми понимают взаимодействие ядер с элементарными частицами (нейтронами п, протонами р, γ-фoтонами) или с другими ядрами (например, с α-частицами или дейтронами ²₁Н). С про­теканием ядерных реакций связаны происхождение элементов, возможность их искусственного взаимопревращения и синтеза новых элементов.

Для осуществления ядерной реакции бомбардирующая частица должна обла­дать большой энергией. Разработаны и созданы специальные установки (уско­рители). позволяющие сообщать заряженным частицам огромную энергию. Для проведения ядерных реакций используются также потоки нейтронов, образую­щиеся при работе атомных реакторов. Применение этих мощных средств воздей­ствия на атомы позволило осуществить большое число ядерных превращений.

Таким образом был искусственно получен неизвестный до этого элемент с порядковым номером 43, заполнивший соответствующее место в периодической системе и получивший название технеция (Тс). Для этого молибден бомбарди­ровали дейтронами:

⁹⁸₄₂Mo + ²₁H → ⁹⁹₄₃Tc + n.

Особый интерес представил синтез ряда трансурановых элементов, располо­женных в периодической системе после урана. При поглощении нейтронов ядра­ми изотопа ²³⁸₉₂U образуется β- радиоактивный изотоп урана ²³⁹₉₂U периодом по­лураспада 23 мин. Испуская β -частицы, ²³⁹₉₂U превращается в новый элемент -нептуний ²³⁹₉₃Np. Было установлено, что ²³⁹₉₃Np тоже радиоактивен. Подвергаясь β^--распаду, он превращается в элемент с порядковым номером 94- ²³⁹₉₄Pu -плутоний (Рu). К настоящему времени искусственным путем получены тяжелые элементы вплоть до элемента с порядковым номером 109 — мейтнерия.

Изучение ядерных реакций открыло путь к практическому использованию внутриядерной энергии. Оказалось, что наибольшая энергия связи нуклонов в ядре (в расчете на один нуклон) отвечает элементам средней части периодиче­ской системы. Это означает, что как при распаде ядер тяжелых элементов на более легкие (реакции деления), так и при соединении ядер легких элементов в более тяжелые ядра (реакции термоядерного синтеза,) должно выделяться большое количество энергии.

Первая ядерная реакция, которую применили для получения энергии, пред­ставляет собой реакцию деления ядра ²³⁵₉₂Uпод действием проникающего в ядро нейтрона. При этом образуются два новых ядра — осколка близкой массы, ис­пускается несколько нейтронов (так называемые вторичные нейтроны) и осво­бождается огромная энергия: при распаде 1 г ²³⁵₉₂Uвыделяется 7,5 × 10⁷ кДж. т. е. больше, чем при сгорании 2 т каменного угля. Вторичные нейтроны могут захватываться другими ядрами ²³⁵₉₂U и, в свою очередь, вызывать их деление. Таким образом, число отдельных актов распада прогрессивно увеличивается, возникает цепная реакция деления ядер урана.

Не все вторичные нейтроны участвуют в развитии этого цепного процесса: некоторые из них успевают вылететь за пределы куска урана, не успев столк­нуться с ядром способного к делению изотопа. Поэтому в небольшом куске урана начавшаяся цепная реакция может оборваться: для ее непрерывного продолже­ния масса куска урана должна быть достаточно велика, не меньше так называ­емой критической массы. При делении урана цепной процесс может приобрести характер взрыва: именно это и происходит при взрыве атомной бомбы. Для по­лучения же управляемой реакции деления необходимо регулировать скорость процесса, меняя число нейтронов, способных продолжать реакцию. Это дости­гается введением в реакционный объем стержней, содержащих элементы, ядра которых интенсивно поглощают нейтроны (к подобным элементам принадлежит, например, кадмий).

Кроме ²³⁵₉₂U для получение ядерной энергии используют плутоний ²³⁹₉₄Pu, син­тезируемый из ²³⁸₉₂U, и изотоп урана ²³³₉₂U, получаемый из природного изотопа тория ²³²₉₀Th:

²³²₉₀Th + n→ ²³³₉₀Th; ²³³₉₀^Th→ ²³³₉₁Pa + β^-; ²³³₉₁Pa→ ²³³₉₂U+ β^-.

Изотопы ²³⁹₉₄Pu и ²³³₉₂U подобно изотопу ²³⁵₉₂U, захватывая нейтрон, подверга­ются делению.

Реакция ядерного синтеза также может служить источником энергии. Так, при образовании ядра атома гелия из ядер дейтерия и трития

²₁Н + ³₁Н → ⁴₂Не + n

на каждый грамм реакционной смеси выделяется 35 • 10⁷ кДж, т. е. почти в 5 раз больше, чем при распаде 1 г ²³⁵₉₂U. Превращение имеющихся на Земле запасов дейтерия (около 4 • 10¹³ т) в гелий могло бы поэтому стать практически неисчер­паемым источником энергии для человечества. Однако для проведения реакций ядерного синтеза подобного типа (термоядерных реакций) необходима очень вы­сокая температура (свыше 1 млн градусов). Пока удалось осуществить только неуправляемую термоядерную реакцию, приводящую к взрыву огромной мощно­сти: на этом процессе основано действие водородной бомбы. В настоящее время проводятся интенсивные исследования, ставящие целью овладение управляемым процессом термоядерного синтеза.