Определение изотопов и примеры в химии — 2021

Тритий

Сверхтяжелый изотоп водорода, в ядре которого наличествуют протон и два нейтрона, имеет атомную массу 3,016 – примерно втрое больше, чем у протия. Тритий обозначается символом Т либо 3H1. Он плавится и кипит при еще более высоких температурах: 20,6 К и 25 К соответственно.

Это радиоактивный нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года. Образуется он при бомбардировке ядер атмосферных газов, например, азота, частицами космических лучей. Распад изотопа происходит с испусканием электрона (так называемый бета-распад), при этом один нейтрон в ядре претерпевает превращение в протон, а химический элемент повышает атомный номер на единицу, становясь гелием-3. В природе тритий присутствует в следовых количествах – его очень мало.

Сверхтяжелый водород образуется в тяжеловодных ядерных реакторах при захвате дейтерием медленных (тепловых) нейтронов. Часть его доступна для извлечения и служит источником трития. Кроме того, его получают как продукт распада лития при облучении последнего тепловыми нейтронами.

Тритий характеризуется малой энергией распада и представляет некоторую радиационную опасность только в случаях, когда попадает внутрь организма с воздухом или пищей. Для защиты кожных покровов от бета-излучения достаточно резиновых перчаток.

Навигация

Варианты
expanded
collapsed

Ещё
expanded
collapsed

На других языках

  • Afrikaans
  • Aragonés
  • العربية
  • الدارجة
  • Asturianu
  • Azərbaycanca
  • Bikol Central
  • Беларуская
  • Беларуская (тарашкевіца)
  • Български
  • भोजपुरी
  • বাংলা
  • Brezhoneg
  • Bosanski
  • Català
  • Cebuano
  • Čeština
  • Чӑвашла
  • Cymraeg
  • Dansk
  • Deutsch
  • Ελληνικά
  • English
  • Esperanto
  • Español
  • Eesti
  • Euskara
  • فارسی
  • Suomi
  • Føroyskt
  • Français
  • Nordfriisk
  • Gaeilge
  • 贛語
  • Galego
  • עברית
  • हिन्दी
  • Hrvatski
  • Kreyòl ayisyen
  • Magyar
  • Հայերեն
  • Interlingua
  • Bahasa Indonesia
  • Íslenska
  • Italiano
  • 日本語
  • Jawa
  • ქართული
  • Taqbaylit
  • Қазақша
  • ಕನ್ನಡ
  • 한국어
  • Kurdî
  • Кыргызча
  • Latina
  • Limburgs
  • Lombard
  • Lietuvių
  • Latviešu
  • Malagasy
  • Македонски
  • മലയാളം
  • Монгол
  • मराठी
  • Bahasa Melayu
  • မြန်မာဘာသာ
  • Plattdüütsch
  • नेपाली
  • नेपाल भाषा
  • Nederlands
  • Norsk nynorsk
  • Norsk bokmål
  • Novial
  • Occitan
  • ਪੰਜਾਬੀ
  • Polski
  • پنجابی
  • Português
  • Română
  • Русиньскый
  • Scots
  • Srpskohrvatski / српскохрватски
  • Simple English
  • Slovenčina
  • Slovenščina
  • ChiShona
  • Soomaaliga
  • Shqip
  • Српски / srpski
  • Seeltersk
  • Sunda
  • Svenska
  • Kiswahili
  • தமிழ்
  • తెలుగు
  • ไทย
  • Tagalog
  • Türkçe
  • Українська
  • اردو
  • Oʻzbekcha/ўзбекча
  • Vèneto
  • Vepsän kel’
  • Tiếng Việt
  • Winaray
  • 吴语
  • ייִדיש
  • Yorùbá
  • 中文
  • 文言
  • Bân-lâm-gú
  • 粵語

ХИМИЯ

§ 8. Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Итак, мы выяснили, что атом — мельчайшая частица химического элемента — является сложным образованием природы, построенным из трёх видов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.

Положение химического элемента в таблице Д. И. Менделеева зависит от величины заряда ядра атома, т. е. от числа протонов в нём. Попробуем представить себе, что будет, если изменить число протонов в ядре, т. е. заряд атомного ядра. Конечно же из исходного элемента получатся совсем другие химические элементы.

Такие процессы называют ядерными (рис. 35), они происходят, например, на Солнце, где ядра атомов водорода соединяются и образуют ядра атомов гелия. Эти процессы протекают с выделением огромного количества энергии, за счёт которой и существует жизнь на Земле. Подобные процессы человек научился проводить и на Земле.

Рис. 35. Схема ядерного процесса

Мечта алхимиков о превращении неблагородных элементов в золото стала возможной. Но для протекания этих процессов нужно затратить громадную энергию, и такое золото будет стоить в сотни раз дороже добываемого обычными способами.

Если же, не изменяя число протонов в атоме химического элемента, т. е. заряд ядра, изменить число нейтронов, то можно предположить, что положение химического элемента в таблице Д. И. Менделеева не изменится, т. е. из исходного химического элемента не образуется нового химического элемента. Это будет всё тот же химический элемент, но атомы его будут отличаться от исходных своей массой.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называют изотопами.

Слово «изотоп» состоит из двух греческих слов: изос — «одинаковый» и топос — «место», обозначает «занимающий одно место» (клетку) в таблице Д. И. Менделеева.

Химические элементы, встречающиеся в природе, являются смесью изотопов. Так, углерод имеет три изотопа с массовым числом 12, 13 и 14 (рис. 36); кислород — три изотопа с массовым числом 16, 17 и 18 и т. д.

Рис. 36. Состав атомных ядер изотопов углерода (красные шарики — протоны, голубые — нейтроны)

Обычно приводимые в таблице Д. И. Менделеева относительные атомные массы химических элементов являются средним значением атомных масс природной смеси изотопов данного элемента с учётом их относительного содержания в природе, поэтому их значения часто имеют дробные значения. Например, атомы природного хлора представляют собой смесь двух изотопов с массой (их в природе 75%)и (их 25%); следовательно, относительная атомная масса хлора равна 35,5:

Аr(Сl) = 35×0,75 + 37×0,25 = 35,5.

Изотопы хлора записывают так:

Большинство химических свойств изотопов хлора, а также, например, калия , так и изотопов многих других химических элементов, практически не отличаются. Только изотопы водорода из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы имеют различия в химических свойствах.

Им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки: протий — ; дейтерий — ; тритий — (рис. 37).

Рис. 37. Схемы ядер атомов изотопов водорода (красные шарики — протоны, голубые — нейтроны)

Теперь мы можем дать современное, более строгое и научное определение химического элемента.

Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Ключевые слова и словосочетания

  1. Ядерные процессы.
  2. Превращения элемента.
  3. Изотопы.
  4. Изотопы водорода.

Работа с компьютером

  1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
  2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

  1. Как вы думаете, почему изотопы калия и аргона , имеющие одинаковые массы, проявляют разные свойства?
  2. Почему в таблице Д. И. Менделеева относительная атомная масса аргона близка к 40, а калия — к 39?
  3. Пользуясь названиями элементарных частиц, из которых состоят атомные ядра, дайте другое определение изотопов.
  4. Почему изотопы хлора одинаковы между собой по свойствам, тогда как свойства изотопов водорода различны?
  5. Почему дейтериевую воду D20 называют тяжёлой водой? Подготовьте сообщение «Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды», пользуясь дополнительными источниками информации.
  6. Найдите в таблице Д. И. Менделеева три пары элементов, у которых, подобно паре Аr — К, вначале расположен элемент с большим значением относительной атомной массы.

Встречаемость в природе

Элементы состоят либо из одного нуклида ( мононуклидные элементы ), либо из нескольких изотопов природного происхождения. Нестабильные (радиоактивные) изотопы бывают первичными или постначальными. Первородные изотопы были продуктом звездного нуклеосинтеза или другого типа нуклеосинтеза, такого как расщепление космических лучей , и сохранились до настоящего времени, потому что скорость их распада очень мала (например, уран-238 и калий-40 ). Пост-первичные изотопы были созданы бомбардировкой космическими лучами в виде космогенных нуклидов (например, тритий , углерод-14 ) или распадом радиоактивного первичного изотопа до радиоактивного дочернего радиогенного нуклида (например, урана в радий ). Некоторые изотопы естественным образом синтезируются как нуклеогенные нуклиды в результате какой-либо другой естественной ядерной реакции , например, когда нейтроны от естественного деления ядер поглощаются другим атомом.

Как обсуждалось выше, только 80 элементов имеют какие-либо стабильные изотопы, а 26 из них имеют только один стабильный изотоп. Таким образом, около двух третей стабильных элементов встречаются на Земле в естественных условиях в виде нескольких стабильных изотопов, при этом наибольшее количество стабильных изотопов для элемента составляет десять, для олова (50Sn). На Земле естественным образом обнаружено около 94 элементов (вплоть до плутония включительно), хотя некоторые из них обнаруживаются только в очень малых количествах, например плутоний-244 . Ученые подсчитали, что элементы, которые встречаются в природе на Земле (некоторые только в виде радиоизотопов), встречаются в общей сложности в виде 339 изотопов ( нуклидов ). Только 252 из этих встречающихся в природе нуклидов являются стабильными в том смысле, что в настоящее время никогда не наблюдалось распада. Еще 34 первичных нуклида (всего 286 первичных нуклидов) являются радиоактивными с известным периодом полураспада, но имеют период полураспада более 100 миллионов лет, что позволяет им существовать с самого начала Солнечной системы. См. Подробности в списке нуклидов .

Все известные стабильные нуклиды естественным образом встречаются на Земле; другие нуклиды природного происхождения являются радиоактивными, но встречаются на Земле из-за их относительно длительного периода полураспада или из-за других средств продолжающегося естественного производства. К ним относятся вышеупомянутые космогенные нуклиды , нуклеогенные нуклиды и любые радиогенные нуклиды, образованные в результате продолжающегося распада первичных радиоактивных нуклидов, таких как радон и радий из урана.

Еще ~ 3000 радиоактивных нуклидов, не встречающихся в природе, были созданы в ядерных реакторах и в ускорителях частиц. Многие короткоживущие нуклиды, которые не встречаются в природе на Земле, также наблюдались с помощью спектроскопического анализа, поскольку они естественным образом образуются в звездах или сверхновых . Примером является алюминий-26 , который в естественных условиях не встречается на Земле, но в астрономических масштабах встречается в изобилии.

Приведенные в таблице атомные массы элементов представляют собой средние значения, учитывающие наличие нескольких изотопов с разными массами. До открытия изотопов нецелые значения атомной массы, определенные эмпирическим путем, приводили ученых в замешательство. Например, образец хлора содержит 75,8% хлора-35 и 24,2% хлора-37 , что дает среднюю атомную массу 35,5 атомных единиц массы .

Согласно общепринятой теории космологии , только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия и, возможно, некоторое количество бора были созданы во время Большого взрыва , в то время как все остальные нуклиды были синтезированы позже, в звездах и сверхновых, а также в взаимодействия между энергичными частицами, такими как космические лучи, и ранее произведенными нуклидами. (См. « Нуклеосинтез» для получения подробной информации о различных процессах, которые, как считается, ответственны за производство изотопов.) Соответствующее количество изотопов на Земле является результатом количества, образованного этими процессами, их распространения по галактике и скорости распада нестабильных изотопов. После первоначального слияния Солнечной системы изотопы были перераспределены по массе, и изотопный состав элементов незначительно меняется от планеты к планете. Иногда это позволяет проследить происхождение метеоритов .

Известные изотопы

Природные изотопы

Изотоп Природное изобилие
238 U От 99,2739 до 99,2752%
235 U От 0,7198 до 0,7202%
234 U От 0,0050 до 0,0059%

Урана 234 ( 234 U) имеет период полураспада 245,500 лет и составляет очень малую часть природного урана. Он является потомком урана-238 и исторически назывался Ураном II.

Урана 235 ( 235 U) имеет период полураспада 7,038 х 10 8  лет. Он используется в ядерных реакторах для производства энергии путем деления. Он составляет 0,711% природного урана. Исторически он назывался актино-ураном.

Урана 238 ( 238 U) является наиболее распространенным изотопом урана и стабильной, с периодом полураспада 4.4688 млрд лет. Исторически он назывался Уран I.

При бомбардировке нейтроном за несколько шагов он превращается в плутоний 239  :

1нет+ 92238U→ 92239U →23,45 мянетβ- 1,265 MеV  93239НЕТп →2,3565 jотырsβ- ,722 MеV  94239пты{\ displaystyle \ mathrm {^ {1} _ {0} n + {} _ {\ 92} ^ {238} U \ to {} _ {\ 92} ^ {239} U \ {\ xrightarrow {\ beta ^ {-} \ 1,265 \ МэВ}} \ _ {\ 93} ^ {239} Np \ {\ xrightarrow {\ beta ^ {-} \ 0.722 \ МэВ}} \ _ {\ 94} ^ {239} Pu}}

Когда природные реакторы Окло начали работать 1,95 × 10 9  лет назад, содержание урана-235 в уране на Земле составляло 3,66%; когда Земля была сформирована, она составляла почти 32%. Во время взрыва сверхновой — предположительно уникальной — из которой образовались тяжелые материалы, существующие на Земле и в Солнечной системе, в результате моделирования взрыва образовалось в 1,65 раза больше атомов урана-235, чем урана-238 . Это соответствует «обогащению» ураном-235 по отношению к общему количеству 235 U + 238 U: 1,65 / (1 + 1,65) = 62,3%. Следовательно, дату взрыва можно датировать: 5,366 × 10 9  лет назад. Уран-238 является α-излучателем и распадается через 18 членов до свинца 206 . состоит из 15 членов и заканчивается свинца 207 . Постоянная скорость распада этих серий помогает сравнивать отношения родительских / дочерних изотопов с данными радиометрического датирования . Изотоп 235 U важен как для гражданской, так и для военной ядерной энергетики , потому что это единственный естественный делящийся изотоп в заметном количестве. Изотоп 238 U также важен, потому что он может поглощать нейтроны и образовывать радиоизотоп, который затем распадается на плутоний-239 , который также является делящимся.

Уран 232

Урана 232 ( 232 U) , является изотопом которого ядро состоит из 92 протонов и 140 нейтронов . Он имеет период полураспада 68,9 лет и является побочным продуктом ториевого цикла .

Уран 233

Урана 233 ( 233 U) , является изотопом которого ядро состоит из 92 протонов и 141 нейтронов . Его период полураспада составляет 159 200 лет.

Уран 236

Урана 236 ( 236 U) , является изотопом которого ядро состоит из 92 протонов и 144 нейтронов . Альфа-излучатель в цепочке распада тория 4 n + 0. Его период полураспада составляет 23,42 миллиона лет.

Уран 237

Урана 237 ( 237 U) , является изотопом которого ядро состоит из 92 протонов и 145 нейтронов . Период полувыведения составляет 6,75 дня.

Уран 239

Уран-239 ( 239 U) — изотоп, ядро ​​которого состоит из 92 протонов и 147 нейтронов . Обычно его получают путем воздействия пучка нейтронов на 238 U в ядерном реакторе. 239 U имеет период полураспада около 23,45 минут и распадается на нептуний-239 за счет [[β Radioactivity # Disintegration β- | распад β   ]] с общей энергией распада около 1,29  МэВ . Наиболее распространенный гамма-распад на 74,660  кэВ представляет собой разницу энергий между двумя основными каналами бета-излучения при 1,28 и 1,21  МэВ .

239 Np затем распадается на плутоний 239 , делящийся (используется в гражданской и военной ядерной энергетике).

Ядерные силы

Ядра атомов обладают устойчивостью, несмотря на то, что между протонами действуют колоссальные силы кулоновского отталкивания. Чем же объясняется это явление? Видимо, между ними существует и другая сила, которая не дает протонам отталкиваться друг от друга. Такие силы назвали ядерными.

Ядерные силы — силы, действующие между протонами и нейтронами.

Ученые установили, что ядерные силы обладают следующими свойствами:

  • Ядерные силы заметно проявляются только на расстояниях, сравнимых с размером атомных ядер (10–12–10–13 см). То есть, эти силы являются короткодействующими.
  • Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят силы электрического взаимодействия. На сегодня это самые мощные силы из всех сил, известных в природе. Именно благодаря им ядра атомов химических элементов сохраняются в устойчивом состоянии.

Другие примеры изотопов

  1. Сурьма 121
  2. Аргон 40
  3. Сера 32
  4. Барий 135
  5. Бериллий 8
  6. Бор 11
  7. Бром 79
  8. Кадмий 106
  9. Кадмий 108
  10. Кадмий 116
  11. Кальций 40
  12. Кальций 42
  13. Кальций 46
  14. Кальций 48
  15. Углерод 12
  16. Церий 142
  17. Цирконий 90
  18. Хлор 35
  19. Медь 65
  20. Хром 50
  21. Диспрозий 161
  22. Диспрозий 163
  23. Диспрозий 170
  24. Эрбий 166
  25. Олово 112
  26. Олово 115
  27. Олово 120
  28. Олово 122
  29. Стронций 87
  30. Европий 153
  31. Гадолиний 158
  32. Галлий 69
  33. Германий 74
  34. Гафний 177
  35. Гелий 3
  36. Гелий 4
  37. Водород 1
  38. Водород 2
  39. Утюг 54
  40. Индийский 115
  41. Иридий 191
  42. Иттербий 173
  43. Криптон 80
  44. Криптон 84
  45. Литий 6
  46. Магний 24
  47. Меркурий 200
  48. Меркурий 202
  49. Молибден 98
  50. Неодим 144
  51. Неон 20
  52. Никель 60
  53. Азот 15
  54. Осмий 188
  55. Осмий 190
  56. Кислород 16
  57. Кислород 17
  58. Кислород 18
  59. Палладий 102
  60. Палладий 106
  61. Серебро 107
  62. Платина 192
  63. Свинец 203
  64. Свинец 206
  65. Свинец 208
  66. Калий 39
  67. Калий 41
  68. Рений 187
  69. Рубидий 87
  70. Рутений 101
  71. Рутений 98
  72. Самарий 144
  73. Самарий 150
  74. Селен 74
  75. Селен 82
  76. Кремний 28
  77. Кремний 30
  78. Таллий 203
  79. Таллий 205
  80. Теллур 125
  81. Теллур 127
  82. Титан 46
  83. Титан 49
  84. Уран 238
  85. Вольфрам 183
  86. Ксенон 124
  87. Ксенон 130
  88. Цинк 64
  89. Цинк 66
  90. Цинк 67

Известные изотопы

Натрий 22

22 Na является одним из излучающего изотопа позитрон с удивительно длительным периодом полураспада более 2 с половиной лет. Он используется для создания тестовых объектов и точечных источников в позитронно-эмиссионной томографии .

Натрий 24

Резкое воздействие нейтронного излучения (например, после аварии, связанной с критичностью ) может преобразовать 23 Na в крови в 24 Na. Измеряя концентрацию этого изотопа, можно определить количество радиации, которому подверглась жертва.

В ядерных реакторах, использующих жидкий натрий или натрий-калиевый сплав в качестве теплоносителя , натрий 24 производится из натрия 23, что делает теплоноситель радиоактивным. Но поскольку его период полураспада короткий, натрий-24 почти полностью исчезнет всего за несколько дней после того, как теплоноситель будет изолирован от реактора. Частично из-за этого свойства натрий был выбран в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов, например, на заводе Superphénix .

Таблица изотопов

Символ изотопа Z ( p ) N ( п ) Изотопная масса Период полураспада Режим (ы) распада Изотоп (ы)

сын

Ядерный спин
Энергия возбуждения
217 U 92 125 217.02437 (9) 26 (14) мс 1 / 2- #
218 U 92 126 218.02354 (3) 6 (5) мс α 214 Чт 0+
219 U 92 127 219.02492 (6) 55 (25) мс α 215 Чт 9/2 + #
220 U 92 128 220.02472 (22) # 60 # нс α 216 Чт 0+
β + (редко) 220 Па
221 U 92 129 221.02640 (11) # 700 # нс α 217 Чт 9/2 + #
β + (редко) 221 Па
222 U 92 130 222.02609 (11) # 1,4 (7) мкс α 218 Чт 0+
β + (10 −6  % ) 222 Па
223 U 92 131 223.02774 (8) 21 (8) нас α 219 Чт 7/2 + #
224 U 92 132 224.027605 (27) 940 (270) ус α 220 Тыс 0+
225 U 92 133 225.02939 # 61 (4) мс α 221 Чт (5/2 +) #
226 U 92 134 226.029339 (14) 269 ​​(6) мс α 222 Чт 0+
227 U 92 135 227.031156 (18) 1,1 (1) мин α 223 Чт (3/2 +)
β + (0,001%) 227 Па
228 U 92 136 228.031374 (16) 9,1 (2) мин α (95%) 224 Чт 0+
ЭК (5%) 228 Па
229 U 92 137 229.033506 (6) 58 (3) мин β + (80%) 229 Па (3/2 +)
α (20%) 225 — й
230 U 92 138 230.033940 (5) 20,8 г α 226 Чт 0+
FS (1,4 × 10 −10  % ) (разные)
β + β + (редко) 230 Чт
231 U 92 139 231.036294 (3) 4,2 (1) г ЭТО 231 Па (5/2) (+ #)
α (0,004%) 227 Чт
232 U 92 140 232.0371562 (24) 68,9 (4) а α 228 Чт 0+
Постоянный ток (8,9 × 10 -10  % ) 208 Пб 24 Нэ
DC (5 × 10 -12  % ) 204 рт. Ст. 28 мг
FS (10 −12  % ) (разные)
233 U 92 141 233.0396352 (29) 1,592 (2) × 10 5  а α 229 Чт 5/2 +
FS (6 × 10 -9  % ) (разные)
DC (7,2 × 10 -11  % ) 209 Пб 24 Нэ
DC (1,3 × 10 -13  % ) 205 рт. Ст. 28 мг
234 U 92 142 234.0409521 (20) 2,455 (6) × 10 5  а α 230 Чт 0+
FS (1,73 × 10 -9  % ) (разные)
Постоянный ток (1,4 × 10 −11  % ) 206 рт. Ст. 28 мг
DC (9 × 10 -12  % ) 184 Mf 26 Ne 24 Ne
234м U 1421.32 (10) кэВ 33,5 (20) мс 6-
235 U 92 143 235.0439299 (20) 7,04 (1) × 10 8  а α 231 Чт 7 / 2-
FS (7 × 10 -9  % ) (разные)
Постоянный ток (8 × 10 −10  % ) 186 Mf 25 Ne 24 Ne
235 м U 0,0765 (4) кэВ ~ 26 мин. ЭТО 235 U 1/2 +
236 U 92 144 236.045568 (2) 2,342 (3) × 10 7  а α 232 Чт 0+
FS (9,6 × 10 -8  % ) (разные)
236м1 U 1052,89 (19) кэВ 100 (4) нс (4) —
236м2 U 2750 (10) кэВ 120 (2) нс (0+)
237 U 92 145 237.0487302 (20) 6,75 (1) д β   237 нп 1/2 +
238 U 92 146 238.0507882 (20) 4,468 (3) × 10 9  а α 234 Чт 0+
FS (5,45 × 10 -5  % ) (разные)
β   β   (2,19 × 10 −10  % ) 238 Pu
238м U 2557,9 (5) кэВ 280 (6) нс 0+
239 U 92 147 239.0542933 (21) 23,45 (2) мин β   239 нп 5/2 +
239м1 U 20 (20) # кэВ > 250 нс (5/2 +)
239м2 U 133,7990 (10) кэВ 780 (40) нс 1/2 +
240 U 92 148 240,056592 (6) 14,1 (1) ч β   240 Нп 0+
α (10 -10  % ) 236 Чт
241 U 92 149 241.06033 (32) # 5 мин β   241 нп 7/2 + #
242 U 92 150 242.06293 (22) # 16,8 (5) мин β   242 нп

Постоянная спада (ʎ)

-Постоянная атомного распада используется для расчета времени, которое потребуется для распада атома или группы атомов. Он обозначается ʎ (лямбда по-гречески) и является частью следующего уравнения: N (t) = N * e (-ʎ * t), где N — начальное количество радиоактивных атомов, а e (-ʎ * t) — экспонента от * времени. Мы можем вычислить, выполнив следующую операцию

ʎ = Ln (2) / t 1/2, Ln — натуральный логарифм 2, а t 1/2 — период полураспада атома.

Например, для урана-237 = Ln (2) / 6,75 суток = Ln (2) / (9/487) год = 37,5069641 лет экспонента -1.

Если бы у нас было, например, 100 г урана-237, и мы хотим узнать, сколько их будет через 1243 года, мы проделаем следующую операцию:

N (1243 года) = 100 г * exp (37,5069641 * 1243) = 12,6 г, то есть небольшое количество граммов 237 атомов урана.

Замечания

  • Оценка изотопного состава действительна для большинства коммерческих образцов, но не для всех.
  • Точность изотопного содержания и атомной массы ограничена вариациями. Приведенные диапазоны изменения обычно действительны для всего обычного земного материала.
  • Коммерчески доступные материалы могли быть подвергнуты непреднамеренному или непреднамеренному изотопному фракционированию. Возможны существенные различия между данной массой и составом.
  • Есть исключительные геологические образцы, изотопный состав которых выходит за рамки заданного масштаба. Неопределенность атомной массы таких образцов может превышать указанные значения.
  • Значения, отмеченные знаком #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично, из систематических тенденций. Спины со слабыми аргументами присваивания указаны в скобках.
  • Погрешности кратко указаны в скобках после соответствующего десятичного знака. Значения неопределенности обозначают одно стандартное отклонение, за исключением изотопного состава и стандартной атомной массы ИЮПАК, в которых используются расширенные неопределенности.

Применение энергии распада

Также учеными было выяснено, что в ходе распада радиоактивного изотопа выделяется огромное количество свободной энергии. Ее количество принято измерять единицей Кюри, равной времени деления 1 г радона-222 за 1 секунду. Чем выше этот показатель, тем больше энергии выделяется.

Это стало поводом для разработки способов использования свободной энергии. Так появились атомные реакторы, в которые помещается радиоактивный изотоп. Большая часть энергии, выделяемой им, собирается и превращается в электричество. На основании этих реакторов создаются атомные станции, которые дают самое дешевое электричество. Уменьшенные варианты таких реакторов ставят на самоходные механизмы. Учитывая опасность аварий, чаще всего такими машинами выступают подводные лодки. В случае отказа реактора количество жертв на подлодке будет легче свести к минимуму.

Еще один очень страшный вариант использования энергии полураспада – атомные бомбы. Во время Второй мировой войны они были испытаны на человечестве в японских городах Хиросима и Нагасаки. Последствия оказались очень печальными. Поэтому в мире действует соглашение о неиспользовании этого опасного оружия. В месте с тем большие государства с ориентацией на милитаризацию и сегодня продолжают исследования в этой отрасли. Кроме того, многие из них втайне от мирового сообщества изготавливают атомные бомбы, которые в тысячи раз опаснее тех, которые использовались в Японии.

Производство и использование

Таблетка плутония-238 , светящаяся от собственного тепла, используется для радиоизотопных термоэлектрических генераторов .

Трансмутационный поток между 238 Pu и 244 Cm в LWR . Скорость трансмутации не показана и сильно зависит от нуклида. 245 Cm– 248 Cm являются долгоживущими с незначительным распадом.

239 Pu, A делящийся изотоп , который является вторым наиболее часто используемым ядерным топливо в ядерных реакторах после того, как уран-235 , и наиболее часто используемое топливо в делительной части ядерного оружия , производится из урана-238 при захвате нейтронов с последующим двумя бета — распадами.

240 Pu, 241 Pu и 242 Pu производятся путем дальнейшего захвата нейтронов. Изотопы 239 Pu и 241 Pu с нечетной массой имеют примерно 3/4 шанса подвергнуться делению при захвате теплового нейтрона и примерно 1/4 шанса удержать нейтрон и стать следующим более тяжелым изотопом. Изотопы с четной массой являются плодородным материалом, но не делящимися, а также имеют более низкую общую вероятность ( сечение ) захвата нейтронов; поэтому они, как правило, накапливаются в ядерном топливе, используемом в тепловых реакторах, в конструкции почти всех современных атомных электростанций . В плутонии, который второй раз был использован в тепловых реакторах в МОКС-топливе , 240 Pu может быть даже наиболее распространенным изотопом. Все изотопы плутония и другие актиноиды , однако, делящиеся с быстрыми нейтронами . 240 Pu действительно имеет умеренное сечение поглощения тепловых нейтронов, так что производство 241 Pu в тепловом реакторе становится значительной долей, равной производству 239 Pu.

241 Pu имеет период полураспада 14 лет и имеет несколько более высокое сечение тепловых нейтронов, чем 239 Pu, как для деления, так и для поглощения. В то время как ядерное топливо используется в реакторе, ядро 241 Pu с гораздо большей вероятностью будет делиться или захватывать нейтрон, чем распадаться. На долю 241 Pu приходится значительная часть делений в топливе тепловых реакторов, которое использовалось в течение некоторого времени. Однако в отработавшем ядерном топливе, которое не подвергается быстрой ядерной переработке, а вместо этого охлаждается в течение многих лет после использования, большая часть или большая часть плутония- 241 будет бета-распадом до америция-241 , одного из второстепенных актинидов , сильного альфа-излучателя и трудностей. для использования в тепловых реакторах.

242 Pu имеет особенно низкое сечение захвата тепловых нейтронов; и требуется три поглощения нейтронов, чтобы стать другим делящимся изотопом (либо кюрий- 245, либо 241 Pu) и деление. Даже в этом случае существует вероятность того, что любой из этих двух делящихся изотопов не сможет расщепиться, а вместо этого поглотит четвертый нейтрон, превратившись в кюрий-246 (на пути к еще более тяжелым актинидам, таким как калифорний , который является излучателем нейтронов путем спонтанного деления и его трудно подобрать. ручка) или снова становится 242 Pu; таким образом, среднее число нейтронов, поглощенных до деления, даже превышает 3. Следовательно, 242 Pu особенно непригоден для рециркуляции в тепловом реакторе, и его лучше использовать в быстром реакторе, где он может делиться напрямую. Однако низкое поперечное сечение 242 Pu означает, что относительно небольшая его часть будет преобразована в течение одного цикла в тепловом реакторе. Период полураспада 242 Pu примерно в 15 раз больше периода полураспада 239 Pu; следовательно, он составляет 1/15 радиоактивности и не является одним из основных источников радиоактивности ядерных отходов .
Гамма-излучение 242 Pu также слабее, чем у других изотопов.

243 Pu имеет период полураспада всего 5 часов, бета-распад превращается в америций-243 . Поскольку у 243 Pu мало возможностей захватить дополнительный нейтрон перед распадом, ядерный топливный цикл не производит долгоживущего 244 Pu в значительных количествах.

238 Pu обычно не производится в таких больших количествах в ядерном топливном цикле, но некоторая его часть производится из нептуния-237 путем захвата нейтронов (эту реакцию также можно использовать с очищенным нептунием для производства 238 Pu, относительно свободного от других изотопов плутония, для использования в радиоизотопные термоэлектрические генераторы ), реакцией (n, 2n) быстрых нейтронов на 239 Pu или альфа-распадом кюрия- 242, который образуется при захвате нейтронов из 241 Am. Он имеет значительное сечение деления тепловых нейтронов, но с большей вероятностью захватит нейтрон и превратится в 239 Pu.

На службе у человека

В настоящее время радиоактивные изотопы и соединения, меченные радиоактивными изотопами, широко применяются в самых разных областях человеческой деятельности. В атомной энергетике и оборонной промышленности используют обогащение урана (235U), являющегося основным ядерным топливом, без которого невозможно получение оружейного плутония, необходимого для создания ядерного и термоядерного оружия.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т.д. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок в целях обнаружения в них дефектов.

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей радиоактивных препаратов способствует значительному повышению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях обусловливает появление мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так были выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используют также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Широкое применение получили меченые атомы и в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, удобрения помечают радиоактивным фосфором. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из того или иного вида удобрений.

Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т.д.) получил метод радиоактивного углерода. На основе определения его процентного содержания в органических остатках можно установить их возраст. Именно так узнают возраст египетских мумий, останков доисторических животных, растений и др.

Ссылки

  1. COTTON, F. AlbertWilkinson, et al.Основы неорганической химии. Лимуса, 1996.
  2. РОДЖЕРС, Глен Э.Неорганическая химия: введение в координацию, твердое тело и описательную химию. McGraw-Hill Interamericana, 1995.
  3. RAYNER-CANHAM, GeoffEscalona García и др.Описательная неорганическая химия. Пирсон Образование, 2000.
  4. HUHEEY, Джеймс Э. КЕЙТЕР и др.Неорганическая химия: принципы строения и реакционной способности. Оксфорд:, 2005.
  5. ГУТЬЕРРЕС РОС, Энрике.Неорганическая химия. 1994.
  6. HOUSECROFT, Кэтрин Э. и др.Неорганическая химия. 2006.
  7. COTTON, F. Albert; УИЛКИНСОН, Джеффри.Основы неорганической химии. 1987.

Изотопы

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений было обнаружено, что существуют вещества, идентичные по химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства — в одних и тех же условиях их распад происходил по-разному. Эти вещества не удавалось разделить ни одним из известных химических способов. Поэтому английский радиохимик Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но разной радиоактивностью. Эти элементы, по его мнению, нужно было помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева. Содди назвал такие элементами изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди о существовании веществ с разной радиоактивностью, но одинаковыми химическими свойствами, было подтверждено экспериментально. Когда английский физик Томсон проводил точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях, он установил, что неон есть смесь двух видов атомов. Большая часть атомов имела относительную массу 20, но некоторая часть атомов имела массу, равную 22 а. е. м. В результате относительная атомная масса смеси атомов неона была принята равной 20,2. Причем атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, но масса их была различна.

С тех пор изотопы были обнаружены у разных химических элементов. Так, они есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

Было установлено, что:

  • Изотопы имеют разную массу.
  • Заряды ядер изотопов одинаковы;
  • Количество электронов у атомов изотопов одинаково.
  • Химические свойства изотопов тоже одинаковые.
  • Радиоактивность у изотопов разная — ядра одних атомов радиоактивны, в то время как другие могли быть стабильными или менее радиоактивными.

Эти обобщения помогли сделать вывод, что свойства радиоактивности изотопов зависят от их массы. Причем некоторые элементы могут иметь только нестабильные, или радиоактивные изотопы.

Особый интерес для физиков того времени представлял атом водорода, изотопы которого могли отличаться по массе в 2 и 3 раза:

  • Дейтерий — изотоп водорода с атомной массой 2. Это стабильный химический элемент, который можно обнаружить в качестве примеси в обычном водороде. На 4500 атомов обычного водорода приходится 1 атом дейтерия. Совместно с кислородом дейтерий образует тяжелую воду. Ее свойства несколько отличаются от обычной воды. Так, при нормальном атмосферном давлении ее температура кипения составляет 101,2 °С, а температура кристаллизации — 3,8 °С.
  • Тритий — изотоп водорода с атомной массой 3. Это нестабильный химический элемент. Он претерпевает β-распад. Период полураспада этого вещества составляет 12 лет.

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.