§ 2.5. Ядро атома и радиоактивные превращения

Рассмотрим электронную структуру атома и приведем не¬

которые сведения о строении и свойствах ядра атома. Наряду

с химическими реакциями, в которых принимают участие

только электроны, существуют различные превращения, в

которых изменению подвергаются ядра атомов (ядерные ре¬

акции).

Согласно современным представлениям, химическим эле¬

ментом называют вид атомов, характеризующихся одним и

тем же зарядом ядра. Атомы одного и того же элемента, имеющие разную массу (массовое число), называют изото¬ пами (см. § 2.2). Обычно изотопы различных элементов не имеют специальных названий. Единственным исключением является водород, изотопы которого имеют специальные хи¬

мические символы и названия: *Н	протий, 2D	дейтерий,
3Т тритий.
Устойчивые и неустойчивые изотопы. Все изотопы под¬

разделяются на стабильные и радиоактивные. Стабильные изотопы не подвергаются радиоактивному распаду, поэтому

они и сохраняются в природных	1 условиях. Примерами ста¬
бильных изотопов являются 160,	С, 19F. Большинство при¬

родных элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов. Из всех элементов наибольшее число

стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов).

Радиоактивные изотопы подразделяются, в свою очередь,

на естественные и искусственные и те и другие самопроиз¬

вольно распадаются, испуская при этом а- или р-частицы до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп.

Виды радиоактивного распада. Существуют три основных вида самопроизвольных ядерных превращений.

1. а-распад. Ядро испускает а-частицу, которая представ¬

ляет собой ядро атома гелия 4Не и состоит из двух протонов

и двух нейтронов. При а-распаде массовое число изотопа

уменьшается на 4, а заряд ядра на 2, например

29

2. p-распад. В неустойчивом ядре нейтрон превращается в

протон, при этом ядро испускает электрон ф-частицу) и ан¬

тинейтрино:

п -» p + v

При p-распаде массовое число изотопа не изменяется, по¬ скольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а

заряд ядра увеличивается на 1, например

2?оТЬ-^Ра+>.

3. у-распад. Возбужденное ядро испускает у-излучение с

очень малой длиной волны, при этом энергия ядра умень¬

шается, массовое число и заряд ядра остаются неизменными.

Скорость радиоактивного распада. Скорости распада ра¬

диоактивных элементов сильно отличаются от одного эле¬

мента к другому и не зависят от внешних условий, таких, на¬

пример, как температура (в этом состоит важное отличие

ядерных реакций от обычных химических превращений).

Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом

полураспада тш, т.е. временем, за которое самопроизвольно

распадается половина атомов исходного вещества. Так, для

урана 23*U период полураспада гм = 4,5 109 лет. Именно

поэтому активность урана в течение нескольких лет заметно

не меняется. Для радия 226Ra период полураспада тт = 1600

лет, поэтому и активность радия больше, чем урана. Ясно,

что чем меньше период полураспада, тем быстрее протекает

радиоактивный распад. Для разных элементов период полу¬ распада может изменяться от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Математическое уравнение, описывающее

закон радиоактивного распада, связывает значение массы

m(t) радиоактивного изотопа в момент времени t с началь¬ ной массой т&

/w(0 = /»o-(l/2)'/Tl/2.

(2.8)

Искусственные превращения. Первая искусственная ядер-

ная реакция была осуществлена Резерфордом путем бомбар¬

дировки атомов азота а-частицами

l4N + 4Не ->

+ р.

30

Кроме того, дня осуществления искусственных превраще¬ ний часто используют протоны или нейтроны:

ПВ+/7-»'2С,

10В + п > 7Li + Не.

В любых реакциях сумма атомных масс (сумма индексов слева вверху) реагентов и продуктов всегда одинакова. То же

самое относится и к зарядам ядер (индексы следа внизу, ко¬

торые часто опускаются).

Специальная область химии, ядерная химия, занимается

изучением превращений элементов.

§ 2.6. Периодический закон

Открытие периодического закона и разработка Периоди¬

ческой системы химических элементов Д.И.Менделеевым

явились вершиной развития химии в XIX в.

Попытки классифицировать элементы имели место и до

Менделеева. Некоторые его предшественники, замечая сход¬

ство некоторых элементов, объединяли их в отдельные груп¬ пы. Но в этих работах не были найдены причины изменений свойств.

Менделеев считал, что основной характеристикой элемен¬

тов являются их атомные веса, и в 1869 г. впервые сформули¬

ровал периодический закон:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соеди¬

нений элементов находятся в периодической зависимости от

величины атомных весов элементов.

Мы не будем останавливаться на рассмотрении периоди¬

ческого закона в трактовке Менделеева.

Несмотря на огромную значимость открытия Менделеева,

оно представляло лишь гениальное эмпирическое обобщение

фактов, а их физический смысл долго оставался непонятным.

Причина заключалась в том, что в XIX в. отсутствовали

представления о сложности строения атома.

Данные о строении ядра и о распределении электронов в

атомах позволяют по-новому рассмотреть периодический за¬ кон и периодическую систему элементов. На базе современ¬ ных представлений периодический закон формулируется так:

Свойства простых веществ, а также формы и свойства со¬

единений элементов находятся в периодической зависимости

от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

31

Периодическая таблица и электронные конфигурации ато¬ мов. Из рассмотрения электронных конфигураций атомов наглядно прослеживается периодичность свойств элементов.

Число электронов, находящихся на внешнем уровне в

атомах элементов, располагающихся в порядке увеличения

порядкового номера, периодически повторяется. Периодиче¬

ское изменение свойств элементов с увеличением порядкового

номера объясняется периодическим изменением числа элек¬ тронов на их внешних энергетических уровнях. По числу

энергетических уровней атома элементы делятся на семь пе¬

риодов. Первый период состоит из атомов, в которых элек¬

тронная оболочка состоит из одного уровня, во втором пе¬

риоде	из двух, в третьем	из трех, в	четвертом	из

четырех и т.д. Каждый новый период начинается тогда, ког¬

да начинает заполняться новый энергетический уровень.

В Периодической системе каждый период начинается эле¬

ментами, атомы которых на внешнем уровне имеют один

электрон, атомами щелочных металлов и заканчивается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют 2 (в

первом периоде) или 8 электронов (во всех последующих)

атомами благородных газов.

Далее мы видим, что внешние электронные оболочки

сходны у атомов элементов (Li, Na, К, Rb, Cs); (Be, Mg, Ca, Sr); (F, Cl, Br, I); (He, Ne, Ar, Кг, Xe) и т.д. Каждая из выше¬

приведенных групп элементов оказывается в определенной

главной подгруппе периодической таблицы: Li, Na, К, Rb, Cs

в I группе, F, Cl, Br, I в VII и т.д. Именно вследствие сход¬

ства строения электронных оболочек атомов сходны их физи¬

ческие и химические свойства.

Число главных подгрупп определяется максимальным чис¬

лом элементов на энергетическом уровне и равно 8. Число

переходных элементов (элементов побочных подгрупп) опре¬ деляется максимальным числом электронов на rf-подуровне и

равно 10 в каждом из больших периодов.

Поскольку в Периодической системе химических элемен¬

тов одна из побочных подгрупп содержит сразу три переход¬

ных элемента, близких по химическим свойствам (так назы¬

ваемые триады Fe-Co-Ni, Ru-Rh-Pd, Os-lr-Pt), то число

побочных подгрупп, так же как и главных, равно 8.

32