Ядерная химия

Открытие Уильямом Конрадом Рентгеном рентгеновских лучей в ноябре 1895 года взбудоражило воображение целого поколения ученых, бросившихся изучать это явление. Через несколько месяцев Анри Беккерель обнаружил, что и металлический уран, и соли этого элемента излучают другую форму излучения, которое также может проходить через твердые тела. К 1898 году Мария Кюри обнаружила, что соединения тория также «радиоактивны». После кропотливых усилий она в конце концов выделила еще два радиоактивных элемента, полоний и радий, из руд, содержащих уран.

В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что существует по крайней мере две различные формы радиоактивности, когда он изучал поглощение радиоактивности тонкими листами металлической фольги. Один, которого он назвал альфа () частицы, поглощались металлической фольгой толщиной в несколько сотых сантиметра. Другой, бета (� частицы, могут пройти через металлическую фольгу в 100 раз больше, прежде чем они будут поглощены. Вскоре после этого появилась третья форма радиации, гамма () лучи, было обнаружено, что он может пробить несколько сантиметров свинца.

Результаты ранних экспериментов с этими тремя формами излучения показаны на рисунке ниже. Направление, в котором -частицы отклонялись электрическим полем, свидетельствовало о том, что они были заряжены положительно. Величина этого отклонения предполагала, что у них такое же отношение заряда к массе, как у иона He 2+ . Чтобы проверить эквивалентность между -частицами и ионами He 2+ , Резерфорд построил прибор, который позволял -частицам проходить через очень тонкую стеклянную стенку в вакуумированную колбу, содержащую пару металлических электродов.Через несколько дней он подключил эти электроды к батарее и заметил, что газ в колбе действительно испускает характерный спектр излучения гелия.

Опыты с электрическим и магнитным полями показали, что α/i>-частицы заряжены отрицательно. Кроме того, у них было то же отношение заряда к массе, что и у электрона. На сегодняшний день не обнаружено заметной разницы между β/i>-частицами и электронами. Единственная причина сохранить название «α/i>-частица» состоит в том, чтобы подчеркнуть тот факт, что эти частицы выбрасываются из ядра атома, когда оно подвергается радиоактивному распаду.

Тот факт, что -лучи не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полями, предполагает, что эти лучи не несут электрического заряда. Поскольку они движутся со скоростью света, они классифицируются как форма электромагнитного излучения, несущая даже больше энергии, чем рентгеновские лучи.

На рубеже веков, когда была открыта радиоактивность, предполагалось, что атомы неразрушимы. Однако Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди обнаружили, что радиоактивные вещества со временем становятся менее активными, как показано на рисунке ниже. Что еще более важно, они заметили, что радиоактивность всегда сопровождается образованием атомов другого элемента. К 1903 г. они пришли к выводу, что радиоактивность сопровождается изменением строения атома. Поэтому они предположили, что излучение испускается, когда элемент распадается на атом другого типа.

К 1910 году было выделено 40 радиоактивных элементов, связанных с процессом распада металлического урана до свинца.Однако это создало проблему, потому что между свинцом и ураном было место только для 11 элементов. В 1913 году Казимир Фаянс и Фредик Содди предложили объяснение этих результатов, основанное на следующих правилах.

• -частицы испускаются, когда образуется элемент, который находится на две позиции слева в таблице Менделеева. Уран (Z = 92), например, испускает -частицу при распаде с образованием тория (Z = 90).
• �/i>-частицы испускаются, когда образуется элемент, который принадлежит на одну позицию справа в периодической таблице. Актиний (Z = 89) испускает ��/i>-частица, когда она распадается с образованием тория (Z = 90).
• Радиоактивные элементы, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, представляют собой разные формы одного и того же элемента. Радиоактивный торий, полученный при распаде урана, представляет собой другую форму элемента, чем радиоактивный торий, полученный при ��/i>-частичный распад актиния.

Содди предложил название изотоп для описания различных радиоактивных атомов, занимающих одно и то же положение в таблице Менделеева. Затем Дж. Дж. Томсон и Фрэнсис Астон использовали масс-спектрометр, чтобы показать, что изотопы представляют собой атомы одного и того же элемента, имеющие разные атомные массы.

Открытие электрона в 1897 году Дж. Дж. Томсоном показало, что существует внутренняя структура «неделимых» строительных блоков материи, известных как атомы. Возник очевидный вопрос: сколько электронов содержит атом? Изучая рассеяние света, рентгеновских лучей и -частиц, Томсон пришел к выводу, что число электронов в атоме в 0,2-2 раза превышает вес атома.

В 1911 г. Резерфорд пришел к выводу, что рассеяние -частиц чрезвычайно тонкими кусочками металлической фольги можно объяснить, если предположить, что весь положительный заряд и большая часть массы атома сосредоточены в бесконечно малой части общего объема атома. атом, для которого он предложил название ядро. Данные Резерфорда также показали, что ядро ​​атома золота несет положительный заряд, примерно в 80 раз превышающий заряд электрона.

Открытие нейтрона в 1932 году объяснило несоответствие между зарядом ядра и массой атома. Нейтральный атом золота с массой 197 а.е.м. состоит из ядра, содержащего 79 протонов и 118 нейтронов, окруженного 79 электронами. По соглашению эта информация обозначается следующим символом, который описывает единственный встречающийся в природе изотоп золота.

Это соглашение также может быть применено к субатомным частицам. Единственная разница заключается в использовании строчных букв для обозначения частицы.

Поскольку любой, у кого есть доступ к периодической таблице, может найти атомный номер элемента, часто используется сокращенная запись, которая сообщает только массовое число атома и символ элемента. Сокращенное обозначение встречающегося в природе изотопа золота — 197 Au.

Определите количество протонов, нейтронов и электронов в ионе 210 Pb 2+.

Определенная комбинация протонов и нейтронов называется нуклид. Нуклиды с одинаковым числом протонов называются изотопы. Нуклиды с одинаковым массовым числом изобары. Нуклиды с одинаковым числом нейтронов изотон.

Классифицируйте следующие наборы нуклидов как примеры изотопов, изобар или изотонов:

(а) 12 C, 13 C и 14 C (б) 40 Ar, 40 K и 40 Ca (в) 14 C, 15 N и 16 O