Что такое изотопы в химии? Определение, строение

• Изотоп. У меня есть ядро ​​с тем же значением Z, Однако ядра с разными значениями А, то есть с разным содержанием Из-за нейтронов. Атомы с одинаковым ядерным зарядом Разные количества нейтронов называются зоототами.

• Так Символы «bC» и «| C» обозначают изотопы углерода. Нет Например, природный кислород состоит из изотопов | 0 (99,76%), VO (0,04%) и VO (0,2%) из природных хлор-изотопов. тС) (75,53%) и IP (24,47%). Наличие нескольких изотопов эле Основная причина дробного значения атомной массы ментов Милиционер.

Почти Химический элемент — это коллекция изотопов. Людмила Фирмаль

• Эль большинство изотопов (6-10 каждый) От 2 до 40 до 56 полицейских, то есть в середине периода Элемент дикой системы. Также стабильный номер (100 Желчь) нестабильна, то есть меньше изотопов, чем радиоактивные пу. Элементы, начинающиеся с 84 (полоний) и заканчивающиеся 92 (ur en), Он состоит только из нестабильных изотопов. 2> 92 изотопов Становится очень нестабильно и все тяжелые элементы.

Начните с искусственно полученного нептуния (93). Потому что изотопы одного и того же элемента одинаковы Высокий заряд ядра и, следовательно, та же электронная система Их химические свойства практически одинаковы. Исключение составляют изотопы легких элементов. Атомная масса сильно варьируется. С такими изотопами Существует заметная разница в химических веществах в этих соединениях Недвижимость.

Примером такого изотопа является протий. Териум | N и Тритий | N. Людмила Фирмаль

Смотрите также:

Решение задач по химии

Замкнутые водооборотные системы	Естественная радиоактивность
Атомное ядро	Получение новых ядер. Искусственная радиоактивность

Прикладные словари

Финансовый словарьБольшой бухгалтерский словарьМедицинский словарьМорской словарьСоциологический словарьСексологический словарьАстрономический словарьПолиграфический словарь

Справочные словари

Биографический словарьСловарь эпитетовСловарь курортовСловарь аббревиатур и сокращенийЭтимологический словарь ФасмераФразеологический словарьСловарь географических названийСловарь символовСловарь синонимовСловарь нумизматаСловарь имёнСловарь мерСловарь русских фамилийЭтнографический словарьБизнес словарьСловарь лекарственных растенийСловарь модыСловарь народов

Толковые словари

Словарь иностранных словЭнциклопедический словарьСловарь Ефремовойв†’ Энциклопедия КольераЭнциклопедия Брокгауза и ЕфронаТолковый словарь УшаковаСловарь ОжеговаСловарь Даля

Жаргонные словари

Словарь наркотического сленгаСловарь воровского жаргонаСловарь молодёжного сленгаСловарь компьютерного жаргона

Гуманитарные словари

Исторический словарьРелигиозный словарьСловарь по мифологииБиблейская энциклопедияСловарь по искусствуФилософский словарьСловарь логикиПсихологический словарьПолитический словарьЮридический словарь

Технические словари

Архитектурный словарьДжинсовый словарьСловарь по ландшафтному дизайнуАвтомобильный словарьКулинарный словарьСтроительный словарь

Изотопы — это разновидности любого химического элемента периодической системы Д. И. Менделеева, обладающие разным атомным весом. Различные изотопы любого химического элемента имеют одно и то же число протонов в ядре и такое же число электронов на оболочках атома, имеют одинаковый атомный номер и занимают определенные, свойственные данному химическому элементу, места   в таблице Д. И. Менделеева.

Различие в атомном весе у изотопов объясняется тем, что ядра их атомов содержат разное число нейтронов.

Изотопы радиоактивные — изотопы любого элемента периодической системы Д. И. Менделеева, атомы которых имеют неустойчивые ядра и переходят в устойчивое состояние путем радиоактивного распада, сопровождающегося излучением (см. Радиоактивность). У элементов с порядковым номером больше 82 все изотопы радиоактивны и распадаются путем альфа- или бета-распада. Это — так называемые естественные радиоактивные изотопы, встречающиеся обычно в природе. Атомы, образующиеся при распаде этих элементов, если у них порядковый номер выше 82, в свою очередь подвергаются радиоактивному распаду, продукты которого также могут быть радиоактивны. Получается как бы последовательная цепочка, или так называемое семейство радиоактивных изотопов.

Известно три естественных радиоактивных семейства, называемых по первому элементу ряда семействами урана, тория и актиноурана (или актиния). К семейству урана относятся радий (см.) и радон (см.). Последний элемент каждого ряда превращается в результате распада в один из устойчивых изотопов свинца с порядковым номером 82. Кроме этих семейств, известны отдельные естественные радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами меньше 82. Это калий-40 и некоторые другие. Из них важен калий-40, так как он содержится в любом живом организме.

Радиоактивные изотопы всех химических элементов можно получить искусственным путем. Это — искусственно радиоактивные изотопы. Существует несколько способов их получения. Радиоактивные изотопы таких элементов, как стронций, йод, бром и другие, занимающих средние места в периодической системе, являются продуктами деления ядра урана. Из смеси таких продуктов, полученных в ядерном реакторе (см. Реакторы ядерные), их выделяют, пользуясь радиохимическими и другими методами. Радиоактивные изотопы почти всех элементов могут быть получены на ускорителе заряженных частиц (см.) путем бомбардировки определенных устойчивых атомов протонами или дейтронами.

Распространен способ получения радиоактивных изотопов из устойчивых изотопов того же элемента путем облучения их нейтронами в ядерном реакторе. Способ основан на так называемой реакции радиационного захвата. Если вещество облучают нейтронами, последние, не имея заряда, могут беспрепятственно приблизиться к ядру атома и как бы «прилипнуть» к нему, образовав новое ядро того же элемента, но с одним лишним нейтроном. При этом выделяется определенное количество энергии в виде гамма-излучения (см.), почему процесс и называется радиационным захватом. Ядра с избытком нейтронов неустойчивы, поэтому полученный изотоп радиоактивен. За редкими исключениями, таким путем можно получить радиоактивные изотопы  любого элемента.

При распаде изотопа может образоваться изотоп, также радиоактивный. Например, стронций-90 превращается в иттрий-90, барий-140 — в лантан-140 и т. п.

Искусственным путем были получены не известные в природе трансурановые элементы с порядковым номером больше 92 (нептуний, плутоний, америций, кюрий и т. д.), все изотопы которых радиоактивны. Один из них дает начало еще одному радиоактивному семейству — семейству нептуния.

При работе реакторов и ускорителей радиоактивные изотопы образуются в материалах и деталях этих установок и окружающего оборудования. Эта «наведенная активность», сохраняющаяся более или менее долгое время после прекращения работы установок, представляет нежелательный источник излучения. Наведенная активность возникает и в живом организме, подвергавшемся воздействию нейтронов, например при аварии или при атомном взрыве.

Активность радиоактивных изотопов измеряется в единицах кюри (см. «Единицы измерения») или производных от нее — милликюри и микрокюри.

Обнаруживают и измеряют количество радиоактивных изотопов по их излучению, пользуясь для этого обычным способом измерения радиоактивности (см. Дозиметрия, ионизирующих излучений). Эти способы позволяют измерять активность порядка сотых и тысячных долей микрокюри, что соответствует весовому количеству изотопа менее миллиардных долей миллиграмма. Из этого видно, что ничтожная примесь радиоактивных изотопов какого-либо элемента к его устойчивым атомам позволяет легко обнаружить этот элемент. Его атомы становятся, таким образом, мечеными атомами. Их меткой является излучение.

По химическим и физико-химическим свойствам радиоактивные изотопы практически не отличаются от природных элементов; их примесь к какому-либо веществу не меняет его поведения в живом организме.

Можно такими мечеными атомами заменять устойчивые изотопы в различных химических соединениях.  Свойства последних от этого не изменятся, и, если ввести их в организм, они будут вести себя как обычные, немеченные вещества. Однако благодаря излучению легко обнаруживать их присутствие в крови, тканях, клетках и т. п. Радиоактивные изотопы в этих веществах служат, таким образом, показателями, или индикаторами, распределения и судьбы введенных в организм веществ. Поэтому их называют «радиоактивными индикаторами». Синтезировано множество неорганических и органических соединений, меченных различными радиоактивными изотопами, для радиоизотопной диагностики (см.) и для различных экспериментальных исследований.

Многие радиоактивные изотопы (йод-131, фосфор-32, золото-198 и др.) применяются для лучевой терапии (см.).

Искусственно радиоактивные изотопы (кобальт-60, цезий-137 и некоторые другие, являющиеся гамма-излучателями) полностью заменили радий, применявшийся ранее в качестве источника излучения (см. Гамма-аппараты) для медицинских и технических целей. См. также статьи по названию элементов.

–>

Лекция 2. ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТОМОВ. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ И РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД ЯДЕР.

1. Строение атома. Элементарные частицы.

2. Виды радиоактивного распада.

3. Закон радиоактивного распада.

Вопрос 1. Строение атома. Элементарные частицы

Окружающий нас мир построен из множества атомов различных элементов. Их размеры очень малы. Диаметр самого легкого атома водорода составляет одну стомиллионную часть сантиметра.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10^-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10^-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона [Белов А.Д., 1999]. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.

В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.

Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т.д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), за единицу принята 112массы атомы углерода (¹²С).

1 а.е.м. = 1,67*10^{-27 кг}

Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.

1эВ = 1,602*10^-19Кл

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (^А_ZX).

Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева:

q = Ze

Ядерные силы.

Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.

Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы π-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные π-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.

Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10^-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а.е.м. или 938,27 МэВ.

Число протонов в ядре (атомный номер) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы Д.И. Менделеева. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.

Нейтрон (n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента [Белов А.Д., 1999].

Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а.е.м., а в абсолютных единицах массы – 9,1*10^-28кг. Энергетический эквивалент а.е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10^-19Кл.

Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P,Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:

m=2n²,

где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее.

Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.

Атом, обладающий избытком энергии, называется ВОЗБУЖДЕННЫМ, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленным, от ядра – процессом ВОЗБУЖДЕНИЯ.

Поскольку в природе всякая система стремится перейти в положение, при котором ее энергия будет наименьшей, то и атом из возбужденного состояния переходит первоначальное.

Возращение атома в обычное состояние сопровождается делением избыточной энергии. Переход электронов из внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновым излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома (характеристическое рентгеновское излучение).

Переходы электронов в пределах внешних орбит дают оптический спектр, который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей.

При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы.

Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов – в отрицательный.

Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов.

Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.

Изотопы, изотоны, изобары.

Большинство элементов в природе представляет собой смесь разновидностей атомов, ядра которых содержат неодинаковое число нейтронов, т.е. различаются по массе.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число (³⁹₁₉К, ⁴⁰₁₉К, ⁴¹₁₉К).

Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами. Начиная с 83-го элемента т. Менделеева – все изотопы элементов радиоактивны. Известно свыше 1200.

Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. Например ¹³₆С имеет шесть протонов и семь нейтронов, ¹⁴₇N имеет семь протонов и тоже семь нейтронов.

Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т.е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами.

Например: ¹⁰₄Be, ¹⁰₅B, ¹⁰₆C и т.д.



Получение радиоактивных изотопов и их применение

Радиоактивные изотопы широко используются в самых различных областях науки и техники.

Элементы, не существующие в природе. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номерами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. Так, например, элемент с порядковым номером Z – 43, названный технецием, имеет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет.

С помощью ядерных реакций получены также трансурановые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знаете. Кроме них, получены еще следующие элементы: америций (Z = 95), кюрий (Z = 96), берклий (Z = 97), калифорний (Z = 98), эйнштейний (Z = 99), фермий (Z = 100), менделевий (Z = 101), нобелий (Z = 102), лоуренсий (Z = 103), ре-зерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), хассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 104, впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии.

Меченые атомы. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко используются радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение имеет метод меченых атомов.

Метод основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов.

Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень просто — по их излучению. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т. д.

Радиоактивные изотопы — источники излучений. Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, медицине и технике как компактные источники γ-лучей. Главным образом используется радиоактивный кобальт ₂₇⁶⁰Co.

Получение радиоактивных изотопов. Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности.

Радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми.

Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа ₂₆⁵⁹Fe было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом.

Если не существует достаточно долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа ₈¹⁸O было установлено, что свободный кислород, выделяюнщйся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.

Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.

Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения.

Иод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного иода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного иода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный иод используют для лечения базедовой болезни.

Интенсивное -излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).

Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца.

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

Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами γ-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности.

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Широкое применение получили меченые атомы в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором ЦР. Исследуя за тем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Радиоактивные изотопы в археологии. Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется β-радиоактивный изотоп углерода ₆¹⁴C с периодом полураспада Т = 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи).

Соединяясь с кислородом, этот изотоп углерода образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати β-частиц в секунду.

После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50 000 и даже до 100 000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

 

Информация о материале

• Вы здесь:  
• Главная
• Физика
• Получение радиоактивных изотопов и их применение