Módne tendencie a trendy. Doplnky, topánky, krása, účesy

V procese rozvoja vedy chémia čelila problému výpočtu množstva látky na vykonávanie reakcií a látok získaných v ich priebehu.

Dnes na takéto výpočty chemická reakcia medzi látkami a zmesami sa používa hodnota relatívnej atómovej hmotnosti zapísaná v periodickej tabuľke chemických prvkov D. I. Mendelejevom.

Chemické procesy a vplyv podielu prvku v látkach na priebeh reakcie

Moderná veda podľa definície „relatívna atómová hmotnosť chemického prvku“ znamená, koľkokrát je hmotnosť atómu daného chemického prvku väčšia ako jedna dvanástina atómu uhlíka.

S príchodom éry chémie vzrástla potreba presného určovania priebehu chemickej reakcie a jej výsledkov.

Preto sa chemici neustále pokúšali vyriešiť problém presných hmotností interagujúcich prvkov v hmote. Jedným z najlepších riešení v tej dobe bolo prichytenie na najľahší prvok. A hmotnosť jeho atómu bola braná ako jedna.

Historický priebeh počítania látky

Spočiatku sa používal vodík, potom kyslík. Tento spôsob výpočtu sa však ukázal ako nepresný. Dôvodom bola prítomnosť izotopov s hmotnosťou 17 a 18 v kyslíku.

Mať zmes izotopov teda technicky dalo iné číslo ako šestnásť. Dnes sa relatívna atómová hmotnosť prvku vypočítava na základe hmotnosti atómu uhlíka, ktorý sa berie ako základ, v pomere 1/12.

Dalton položil základy relatívnej atómovej hmotnosti prvku

Až o nejaký čas neskôr, v 19. storočí, Dalton navrhol vypočítať pomocou najľahšieho chemického prvku – vodíka. Na prednáškach svojim študentom predvádzal na postavách vyrezaných z dreva, ako sú atómy spojené. Pre ďalšie prvky použil údaje, ktoré predtým získali iní vedci.

Podľa Lavoisierových experimentov voda obsahuje pätnásť percent vodíka a osemdesiatpäť percent kyslíka. S týmito údajmi Dalton vypočítal, že relatívna atómová hmotnosť prvku, ktorý tvorí vodu, v tomto prípade kyslíka, je 5,67. Chyba jeho výpočtov je spôsobená tým, že nesprávne veril, pokiaľ ide o počet atómov vodíka v molekule vody.

Podľa jeho názoru na jeden atóm kyslíka pripadal jeden atóm vodíka. Pomocou údajov chemika Austina, že amoniak obsahuje 20 percent vodíka a 80 percent dusíka, vypočítal, aká je relatívna atómová hmotnosť dusíka. Týmto výsledkom dospel k zaujímavému záveru. Ukázalo sa, že relatívna atómová hmotnosť (vzorec amoniaku bol chybne prevzatý s jednou molekulou vodíka a dusíka) je štyri. Vo svojich výpočtoch sa vedec spoliehal na periodický systém Mendelejeva. Z analýzy vypočítal, že relatívna atómová hmotnosť uhlíka bola 4,4 namiesto predtým akceptovaných dvanástich.

Napriek svojim vážnym chybám to bol Dalton, kto ako prvý vytvoril tabuľku niektorých prvkov. Počas života vedca prešiel mnohými zmenami.

Izotopová zložka látky ovplyvňuje hodnotu presnosti relatívnej atómovej hmotnosti

Pri zvažovaní atómových hmotností prvkov si možno všimnúť, že presnosť pre každý prvok je iná. Napríklad pre lítium je štvorciferný a pre fluór osemmiestny.

Problémom je, že izotopová zložka každého prvku je iná a variabilná. Napríklad obyčajná voda obsahuje tri typy izotopov vodíka. Okrem bežného vodíka zahŕňajú deutérium a trícium.

Relatívne atómové hmotnosti izotopov vodíka sú dve a tri. „Ťažká“ voda (tvorená deutériom a tríciom) sa horšie odparuje. Preto je v parnom stave menej izotopov vody ako v kvapalnom stave.

Selektivita živých organizmov na rôzne izotopy

Živé organizmy majú selektívnu vlastnosť vo vzťahu k uhlíku. Uhlík s relatívnou atómovou hmotnosťou rovnou dvanástim sa používa na stavbu organických molekúl. Preto látky organického pôvodu, ako aj množstvo minerálov, ako je uhlie a ropa, obsahujú menší obsah izotopov ako anorganické materiály.
Mikroorganizmy, ktoré spracovávajú a akumulujú síru, zanechávajú za sebou izotop síry 32. V oblastiach, kde baktérie nespracúvajú, je podiel izotopu síry 34, teda oveľa vyšší. Práve na základe pomeru síry v pôdnych horninách dochádzajú geológovia k záveru o charaktere pôvodu vrstvy – či má magmatickú povahu alebo sedimentárnu.

Zo všetkých chemických prvkov iba jeden nemá žiadne izotopy - fluór. Preto je jeho relatívna atómová hmotnosť presnejšia ako u iných prvkov.

Existencia nestabilných látok v prírode

Pre niektoré prvky je relatívna hmotnosť uvedená v hranatých zátvorkách. Ako vidíte, ide o prvky nachádzajúce sa po uráne. Faktom je, že nemajú stabilné izotopy a rozpadajú sa s uvoľňovaním rádioaktívneho žiarenia. Preto je najstabilnejší izotop uvedený v zátvorkách.

Časom sa ukázalo, že z niektorých z nich je možné v umelých podmienkach získať stabilný izotop. Musel som zmeniť atómové hmotnosti niektorých transuránových prvkov v periodickej tabuľke Mendelejeva.

V procese syntézy nových izotopov a meraní ich životnosti sa niekedy podarilo nájsť nuklidy s polčasmi miliónkrát dlhšími.

Veda nestojí na mieste, neustále sa objavujú nové prvky, zákony, vzťahy rôznych procesov v chémii a prírode. Preto je nejasné a neisté, v akej forme sa chémia a periodický systém chemických prvkov Mendelejeva ukáže v budúcnosti, o sto rokov. Ale rád by som veril, že diela chemikov nahromadené za uplynulé storočia poslúžia novému, dokonalejšiemu poznaniu našich potomkov.

atómová hmotnosť je súčet hmotností všetkých protónov, neutrónov a elektrónov, ktoré tvoria atóm alebo molekulu. Hmotnosť elektrónov je v porovnaní s protónmi a neutrónmi veľmi malá, preto sa pri výpočtoch neberie do úvahy. Aj keď je z formálneho hľadiska nesprávny, tento termín sa často používa na označenie priemernej atómovej hmotnosti všetkých izotopov prvku. V skutočnosti ide o relatívnu atómovú hmotnosť, ktorá sa tiež nazýva atómová hmotnosť prvok. Atómová hmotnosť je priemer atómových hmotností všetkých prirodzene sa vyskytujúcich izotopov prvku. Chemici musia pri svojej práci rozlišovať medzi týmito dvoma typmi atómovej hmotnosti – nesprávna hodnota atómovej hmotnosti môže napríklad viesť k nesprávnemu výsledku pre výťažok reakčného produktu.

Kroky

Nájdenie atómovej hmotnosti podľa periodickej tabuľky prvkov

Zistite, ako sa píše atómová hmotnosť. Atómovú hmotnosť, teda hmotnosť daného atómu alebo molekuly, možno vyjadriť v štandardných jednotkách SI – gramoch, kilogramoch atď. Avšak, pretože atómové hmotnosti vyjadrené v týchto jednotkách sú extrémne malé, sú často zapísané v jednotných jednotkách atómovej hmotnosti alebo v skratke am.u. sú jednotky atómovej hmotnosti. Jedna atómová hmotnostná jednotka sa rovná 1/12 hmotnosti štandardného izotopu uhlíka-12.

• Atómová hmotnostná jednotka charakterizuje hmotnosť jeden mól daného prvku v gramoch. Táto hodnota je veľmi užitočná v praktických výpočtoch, pretože sa dá použiť na jednoduchý prevod hmotnosti daného počtu atómov alebo molekúl danej látky na móly a naopak.

1. Nájdite atómovú hmotnosť v Mendelejevovej periodickej tabuľke. Väčšina štandardných periodických tabuliek obsahuje atómové hmotnosti (atómové hmotnosti) každého prvku. Spravidla sa uvádzajú ako číslo v spodnej časti bunky s prvkom, pod písmenami označujúcimi chemický prvok. Zvyčajne to nie je celé číslo, ale desatinné číslo.

   Pamätajte, že periodická tabuľka ukazuje priemerné atómové hmotnosti prvkov. Ako bolo uvedené vyššie, relatívne atómové hmotnosti uvedené pre každý prvok v periodickej tabuľke sú priemery hmotností všetkých izotopov atómu. Táto priemerná hodnota je cenná na mnohé praktické účely: napríklad sa používa pri výpočte molárnej hmotnosti molekúl pozostávajúcich z niekoľkých atómov. Keď sa však zaoberáte jednotlivými atómami, táto hodnota zvyčajne nestačí.

   • Keďže priemerná atómová hmotnosť je priemerom niekoľkých izotopov, hodnota uvedená v periodickej tabuľke nie je presné hodnota atómovej hmotnosti ktoréhokoľvek jednotlivého atómu.
   • Atómové hmotnosti jednotlivých atómov sa musia vypočítať s prihliadnutím na presný počet protónov a neutrónov v jednom atóme.

Výpočet atómovej hmotnosti jednotlivého atómu

1. Nájdite atómové číslo daného prvku alebo jeho izotopu. Atómové číslo je počet protónov v atómoch prvku a nikdy sa nemení. Napríklad všetky atómy vodíka a iba majú jeden protón. Sodík má atómové číslo 11, pretože má jedenásť protónov, zatiaľ čo kyslík má atómové číslo osem, pretože má osem protónov. Atómové číslo akéhokoľvek prvku nájdete v periodickej tabuľke Mendelejeva - takmer vo všetkých štandardných verziách je toto číslo uvedené nad písmenom chemického prvku. Atómové číslo je vždy kladné celé číslo.

   • Predpokladajme, že nás zaujíma atóm uhlíka. V atómoch uhlíka je vždy šesť protónov, takže vieme, že jeho atómové číslo je 6. Okrem toho vidíme, že v periodickej tabuľke je v hornej časti bunky s uhlíkom (C) číslo „6“, čo naznačuje, že atómové číslo uhlíka je šesť.
   • Všimnite si, že atómové číslo prvku nie je jednoznačne spojené s jeho relatívnou atómovou hmotnosťou v periodickej tabuľke. Hoci sa najmä pri prvkoch v hornej časti tabuľky môže zdať, že atómová hmotnosť prvku je dvojnásobkom jeho atómového čísla, nikdy sa nevypočítava vynásobením atómového čísla dvomi.

2. Nájdite počet neutrónov v jadre. Počet neutrónov môže byť rôzny pre rôzne atómy toho istého prvku. Keď dva atómy toho istého prvku s rovnakým počtom protónov majú rôzny počet neutrónov, sú to rôzne izotopy tohto prvku. Na rozdiel od počtu protónov, ktorý sa nikdy nemení, sa počet neutrónov v atómoch konkrétneho prvku môže často meniť, takže priemerná atómová hmotnosť prvku sa zapisuje ako desatinný zlomok medzi dve susedné celé čísla.

   Spočítajte počet protónov a neutrónov. Toto bude atómová hmotnosť tohto atómu. Ignorujte počet elektrónov, ktoré obklopujú jadro – ich celková hmotnosť je extrémne malá, takže majú malý alebo žiadny vplyv na vaše výpočty.

Výpočet relatívnej atómovej hmotnosti (atómovej hmotnosti) prvku

1. Určte, ktoré izotopy sú vo vzorke. Chemici často určujú pomer izotopov v konkrétnej vzorke pomocou špeciálneho prístroja nazývaného hmotnostný spektrometer. Počas školenia vám však tieto údaje budú poskytnuté v podmienkach úloh, kontroly a pod. vo forme hodnôt prevzatých z odbornej literatúry.

   • V našom prípade povedzme, že máme do činenia s dvoma izotopmi: uhlík-12 a uhlík-13.

2. Určte relatívne zastúpenie každého izotopu vo vzorke. Pre každý prvok sa vyskytujú rôzne izotopy v rôznych pomeroch. Tieto pomery sú takmer vždy vyjadrené v percentách. Niektoré izotopy sú veľmi bežné, zatiaľ čo iné sú veľmi zriedkavé – niekedy také zriedkavé, že je ťažké ich odhaliť. Tieto hodnoty možno určiť pomocou hmotnostnej spektrometrie alebo nájsť v referenčnej knihe.

   • Predpokladajme, že koncentrácia uhlíka-12 je 99% a uhlíka-13 je 1%. Iné izotopy uhlíka naozaj existujú, ale v množstvách tak malých, že v tomto prípade ich možno zanedbať.

3. Vynásobte atómovú hmotnosť každého izotopu jeho koncentráciou vo vzorke. Vynásobte atómovú hmotnosť každého izotopu jeho percentom (vyjadrené ako desatinné číslo). Ak chcete previesť percentá na desatinné miesta, jednoducho ich vydeľte číslom 100. Výsledné koncentrácie by mali byť vždy 1.

   • Naša vzorka obsahuje uhlík-12 a uhlík-13. Ak uhlík-12 tvorí 99 % vzorky a uhlík-13 je 1 %, potom vynásobte 12 (atómová hmotnosť uhlíka-12) 0,99 a 13 (atómová hmotnosť uhlíka-13) 0,01.
   • Referenčné knihy uvádzajú percentá založené na známych množstvách všetkých izotopov prvku. Väčšina učebníc chémie obsahuje tieto informácie v tabuľke na konci knihy. Pre študovanú vzorku možno tiež určiť relatívne koncentrácie izotopov pomocou hmotnostného spektrometra.

4. Sčítajte výsledky. Spočítajte výsledky násobenia, ktoré ste získali v predchádzajúcom kroku. V dôsledku tejto operácie nájdete relatívnu atómovú hmotnosť vášho prvku - priemernú hodnotu atómových hmotností izotopov príslušného prvku. Keď sa prvok považuje za celok a nie za konkrétny izotop daného prvku, použije sa táto hodnota.

   • V našom príklade 12 x 0,99 = 11,88 pre uhlík-12 a 13 x 0,01 = 0,13 pre uhlík-13. Relatívna atómová hmotnosť je v našom prípade 11,88 + 0,13 = 12,01 .

• Niektoré izotopy sú menej stabilné ako iné: rozpadajú sa na atómy prvkov s menším počtom protónov a neutrónov v jadre, pričom sa uvoľňujú častice, ktoré tvoria atómové jadro. Takéto izotopy sa nazývajú rádioaktívne.

TO Ako viete, izotopy sa nazývajú odrody atómov chemického prvku, ktorých jadrá obsahujú rovnaký počet protónov ( Z) a rôzne neutróny ( N). Sum ALE = Z + N- hmotnostné číslo - slúži ako najdôležitejšia charakteristika izotopu. Fenomén izotopie objavil v decembri 1913 anglický rádiochemik F. Soddy v rádioaktívnych prvkoch na konci periodickej sústavy. Potom sa našiel v stabilných prvkoch. Viac o histórii izotopie nájdete v dielach.

Prírodné rádioaktívne izotopy sú zoskupené do troch „rodín“, ktorých predkami sú dlhožijúce tórium-232, urán-238 a urán-235 (ich polčasy rozpadu sa merajú v miliardách rokov). Rodiny končia stabilné izotopy viesť ( Z= 82) s ALE= 208, 206 a 207. Medzi tým sú krátkodobé izotopy prvkov s Z= 81–92 spojené „reťazami“ a-a b - rozpadá sa. Celkový počet členov „rodín“ (okrem stabilných odrôd atómov olova) je 41.

Viac ako 1600 umelých izotopov bolo syntetizovaných prostredníctvom rôznych jadrových reakcií v tomto rozsahu Z od 1 do 112 (viac ako 20 pre niektoré prvky).

Zameriame sa na stabilné izotopy. Hlavnú zásluhu na ich objave má anglický fyzik F. Aston. V roku 1919 zistil, že neón inertného plynu (atómová hmotnosť - 20,2) je zmesou dvoch izotopov s atómovými hmotnosťami 20 a 22. Vedec robil výskum desať a pol dekády a objavil 210 stabilných izotopov väčšiny prvkov. Významný príspevok patrí americkému vedcovi A. Dempsterovi - 37 izotopov. Na práci sa podieľali aj ďalší výskumníci, no väčšina sa obmedzila na zistenie jedného alebo dvoch nových typov atómov. Dôležitou udalosťou bol objav v roku 1929 izotopov kyslíka s ALE 17 a 18, W. Giocom a G. Johnston (USA); Aston predtým veril, že existuje iba 16 O. Prítomnosť troch izotopov v kyslíku ovplyvnila výber stupnice atómovej hmotnosti. V roku 1932 G. Urey, F. Brickwedde a G. Murphy (USA) objavili ťažký izotop vodíka - deutérium s ALE= 2. Posledný objav (1949) bol vanád-50.

Informácie o stabilných izotopoch sú uvedené v tabuľke (pozri str. 2). Niektoré z nich sú označené hviezdičkou (draslík-40, vanád-50, rubídium-87, indium-115, antimón-123, lantán-138, cér-142, neodým-144, samárium-147, lutécium-176, rénium - 187, platina-190 a olovo-204): boli nájdené (alebo sú teoreticky možné) b -rádioaktivita resp a -rádioaktivita (Ce, Nd, Sm, Pt) s veľmi dlhými periódami (> 10 15 rokov). V skutočnosti ich však možno považovať za stabilné. Tabuľka obsahuje aj rádioaktívne izotopy tória a uránu, ktoré sú na Zemi obsiahnuté v dosť veľkých množstvách.

Takáto tabuľka je uvedená len v niekoľkých špeciálnych monografiách. Analýza vzorov spojených so stabilnými izotopmi je predmetom špeciálnej disciplíny, ktorá sa niekedy nazýva štatistika izotopov.

Tabuľka obsahuje 282 stabilných izotopov, ktorých počet sa pre rôzne prvky značne líši. Jeden a jediný druh je charakteristický pre 21 prvkov s nepárnym Z(okrem berýlia s Z= 4). Dva izotopy majú každý 20 prvkov tiež s nepárnym Z(okrem hélia s Z= 2 a uhlík s Z= 6). Šesť prvkov – kyslík, neón, horčík, kremík, argón a draslík – sú zastúpené tromi izotopmi, pričom všetky ostatné prvky majú rovnomerné Z existuje 4 až 10 izotopov. Kadmium a telúr (každý 8 izotopov), xenón (9) a cín (10) sú zvláštnymi „držiteľmi rekordov“. V tabuľke nie sú žiadne položky s Z= 43 (technécium) a Z= 61 (promethium). Nemajú stabilné izotopy a vyrábajú sa umelo pomocou jadrových reakcií. Nie v tabuľke a izotopy s ALE rovná 5 a 8.

Väčšina izotopov (173) má párne ALE a takmer všetky obsahujú párne množstvá v jadrách atómov Z A N. Izotopy s nepárnymi ALE výrazne menej (109). Pre prvky s rovnomerným Z neexistujú viac ako dva izotopy s nepárnym ALE(výnimka - Ar s Z= 18 a Ce s Z= 58, všetky ich izotopy majú párne ALE).

Množina izotopov prvku s konkrétnou hodnotou Z(ak je ich viac) sa nazýva „plejáda“. Množstvo jednotlivých izotopov v „plejáde“ je rôzne. Pre „ľahkých“ predstaviteľov periodického systému ( Z < 32) при четных Z prevládajú izotopy s nižšími hodnotami ALE. V následných prvkoch naopak príroda uprednostňuje izotopy s veľkými hodnotami ALE. Z dvoch izotopov s nepárnym Z bežnejší je ten s ALE menej.

Vo všeobecnosti je obrázok takýto. Pre prvky od vodíka po nikel ( Z= 28) dochádza k prudkému zvýšeniu množstva jedného izotopu. Pre veľké hodnoty Z, hoci sa obsah izotopov v „plejádach“ líši (niekedy dosť výrazne), faktor absolútneho „vodcovstva“ sa už neprejavuje.

Najbežnejšie prvky v prírode sú (% hm. zemskej kôry): kyslík (47), kremík (29,5), hliník (8,05), železo (4,65), vápnik (2,96), sodík (2,5), draslík (2,5) a horčíka (1,87). Ich celkový obsah je viac ako 99 %. Podiel zvyšku teda predstavuje menej ako 1 %.

Z tohto "osem" sú hliník a sodík zastúpené jediným typom atómov (27 Al a 23 Na); v iných má jeden z izotopov ostro prevládajúci obsah (16 O, 28 Si, 56 Fe, 40 Ca, 39 K, 24 Mg). Uvedené izotopy sú teda materiálom, z ktorého je vlastne postavená celá „pozemská nebeská klenba“. Hlavnými „zložkami“ atmosféry sú 14 N a 16 O. Napokon vodný priestor je kombináciou rovnakého izotopu kyslíka s ľahkým izotopom vodíka (1 H). Vodík, kyslík spolu s uhlíkom a dusíkom sú súčasťou všetkých rastlinných a živočíšnych organizmov, a preto sa delia na špeciálnu skupinu prvkov - organogény.

Ukazuje sa teda, že iba desať stabilných izotopov rozhodne určuje nekonečnú rozmanitosť anorganickej a organickej povahy.

PPrečo takmer polovicu prvkov, ktoré existujú na Zemi, predstavuje iba jeden alebo dva typy atómov? Prečo sa obsahy jednotlivých izotopov v „plejádach“ spravidla výrazne líšia? Prečo napokon príroda uprednostňuje rôzne druhy atómov s párnymi hodnotami Z? V zozname takýchto otázok je ľahké pokračovať. Odpovede na ne s rôznou mierou úplnosti dáva teoretická jadrová fyzika. Samozrejme, v rámci tohto článku nie je možné ani len všeobecne uviesť ich podstatu. V tejto súvislosti sa obmedzíme na úvahu len o jednej, no veľmi dôležitej zákonitosti, ktorá do značnej miery určuje „štatistiku“ stabilných izotopov.

V jadrovej fyzike existuje pojem "izobary"- odrody atómov s rovnakým ALE, ale inak Z A N. V roku 1934 nemecký vedec J. Mattauh sformuloval pravidlo: ak sa dve izobary líšia v hodnotách Z o 1, potom jedna z nich musí byť nestabilná. Napríklad v páre izobarov 40 Ar–40 K je ten druhý rádioaktívny. Toto pravidlo umožňuje vniesť určitú jasnosť do určitých funkcií „štatistiky izotopov“.

Prečo robiť prvky s Z= 43 a 61 žiadne stabilné izotopy? V zásade môžu mať jeden alebo dva stabilné druhy atómov. Prvky susediace s technéciom a prométiom (molybdén a ruténium, neodým, resp. samárium) sú však v prírode zastúpené veľkým počtom izotopov v širokom rozsahu. ALE. Podľa pravidla izobary pravdepodobné hodnoty ALE pre Z= 43 a 61 sú „zakázané“. Keď sa syntetizovali izotopy technécia a prométia, ukázalo sa, že väčšina z nich sa vyznačuje nízkou dĺžkou života.

Tie izotopy, ktoré sú v tabuľke označené hviezdičkou, sú izobarické páry s izotopmi susedných prvkov (napr. 87 Pb s 87 Sr, 115 In so 115 Sn atď.), ale sú rádioaktívne vo veľmi malej miere.

Na úsvite evolučného vývoja Zeme sa množstvo izotopov rôznych prvkov líšilo od moderných. Prítomných bolo aj veľa rádioaktívnych izotopov s relatívne dlhým polčasom rozpadu. Postupne sa menili na stabilné izotopy iných prvkov, vďaka čomu sa menil ich obsah v „plejádach“. Prežili len „primárne“ tórium-232, urán-238 a urán-235, no ich pozemské zdroje sa v priebehu miliárd rokov zmenšili. Ak by neboli také dlhoveké, potom by teraz neexistovali žiadne „sekundárne“ prvky, ktorých izotopy tvoria rádioaktívne „rodiny“. V tomto prípade by prirodzenou hornou hranicou periodického systému bol bizmut s Z = 83.

Pravidlo izobarov teda hralo akúsi „triediacu“ úlohu. „Vylúčila“ odrody atómov s krátkou životnosťou, zmenila počiatočné izotopové zloženie prvkov a v konečnom dôsledku prispela ku konečnému vytvoreniu obrazu „sveta stabilných izotopov“, ktorý uvádza tabuľka.

Od vytvorenia chemického atomizmu J. Daltonom bola atómová hmotnosť (hmotnosť) dlho jedinou základnou kvantitatívnou charakteristikou prvku. Jeho určenie pre mnohé prvky si vyžadovalo starostlivé experimentálne štúdie a záviselo od výberu konkrétneho „referenčného bodu“ – stupnice atómových hmotností (kyslík O = 16 alebo vodík H = 1). V roku 1864 anglický chemik J. Newlands prvýkrát zoradil vtedy známe prvky tak, aby zvyšoval ich atómovú hmotnosť. Táto prirodzená postupnosť výrazne prispela k objaveniu periodického zákona a vývoju štruktúry periodického systému.

V troch prípadoch však došlo k porušeniu nárastu atómových hmotností: kobalt bol ťažší ako nikel, telúr – jód, argón – draslík. Takéto „anomálie“, ako sa niektorí výskumníci domnievali, podkopali základy periodického zákona. Samotný D.I. Mendelejev týmto „anomáliám“ nepripisoval vážnu dôležitosť a veril, že skôr či neskôr dostanú vysvetlenie. Toto sa stalo v skutočnosti. Ak by však neboli tri „anomálie“, ale viac, potom by samotné vyhlásenie o fenoméne periodickej zmeny vlastností prvkov nebolo také zrejmé. Faktom ale je, že príroda ich počet obmedzila.

A r = 1/100( aA 1 + bA 2 + cA 3 ...),

kde ale, b, od- obsah (v %) v "plejáde" izotopov s hmotnostnými číslami A 1 , A 2 , A 3 ... resp. Ako vidno z tabuľky, izotop s ALE= 40, kým draslík má svetlejšie s ALE= 39. Rovnaký obrázok je pozorovaný pre iné „anomálne páry“ ( ALE= 59 pre kobalt a ALE= 58 pre nikel; ALE= 130 pre telúr a ALE= 127 pre jód). Z tohto dôvodu sa atómové hmotnosti predchádzajúcich prvkov v pároch ukážu byť väčšie ako hmotnosti nasledujúcich prvkov.

Hmotnostné počty stabilných izotopov a ich relatívna abundancia

Poznámka. Prvky bez izotopov sú zvýraznené tučným písmom, ako aj najbežnejší izotop v „plejáde“.

IN 1911–1914 bol vyvinutý jadrovo-elektronický model atómu od E. Rutherforda - N. Bohra a A. Van den Broek a G. Moseley dokázali, že poradové číslo prvku v periodickej sústave sa číselne rovná náboju jadro jeho atómu. V dôsledku toho sa ukázalo, že množstvo chemických prvkov, usporiadaných vzostupne podľa ich atómových hmotností, sa takmer dokonale (s výnimkou „anomálií“) zhodovalo so sekvenciou prvkov zodpovedajúcou monotónnemu nárastu Z.

Dôvod tejto úžasnej zhody okolností spočíva v „pevnom“ izotopovom zložení prvkov existujúcich na Zemi. Už sme poznamenali, že na začiatku svojho vývoja bolo toto zloženie iné. Nemohla sa však výrazne líšiť od modernej. Pôvodné množstvo stabilných izotopov bolo preto výsledkom procesov spojených so základnými udalosťami súvisiacimi s oblasťou astrofyzikálnych konceptov. Presnejšie s problémom pôvodu prvkov.

Späť v 20. rokoch minulého storočia. boli vyjadrené myšlienky, že k tvorbe prvkov dochádza v atmosfére hviezd, v podmienkach veľmi vysokých teplôt a tlakov. Neskôr sa začali rozvíjať všeobecné teórie pôvodu prvkov. Jeden z nich, navrhnutý v roku 1948 R. Alferom, G. Bethem a G. Gamowom, predpokladal, že k syntéze prvkov došlo v dôsledku „výbuchu“ neutrónovej hviezdy. Uvoľnené neutróny sa rozpadli na protóny a elektróny. Protóny a elektróny boli zoskupené do zložitejších systémov – atómov rôznych prvkov. Podľa autorov teórie postupným zachytávaním neutrónov a b - -rozpady vytvorených atómov viedli k vzniku obrovského množstva rádioaktívnych a stabilných izotopov, vrátane tých, ktoré teraz existujú na Zemi. Okrem toho sa celý proces syntézy uskutočnil za 15 minút (!). Táto elegantná teória sa však ukázala ako neudržateľná. Takže izotopy ALE= 5 a 8 (mimochodom, nie sú v tabuľke) sú také nestabilné, že sa rozpadajú skôr, ako ich jadrá stihnú zachytiť ďalší neutrón.

V súčasnosti je dokázané, že k syntéze prvkov neustále dochádza vo hviezdach a v rôznych štádiách ich vývoja. V dôsledku rôznych jadrových reakcií sa vytvárajú určité súbory izotopov. Celkom uspokojivé vysvetlenie bolo podané pre kozmickú hojnosť prvkov, ktorá sa výrazne líši od pozemskej hojnosti. Vo vesmíre sú teda dominantné vodík a hélium. Avšak, ako budete zvyšovať Z tento rozdiel sa stáva menej výrazným.

„Kostra“ moderného izotopového zloženia prvkov na Zemi bola postavená pred mnohými miliardami rokov a jej „dokončenie“ je už spojené s procesmi, ktoré prebiehali počas celej histórie našej planéty.

Na záver si dajme pozor na jednu dôležitú terminologickú „nuansu“. Samotný pojem „izotop“ je legitímny, keď rozprávame sa o atómových druhoch s určitými hodnotami Z. Ak sa však porovnávajú druhy s nerovnými Z, potom v tomto prípade použitie názvu "izotop" nie je dostatočne opodstatnené (napokon sa porovnávajú odrody atómov nachádzajúcich sa v rôznych bunkách periodického systému).

Teraz sa rozšíril pojem „nuklid“, ktorý zaviedol americký fyzik T. Koman v roku 1947: „Typ atómu, ktorý sa vyznačuje zložením jadra, najmä počtom protónov a neutrónov v ňom obsiahnutých.“ Vo vyššie uvedenej tabuľke by sa preto slovo "izotopy" mohlo nahradiť slovom "nuklidy". Toto nahradenie by však v žiadnom prípade neovplyvnilo všetky následné úvahy.

Referencie

1. Aston F. Hmotnostné spektrá a izotopy. M.: Izd-vo inostr. literatúra, 1948.
2. Vyaltsev A.N., Krivomazov A.N., Trifonov D.N.. Pravidlo posunu a fenomén izotopie. Moskva: Atomizdat, 1976.
3. Trifonov D.N., Krivomazov A.N., Lisnevsky Yu.I. Chemické prvky a nuklidy. Špecifiká objavu. Moskva: Atomizdat, 1980.
4. Trifonov D.N. Periodický systém prvkov. História v tabuľkách. M.: MP VHO im. D.I.Mendeleeva, 1992, s. 46.
5.Voroncovová E.R.. Atómová hmotnosť. História vývoja experimentálnych metód. Moskva: Nauka, 1984.
6. Lisnevsky Yu.I. Atómové hmotnosti a výskyt jadrovej fyziky. Moskva: Nauka, 1984.
7. Rankama K. Izotopy v geológii. M.: Izd-vo inostr. literatúra, 1956.
8. Gaisinský M.N.. Jadrová chémia a jej aplikácie. M.: Izd-vo inostr. literatúra, 1962.
9. Trifonov D.N.. "Anomálny" príbeh. Chémia, 1996, č. 26, 28.

D.N. TRIFONOV

Tabuľka 1.1

Typy rádioaktívny rozpad jadrá

Fenomén dvojitého β-rozpadu bol objavený v roku 1950. M. Ingram a J. Reynolds objavili medzi produktmi rozpadu 130 Te izotop 130 Xe, čo bolo vysvetlené premenou izotopu 130 Te na izotop 130 Xe súčasným emisia dvoch elektrónov a dvoch antineutrín. Odvtedy sa štúdium fenoménu dvojitého β-rozpadu stalo jedným z najviac efektívne metódyštúdium vlastností neutrín, testovanie štandardného modelu.

N-Z diagram atómových jadier

V súčasnosti je známych ~ 3500 atómových jadier, čo sú rôzne kombinácie protónových čísel Z a neutróny N. Podľa existujúcich odhadov môže byť počet atómových jadier ~7000. Atómové jadrá sa delia na dve veľké skupiny −

• stabilné jadrá,
• rádioaktívne jadrá.

Od celkový počet~3500 známych atómových jadier je stabilných ~350 jadier.
izotopy− atómové jadrá s rovnakým počtom protónov (Z = const) a rôznym počtom neutrónov.
izotóny− atómové jadrá s rovnakým počtom neutrónov (N = konšt.) a rôznym počtom protónov.
izobary− atómové jadrá s rovnakým hmotnostným číslom A (A = Z + N) a rôznym počtom neutrónov a protónov.

Ryža. 1.1. N-Z diagram atómové jadrá.

Tabuľka 1.2

Tabuľka izotopov chemických prvkov

Tabuľka 1.2 uvádza sériové číslo, symbol, názov a minimálne a maximálne hmotnostné čísla detekovaných izotopov pre všetky zistené chemické prvky. Chemické prvky od Z= 113–118 mená ešte nie sú priradené, uvádzajú sa v špeciálnych medzinárodných označeniach.
Na obr. 1.1 je znázornený N-Z diagram atómových jadier. Čierne bodky ukazujú stabilné jadrá. Oblasť, kde sa nachádzajú stabilné jadrá, sa zvyčajne nazýva údolie stability. Jadrá údolia stability sú charakterizované nasledujúcim pomerom počtu neutrónov N k počtu protónov Z:

N/Z = 0/98 + 0/015 A 2/3,

kde A = N + Z je hmotnostné číslo.
Svetlo stabilné jadrá (A< 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1.6 в районе A = 250. Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер jadrové sily a rastúca úloha Coulombovej interakcie protónov v jadre so zvyšujúcim sa hmotnostným číslom A. Ťažké jadrá sa ukazujú ako energeticky stabilnejšie, ak obsahujú väčší počet neutrónov N v porovnaní s počtom protónov Z. Najťažšie stabilné jadrá sú izotopy olova 206, 207, 208Pb (Z = 82) a bizmut 209 Bi (Z = 83). Stabilita atómového jadra je charakterizovaná jeho polčasom rozpadu. Množstvo jadier údolia stability sa považuje za stabilné. V skutočnosti sa však môžu rozpadnúť s veľmi dlhými polčasmi, často presahujúcimi životnosť vesmíru t = 13,7·10 9 rokov. Príkladom sú izotopy 100 Mo, 76 Ge, ktoré sa považujú za stabilné izotopy, ale ich polčas rozpadu bol teraz meraný ako výsledok dvojitého β-rozpadu.

T 1/2 (100 Mo → 100 Ru + 2e - + 2) = (7,6±0,4) 10 18 rokov,
T 1/2 (76 Ge → 76 Se + 2e - + 2) = (1,5±0,1) 10 21 rokov,

Podobná situácia nastáva aj v prípade niektorých párnych až párnych ťažkých jadier Z = 64–78, ktoré sa považujú za stabilné, ale majú pozitívnu energiu vzhľadom na α-rozpad. Sú klasifikované ako stabilné jadrá, napríklad izotopy 176–179 72 Hf. Na ľavej strane stabilných jadier sú jadrá preťažené protónmi (jadrá bohaté na protóny), na pravej strane sú jadrá preťažené neutrónmi (jadrá bohaté na neutróny). tmavá farba na obr. 1.1 zdôrazňuje aktuálne objavené atómové jadrá. Na základe rôzne modely predpokladá sa, že celkový počet atómových jadier môže byť ~7000.
Viazaný stav atómového jadra je definovaný ako stav, ktorý je stabilný vzhľadom na emisiu neutrónov alebo protónov. Čiara Bp = 0 (Bp je energia separácie protónov) obmedzuje oblasť existencie atómových jadier vľavo (čiara odkvapkávania protónov). Čiara B n = 0 (B n je energia separácie neutrónov) je vpravo (odkvapkávacia čiara neutrónov). Mimo týchto hraníc atómové jadrá nemôžu existovať, pretože sa rozpadajú v charakteristickom jadrovom čase (~ 10 -22 s) s emisiou jedného alebo viacerých nukleónov. Ak je priemerná doba života jadra τ< 10 -22 c, обычно считается, что ядро не существует, т.к. за это время не успевает образоваться структура характерная для данного ядра. Обычно считается, что времена жизни радио­актив­ных ядер τ >10-16 hod. Jadrové životnosti v dôsledku emisie nukleónov, 10 -23 s< τ < 10 -16 c. Ядра, имеющие такие времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций. Среднее время жизни ядра τ и ширина резонанса Г связаны соотношением

t = y/G, τ[c] = 6,6-10-22/G[MeV].

Je pomerne ťažké vypočítať limity emisie nukleónov, pretože presnosť, s akou sú známe väzbové energie jadier (niekoľko stoviek keV), je nedostatočná na určenie, či jadro bude rádioaktívne alebo či sa rozpadne emisiou nukleón.
Preto je presnosť predpovedania hranice existencie atómových jadier 4–5 jednotiek podľa A. V prvom rade ide o hranicu, kde sa nachádzajú atómové jadrá, ktoré sú nestabilné vzhľadom na emisiu neutrónu.
V pravom hornom rohu N–Z diagramu sa nachádza oblasť superťažkých atómových jadier, ktorá sa v súčasnosti intenzívne študuje. Štúdium superťažkých atómových jadier so Z = 109÷118 ukázalo, že v tejto oblasti jadier hrajú jadrové obaly významnú úlohu pri zvyšovaní ich stability. Dostatočne dobrá zhoda medzi teoretickými výpočtami a najnovšími experimentálnymi údajmi nám umožňuje predpovedať existenciu ostrova stability v oblasti Z = 110÷116 a N = 178÷186. Jadrá ostrova stability by mali mať zvýšenú odolnosť voči α- a β-rozpadom a spontánnemu štiepeniu. Teoretické odhady ukazujú, že životnosť jadier nachádzajúcich sa v strede ostrova stability môže byť ~ 10 5 rokov. Obtiažnosť prieniku na ostrov stability je spôsobená tým, že je ťažké zvoliť kombinácie zodpovedajúcich jadier, ktorých použitie ako cieľa a dopadajúcej častice by umožnilo dostať sa do stredu ostrova stability. .

Vlastnosti voľného neutrónu a protónu

Rádioaktivita

Rádioaktivita je schopnosť atómového jadra spontánne sa rozkladať emisiou častíc.
Rádioaktívny rozpad jadra je možný vtedy, keď je to energeticky priaznivé, t.j. sprevádzané uvoľňovaním energie. Podmienkou je, že hmotnosť M počiatočného jadra prevyšuje súčet hmotností m i produktov rozpadu,

Táto podmienka je nevyhnutná, ale nie vždy postačujúca. Rádioaktívny rozpad môže byť zakázaný inými zákonmi zachovania - zachovaním momentu hybnosti, nabíjačka, baryónový náboj a iné.
Rádioaktívny rozpad je charakterizovaný životnosťou rádioaktívneho izotopu, typom emitovaných častíc a ich energiami.
Hlavné typy rádioaktívneho rozpadu sú:

α-rozpad - emisia atómové jadro a-častice;

• β-rozpad - emisia atómového jadra elektrónu a antineutrína, pozitrónu a neutrína, zachytenie atómového elektrónu jadrom s emisiou neutrína;

γ-rozpad - emisia γ-kván atómovým jadrom;

• spontánne štiepenie - rozpad atómového jadra na dva alebo tri fragmenty porovnateľnej hmotnosti.

Na viac vzácny druh rádioaktívne rozpady zahŕňajú:

• dvojitý β-rozpad - emisia dvoch elektrónov a dvoch antineutrín atómovým jadrom, emisia dvoch pozitrónov a dvoch neutrín atómovým jadrom, záchyt elektrónu atómovým jadrom s emisiou pozitrónu a dvoch neutrín,
• klastrová rádioaktivita - emisia ľahkých jadier atómovým jadrom od 12 C do 32 S,
• protónová rádioaktivita - emisia protónov zo základného stavu jadra,
• dvojprotónová rádioaktivita - emisia dvoch protónov zo základného stavu jadra,
• neutrónová rádioaktivita je emisia neutrónov zo základného stavu jadra.

Pri všetkých typoch rádioaktívneho rozpadu (okrem γ-prepadu) sa mení zloženie jadra – počet protónov Z, hmotnostné číslo A, prípadne oboje súčasne.
Charakteristiky rádioaktívneho rozpadu sú výrazne ovplyvnené interakciou spôsobujúcou rozpad. je spôsobený α-rozpad silná interakcia. β-rozpad je spôsobený slabou interakciou a gama rozpad je spôsobený elektromagnetickým.
Existujú rôzne dôvody, prečo sa životnosť nestabilných jadier môže líšiť o niekoľko rádov.

• Nízka intenzita interakcie, v dôsledku ktorej dochádza k rozpadu.
• Emisia ťažkých kladne nabitých častíc je silne potlačená potenciálnou bariérou.
• Životnosť rádioaktívneho jadra silne závisí od energie uvoľnenej počas rozpadu. Ak je táto energia malá, potom sa životnosť prudko zvyšuje. Silná závislosť rozpadová energia Q charakterizuje α-rozpad a slabú interakciu.
• Životnosť rádioaktívneho jadra silne závisí od rozdielu medzi spinmi počiatočného a konečného jadra.

Na charakterizáciu rýchlosti (pravdepodobnosti) rádioaktívneho rozpadu sa používajú tri vzájomne súvisiace veličiny - rozpadová konštanta λ, priemerná doba života τ a polčas rozpadu T 1/2.

Zákon rádioaktívneho rozpadu

konštantný rozpad λ je pravdepodobnosť jadrového rozpadu za jednotku času. Ak je vo vzorke v čase t N rádioaktívnych jadier, potom počet jadier dN, ktoré sa rozpadli za čas dt, je úmerný Nλ a časovému intervalu dt:

Znamienko „–“ znamená, že v dôsledku rozpadu sa počet rádioaktívnych jadier vo vzorke zníži.
Zákon rádioaktívneho rozpadu má tvar:

N(t) = N°e −λt,

kde N 0 je počet rádioaktívnych jadier vo vzorke v počiatočnom čase t = 0, N(t) je počet rádioaktívnych jadier, nerozpadol sa vo vzorke časom t.
Priemerná dĺžka života τ:

.

Polovičný život T 1/2 je čas, počas ktorého sa počiatočný počet rádioaktívnych jadier zníži na polovicu:

Ti/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2.

Aktivita zdroja

Aktivita zdroja I je priemerný počet rozpadov zdrojových jadier za jednotku času.

Jednotkou aktivity je počet rozpadov vyskytujúcich sa za 1 s v 1 g rádia, ktoré je v rovnováhe s produktmi rozpadu. Táto jednotka aktivity sa nazýva "Curie" a rovná sa 3,7·1010 rozpadov za sekundu. Jednotkou aktivity SI je Becquerel, čo sa rovná 1 rozpadu za sekundu.

1 Curie = 3,7 10 10 rozpadov za sekundu.
1 Becquerel = 1 rozpad za sekundu.
1 Curie = 3,7 10 10 Becquerel.

Meraním aktivity zdroja I(t) je možné určiť konštantu rozpadu λ. Pre izotopy s malými rozpadovými konštantami, a teda veľkými polčasmi rozpadu, sa používa vzťah (1.1). V tomto prípade sa počet jadier N počas merania prakticky nemení a dá sa určiť hmotnostnou spektrometriou. Pre izotopy s veľkými rozpadovými konštantami sa používa vzťah

I(t) = Io e -λt.

Ak zostrojíme závislosť aktivity zdroja I(t) od času t na semilogaritmickej stupnici ln I(t), potom uhol sklonu φ priamky k osi t určí hodnotu λ.

Ryža. 1.2. Graf rozpadu rádioaktívnej drogy v semilogaritmickej mierke. Plná čiara zodpovedá zákonu rádioaktívneho rozpadu I(t) = I 0 e −λt .

Vyššie uvedené platí pre jeden izotop s jedným rozpadovým kanálom. Závislosť aktivity od času môže byť reprezentovaná súčtom dvoch alebo viacerých exponentov, t.j.

Ten ukazuje, že zdroj obsahuje niekoľko rádioaktívnych izotopov s rôznymi polčasmi rozpadu. V tomto prípade dochádza k rozpadu každého z rádioaktívnych prvkov nezávisle.
V prípade, že rádioaktívny prípravok obsahuje dva rôzne rádioaktívne izotopy, ktoré nie sú vzájomne prepojené reťazou po sebe nasledujúcich rozpadov

Ak sa polčasy rozpadu izotopov značne líšia λ 1 >> λ 2 a počiatočný počet rádioaktívnych jadier každého izotopu je porovnateľný, potom pre malé t platí vzťah

ln(-dl/dt) ≈ ln(Ni λi).

Pre veľké t

ln(-dl/dt) ≈ ln(N2 λ2).

Na obr. 1.3 na semilogaritmickej mierke ukazuje časový priebeh aktivity zdroja pozostávajúceho z dvoch zložiek s rôznymi rozpadovými konštantami λ 1 a λ 2 .

Obr.1.3. Časová zmena priemernej aktivity zdroja pozostávajúceho z dvoch izotopov, ktoré nie sú navzájom spojené reťazou po sebe nasledujúcich rozpadov. Tangenty sklonov φ 1 a φ 2 týchto priamok sa rovnajú rozpadovým konštantám λ 1 a λ 2 , t.j. tgφ 1 \u003d λ 1, tgφ 2 \u003d λ 2.

Vzťah (1.2) je platný len vtedy, ak rádioaktívne izotopy nie sú geneticky príbuzné. Často je jadro II, ktoré je výsledkom rádioaktívneho rozpadu jadra I, tiež rádioaktívne a má inú rozpadovú konštantu λ2. V niektorých prípadoch takáto postupná transformácia rádioaktívnych jadier vedie k vzniku Vysoké číslo rôzne rádioaktívne izotopy (obr. 1.4). V tomto prípade bude závislosť aktivity zdroja od času zložitejšia.

Ryža. 1.4. Reťazec po sebe idúcich β - rozpadov jadier izobár A = 92.

Pre dva po sebe nasledujúce rozpady N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) je zmena počtu jadier N 1 (t) a počtu jadier N 2 (t) opísaná systémom rovnice

Počet jadier N 1 (t) klesá v dôsledku ich rozpadu. Počet jadier N 2 (t) klesá v dôsledku ich rozpadu a zvyšuje sa v dôsledku rozpadu jadier N 1.
V prípade počiatočných podmienok t = 0, N 1 (0) = N 10, N 2 (0) = 0 má riešenie sústavy rovníc (1.3) tvar

Ak λ 1 > λ 2, krivka rozpadu bude mať rovnaký tvar ako v prípade nezávislého rozpadu dvoch izotopov s rôznymi polčasmi rozpadu. Ak λ 1< λ 2 , кривая логарифма активности будет иметь максимум (рис. 1.5). Подъём на начальном участке обусловлен накоплением ядер N 2 . При больших временах (λ 1 t >> 1) príspevok od exponentu s λ 1 sa stáva zanedbateľným a nastáva rádioaktívna rovnováha, v ktorej sa porovnávajú aktivity a pomer medzi číslami N 1 a N 2 sa stáva nezávislým od času.

N1/N2 \u003d λ2/λ1.

Ryža. 1.5. Závislosť logaritmu aktivity od t pre rozpadový reťazec N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) pri
λ1< λ 2 .

Rozpady izotopov 36Cl a 212Bi s niekoľkými rozpadovými kanálmi.

Izotop 36Cl sa rozkladá cez tri rôzne kanály.

• β - rozpad s pravdepodobnosťou 98,1%
• β + -rozpad s pravdepodobnosťou 1,9 %
• e-capture s pravdepodobnosťou 0,001 %

Izotop 212 Bi sa rozpadá cez dva rôzne kanály.

• β - -rozpad s pravdepodobnosťou 64%
• α-rozpad s pravdepodobnosťou 36%

Svetská rovnováha

V prípade niekoľkých po sebe idúcich rozpadov

N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) → ...,

keď je polčas rozpadu jadier N 1 oveľa väčší ako polčas rozpadu zostávajúcich jadier

T 1/2 (N 1) >> T 1/2 (N 2), T 1/2 (N 3),...

počet jadier rôznych izotopov je prepojený pomerom

N1(t):N2(t):N3(t):...=T1/2(N1):T1/2(N2):T1/2(N3):. ..

Tento stav sa nazýva sekulárna rovnováha.
často rádioaktívny izotop môže mať niekoľko rôznych rozpadových kanálov, napríklad ako v prípade rozpadu izotopu36Cl. Izotop 36Cl sa rozpadá s pravdepodobnosťou 98,1 % v dôsledku β - rozpadu, s pravdepodobnosťou 1,9 % v dôsledku β + rozpadu, e-záchyt je 0,001 %. V tomto prípade plná pravdepodobnosť rozpad λ je súčet pravdepodobností rozpadu cez rôzne kanály

λ = λ1 + λ2 + λ3.

Relatívna pravdepodobnosť rozpadu ω i cez kanál i je určená vzťahom ω i = λ i /λ.
Ak sa počet izotopových jadier počas merania mení málo, potom zdrojová aktivita I a intenzity čiastočného rozpadu v jednotlivých kanáloch I 1 , I 2 a I 3 súvisia vzťahom

I \u003d λN \u003d I 1 + I 2 + I 3 \u003d λ 1 N + λ 2 N + λ 3 N,

v tomto prípade vzťah

I 1: I 2: I 3 = λ 1: λ 2: λ 3 .

Ak intenzita izotopu s časom klesá, intenzitu rozpadu pozdĺž jednotlivých kanálov I i popíšeme vzťahom

I i (t) = λ i N(t) = λ i N(0)e −λt,

tie. zmena intenzity rozpadu pozdĺž kanála i I i (t) bude určená hodnotou λ. Hodnota Ti = ln2/λ i sa nazýva čiastočný polčas rozpadu.

Izotopová aktivácia

Aktivácia je proces získavania rádioaktívnej látky ožiarením stabilných jadier neutrónmi, protónmi a inými druhmi žiarenia. Počet aktivovaných jadier závisí od počtu atómov v cieli, doby ožiarenia a účinného prierezu jadrovej reakcie, v ktorom sa tvorí skúmaný izotop.
Efektívny prierez σ niektorého procesu charakterizuje pravdepodobnosť uvažovanej interakcie častice s jadrom a je definovaná ako pomer počtu udalostí daného typu za jednotku času na jedno cieľové jadro k toku dopadajúcich častíc jednotkou cieľa. povrch. Ak vrstva hmoty obsahujúca n c jadier pretína ν častice / cm 2 s, potom sa počet interakcií m, spôsobených nimi za jednotku času, bude rovnať

Efektívny prierez sa meria v stodolách: 1 b \u003d 10 -24 cm 2.
Na vzorku obsahujúcu n jadier nech dopadne prúd ν častíc/cm 2 s a účinný prierez na zachytenie dopadajúcich častíc za vzniku rádioaktívneho jadra sa rovná σ. Potom sa vo vzorke vytvorí νnσ rádioaktívnych jadier za sekundu. Treba vziať do úvahy, že niektoré novovzniknuté jadrá sa počas aktivačného procesu rozpadajú. Počas času dt sa tvoria jadrá νnσdt a rozpadá sa λNdt, kde N je počet aktivovaných jadier nahromadených časom t. V dôsledku toho je zmena počtu rádioaktívnych jadier opísaná vzťahom

dN = νnσdt − λNdt, alebo
dN/dt = νnσ − λN.

Pre dlhé aktivačné časy t > 1/λ rast počtu rádioaktívnych jadier sa prakticky zastaví (dN/dt → 0). Stáva sa to vtedy, keď sa počet vytvorených rádioaktívnych jadier prakticky rovná počtu rozpadajúcich sa jadier, t.j. keď počet rádioaktívnych jadier N(t) → N n = νnσ/λ.

Hodnota N n sa nazýva aktivácia saturácie .
Závislosť aktivácie N(t) od doby ožiarenia t má tvar

N(t) = Nn (1 − e −λt).

Ryža. 1.6. Časová závislosť aktivácie vzorky.

Závislosť aktivácie vzorky od času je znázornená na obr. 1.6. V praxi sa saturácia dosiahne v čase ožiarenia, ktorý zodpovedá 4–5 polčasom rozpadu. Na t<< T распадом можно пренебречь. В этом случае N(t) = νnσt, t.j. na začiatku ožarovania rastie počet rádioaktívnych jadier lineárne s časom.
Neutróny sa často používajú na výrobu rádioaktívnych izotopov, pretože pre ne z jadra neexistujú žiadne elektrostatické odpudivé sily. V roku 1935 Fermi zistil, že indukovaná rádioaktivita mnohonásobne vzrástla, ak bol zdroj neutrónov a ožiarený cieľ obklopený látkou obsahujúcou vodík, ako je parafín.
Ako sa ukázalo, je to spôsobené tým, že neutróny pri zrážkach s protónmi rovnakej hmotnosti rýchlo strácajú energiu a šíria sa v médiu s tepelnými rýchlosťami. Pravdepodobnosť záchytu tepelných neutrónov atómovými jadrami je nepriamo úmerná ich rýchlosti a dosiahne svoju maximálnu hodnotu. Okrem toho tepelné neutróny, ktoré zažívajú veľké množstvo zrážok v parafíne, sa pohybujú náhodne a môžu niekoľkokrát prejsť cez ožiarený cieľ.
Pri zachytení tepelného neutrónu jadrom s hmotnostným číslom A vzniká „zlúčenina“ – jadro A + 1 v excitovanom stave. Prebytok energie rovnajúci sa väzbovej energii neutrónov v jadre A+1 (5–8 MeV) sa môže uvoľniť vo forme γ-kván. Takéto reakcie sú tzv zachytávanie žiarenia neutrón. Môžu byť reprezentované všeobecne ako

kde B je počiatočné jadro, C* a C sú produktové jadro v excitovanom a základnom stave.

Lúče rádioaktívnych jadier

Na získanie zväzkov rádioaktívnych jadier sa používajú dve hlavné metódy. Tieto dve metódy sa navzájom dopĺňajú a možno ich použiť v závislosti od konkrétneho fyzického problému.
Porovnanie metód ISOL a IN-FLIGHT je na obr. 1.7.

Ryža. 1.7. Porovnanie metód získavania a oddeľovania sekundárnych lúčov
ISOL a IN-FLIGHT.

Lúče jadier bohatých na rádioaktívne neutróny vznikajúce pri štiepnej reakcii možno získať aj pomocou intenzívnych zdrojov neutrónov – jadrových reaktorov – alebo zrýchlených deuterónov.

ISOL metóda(ja sotop S oddelenie O n L ine).

Táto metóda je založená na tvorbe tepelných rýchlostných iónov v pevnom, kvapalnom alebo plynnom médiu; extrakcia, separácia, ionizácia a ich následné zrýchlenie na energie potrebné pre experiment.
V dôsledku bombardovania zrýchleným lúčom hrubého terča (Thick Production Target) v ňom vznikajú rádioaktívne jadrá v širokom rozsahu Z a A, ktoré zostávajú v cieľovej látke. Výsledné jadrá sa potom odstránia z cieľa. Po extrakcii z terča sa ióny oddelia pomocou separátora hmoty (Isotop Separator) a môžu sa použiť v presných experimentoch s nízkymi energiami (10–500 keV) alebo sa môžu urýchliť v druhom urýchľovači. Metóda ISOL teda využíva dva urýchľovacie systémy. Jeden na získanie primárneho lúča (Driver Accelerator) a vytváranie sekundárnych častíc v hrubom cieli, druhý (Post Accelerator) na urýchľovanie sekundárnych častíc. Druhý urýchľovač poskytuje energiu zväzku rádioaktívnych jadier potrebnú na fyzikálny výskum.
Metóda ISOL generuje lúče sekundárnych častíc vysokej intenzity s energiami až 25 MeV/nukleón. Čas extrakcie rádioaktívnych jadier z cieľa, v ktorom vznikajú, a čas ich transportu do sekundárneho lúčového urýchľovača určujú rozsah životnosti exotických jadier, ktoré je možné študovať touto metódou.

Metóda letu(metóda fragmentácie zrýchlených iónov na terči)

Metóda In-Flight je optimálna na získanie sekundárnych lúčov izotopov s krátkou životnosťou so životnosťou 100 ns alebo viac.
Pri tejto metóde sa lúče rádioaktívnych jadier získavajú periférnymi zrážkami ťažkej nabitej častice s ľahkým cieľovým jadrom a následnou separáciou Z A A produkty fragmentácie. Primárny lúč má energiu 50 MeV/nukleón až 1 GeV/nukleón. Rádioaktívne úlomky-fragmenty, ktoré vznikli v dôsledku zrážok, letia hlavne vpred v smere dopadajúcej častice s rýchlosťami ~0,9-1,0 rýchlosti dopadajúcej častice. Táto metóda využíva tenké terče na vytváranie rádioaktívnych lúčov. Pre izotopy s krátkou životnosťou môže intenzita sekundárnych lúčov v metóde In-Flight prevýšiť intenzitu lúčov získaných metódou ISOL.
Elektromagnetické separátory (Fragment Separator) sa používajú na oddelenie izotopov a oddelenie určitých izotopov. Časticové lúče na výstupe zo separátora je možné buď priamo použiť v experimente, alebo po spomalení v plynnom prostredí (Gas Ion-Stopper) ich rozdeliť na jednotlivé lúče podľa Au Z a opäť urýchliť (Post-urýchľovač) na vykonávať experimenty s urýchlenými rádioaktívnymi lúčmi.

Metódy registrácie rádioaktívnych jadier

Pokrok v štúdiu rádioaktivity je do značnej miery spojený s vývojom metód získavania a detekcie rádioaktívnych jadier a žiarenia. Fenomén rádioaktivity bol objavený v dôsledku pôsobenia žiarenia na fotografickú platňu. Registrácia zábleskov svetla, ktoré nastali, keď α-častice dopadli na tienidlo potiahnuté sulfidom zinočnatým, tvorila základ detektora, pomocou ktorého G. Geiger a E. Mardsen študovali rozptyl α-častíc atómami zlata.
Informatívnosť každého experimentu je určená schopnosťami detektorov, ktoré sú v ňom použité. História jadrovej fyziky a časticovej fyziky je v podstate históriou vytvárania stále nových metód detekcie častíc a zdokonaľovania starých. Vytvorenie nových metód na detekciu častíc bolo opakovane ocenené Nobelovými cenami.
Detektory slúžia ako na registráciu častíc, tak aj na určenie ich energie, hybnosti, trajektórie častíc a ďalších charakteristík. Na registráciu častíc sa často používajú detektory, ktoré sú maximálne citlivé na registráciu konkrétnej častice a necítia veľké pozadie vytvorené inými časticami.
V experimentoch je často potrebné vyčleniť „nevyhnutné“ udalosti na gigantickom pozadí „cudzích“ udalostí, ktorých môže byť niekoľko miliárdkrát viac. K tomu sa často používajú rôzne kombinácie počítadiel a registračných metód, často sa využívajú schémy koincidencií alebo antikoincidencií medzi udalosťami registrovanými rôznymi detektormi, výber udalostí podľa amplitúdy a tvaru signálov atď.. iné metódy, ktoré umožňujú spoľahlivo izolovať rôzne častice.
Jeden z princípov registrácie častíc je nasledovný. Nabitá častica, ktorá sa pohybuje v neutrálnom prostredí detektora (plynnom, kvapalnom, tuhom, amorfnom alebo kryštalickom), spôsobuje ionizáciu a excitáciu atómov prostredia v dôsledku elektromagnetických interakcií. Po dráhe pohybu častíc sa teda objavujú voľné náboje (elektróny a ióny) a excitované atómy. Ak je médium v ​​elektrickom poli, potom v ňom vzniká elektrický prúd, ktorý je fixovaný vo forme krátkeho elektrického impulzu. Detektory využívajúce tento princíp sú tzv ionizácia.
Keď sa excitované atómy vrátia do základného stavu, emitujú sa fotóny, ktoré možno zaregistrovať ako optický záblesk vo viditeľnej alebo ultrafialovej oblasti. Tento princíp sa používa v scintilačné detektory .
Za určitých podmienok môže byť trajektória prechádzajúcej nabitej častice viditeľná. Táto metóda je implementovaná v tzv traťové detektory .
Gama kvantá zaznamenávajú aj sekundárne nabité častice - elektróny a pozitróny, ktoré vznikajú v prostredí fotoelektrickým javom, Comptonovým javom a tvorbou elektrón-pozitrónových párov.
Kvôli extrémne malému prierezu interakcie s médiom (≈ 10 -20 barn), neutríno, ktoré je výsledkom reakcie, nie je detektorom vo väčšine prípadov vôbec detekované. Skutočnosť jeho vzhľadu sa však dá zistiť. Faktom je, že neutríno, ktoré uniklo priamemu pozorovaniu, nesie so sebou určitú energiu, hybnosť, spin, leptónový náboj. Nedostatok sa zisťuje registráciou všetkých ostatných častíc a využitím zákonov zachovania energie, hybnosti, momentu hybnosti, elektrického náboja, náboja leptónu atď. Takáto analýza umožňuje nielen uistiť sa, že neutríno skutočne vzniklo, ale aj určiť jeho energiu a smer odchodu z bodu reakcie.
Rýchlo sa rozpadajúce atómové jadrá detektor "nestihne" opraviť. V tomto prípade sú registrované produktmi rozpadu.
Všeobecné požiadavky na detekčné zariadenia sú redukované na určenie typu častice (identifikácia) a jej kinematických charakteristík (energia, hybnosť atď.). Často je typ častice známy vopred a úloha jej pozorovania je zjednodušená. V mnohých experimentoch sa používajú komplexné komplexy pozostávajúce z veľkého množstva detektorov rôznych typov. Takéto komplexy, ktoré fixujú takmer všetky častice vznikajúce v dôsledku interakcie, poskytujú pomerne úplný obraz o skúmanom jave.
Hlavné charakteristiky detektora sú:

• efektívnosť − pravdepodobnosť registrácie častice, keď vstúpi do detektora;
• dočasné riešenie − minimálny čas, počas ktorého detektor deteguje dve častice ako oddelené;
• mŕtvy čas alebo doba zotavenia - čas, počas ktorého detektor po zaregistrovaní častice buď úplne stratí schopnosť detekovať ďalšiu časticu, alebo výrazne zhorší jej charakteristiky;
• energetické rozlíšenie − presnosť určenia energie častíc;
• priestorové rozlíšenie − presnosť určenia súradníc častíc.

Rádioaktívny rozpad je štatistický proces

Každé rádioaktívne jadro sa môže kedykoľvek rozpadnúť. Zákonitosti rozpadu atómového jadra sa pozorujú len v priemere, v prípade rozpadu dostatočne veľkého počtu rádioaktívnych jadier.
Ak rádioaktívny zdroj obsahuje N rádioaktívnych jadier a ich počet sa počas doby merania prakticky nemení, potom pravdepodobnosť ω(n), že sa n rádioaktívnych jadier rozpadne za čas t, popisuje Poissonovo rozdelenie.

Hodnota Nλt charakterizuje priemerný počet rozpadnutých častíc za čas t a je priemerným počtom impulzov , ktorý sa získa v prípade opakovaných meraní s rovnakým časom merania t

Pomocou množstva možno Poissonovo rozdelenie prepísať ako