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 to z formálneho hľadiska nesprávne, často sa tento výraz používa na označenie priemeru atómová hmotnosť všetky izotopy prvku. V skutočnosti ide o relatívnu atómovú hmotnosť, ktorá sa tiež nazýva atómová hmotnosť element. 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. Zvyčajne sa uvádzajú ako číslo v spodnej časti bunky s prvkom pod príslušnými písmenami 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.

Zvážte výsledky experimentov na meranie hmotnosti kladných iónov. Na obr. 352 je neónový pozitívny iónový hmotnostný spektrogram. Na spektrograme sú jasne viditeľné tri pásy rôznej intenzity. Porovnaním vzdialeností od pásikov k štrbine môžeme vypočítať, že pásy zodpovedajú hodnotám, ktoré sú v pomeroch.

Vzhľad troch pruhov nemožno vysvetliť rozdielom v náboji iónov. Neónový ión môže niesť náboj nepresahujúci niekoľko základných jednotiek. Pomer poplatkov môže byť, ale nie . Zostáva uznať, že pruhy sú spôsobené iónmi, ktoré nesú rovnaký náboj, ale majú rôzne hmotnosti súvisiace s . Atómová hmotnosť neónu je 20,2. Preto je priemerná hodnota hmotnosti neónového atómu . Hmotnosti iónov, ktoré spôsobili pruhy, sa rovnajú . Dospeli sme k záveru, že prvok neón je zmesou atómov troch typov, líšiacich sa od seba hmotnosťou. Porovnaním intenzity sčernenia čiar na hmotnostnom spektrograme možno nájsť relatívne množstvá rôznych atómov v prírodnom neóne. Počet neónových atómov s hmotnosťou 20, 21 a 22 súvisí ako .

Ryža. 352. Hmotnostný spektrogram neónu

Vypočítajte priemernú hmotnosť atómu neónu:

Zhoda s atómovou hmotnosťou neónu, zistená zo skúseností, potvrdzuje myšlienku, že prvok neón je zmesou troch typov atómov. Je dôležité poznamenať, že podiel atómov s hmotnosťou 20, 21 a 22 je rovnaký vo vzorkách neónu rôzneho pôvodu (atmosférický neón, neón z hornín atď.). Tento podiel sa nemení alebo sa mení vo veľmi malej miere počas bežných fyzikálnych a chemických procesov: skvapalňovanie, vyparovanie, difúzia atď. To dokazuje, že tieto tri odrody neónu sú svojimi vlastnosťami takmer totožné.

Atómy toho istého prvku, ktoré sa líšia iba hmotnosťou, sa nazývajú izotopy. Všetky izotopy toho istého prvku sú chemicky totožné a majú veľmi podobné fyzikálne vlastnosti.

Prítomnosť izotopov je znakom nielen neónu. Väčšina prvkov je zmesou dvoch alebo viacerých izotopov. Príklady izotopového zloženia sú uvedené v tabuľke. jedenásť.

Tabuľka 11. Izotopové zloženie niektorých prvkov

Ako je možné vidieť z tabuľky. 11 sú hmotnosti izotopov všetkých prvkov vyjadrené ako celé číslo atómových hmotnostných jednotiek. Význam tejto dôležitej zákonitosti si ozrejmíme v § 225. Presné merania ukazujú, že pravidlo celočíselných hmotností izotopov je približné. Hmotnosti izotopov vykazujú spravidla malé odchýlky od celých čísel (na druhom až štvrtom desatinnom mieste). V niektorých problémoch hrajú tieto malé odchýlky od celých čísel hlavnú úlohu (pozri napr. §226).

Na mnohé účely sa však môže použiť hodnota hmotnosti zaokrúhlená na najbližší celý počet jednotiek atómovej hmotnosti. Hmotnosť izotopu (atómová hmotnosť) zaokrúhlená na najbližšie celé číslo sa nazýva hmotnostné číslo.

Vyššie sme zaznamenali stálosť izotopového zloženia neónu a takmer úplnú zhodu väčšiny vlastností jeho izotopov. Tieto ustanovenia platia aj pre všetky ostatné prvky, ktoré majú izotopy.

Na označenie izotopov je chemický symbol zodpovedajúceho prvku vybavený znakom označujúcim hmotnostné číslo izotopu. Takže napríklad - izotop kyslíka s hmotnostným číslom 17, - izotop chlóru s hmotnostným číslom 37 atď. Niekedy tiež označujú nižšie sériové číslo prvok v Mendelejevovom periodickom systéme atď.

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 s 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 aktivita zdroja I a intenzity parciálnych rozpadov v jednotlivých kanáloch I 1 , I 2 , 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. V prípade izotopov 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 použiť buď priamo v experimente, alebo po spomalení v plynnom prostredí (Gas Ion-Stopper) ich rozdeliť na jednotlivé lúče podľa Au Z a opäť urýchliť (Post-akcelerátor) 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 sito 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.
Vzhľadom na extrémne malý prierez interakcie s médiom (≈ 10 -20 barn), neutríno generované ako výsledok 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

Hmotnosti niektorých izotopov

Nájdeme v tabuľke. hodnoty 26,1 a 26,2:

atómová hmotnosť 1H2: 2,01410 amu,

hmotnosť protónov: 1,00728 amu,

hmotnosť neutrónu: 1,00866 amu,

hmotnosť elektrónu: 0,00055 amu

Hmotnosť jadra 1 H 2 \u003d (hmotnosť atómu 1 H 2) - (hmotnosť elektrónu) \u003d

2,01410 - 0,00055 = 2,01355 amu;

(hmotnosť protónov + hmotnosť neutrónov) = 1,00728 + 1,00866 =

2,01594 amu

Ako vidíte, 2,01594 > 2,01355!

Rozdiel medzi hmotnosťou nukleónov tvoriacich jadro a hmotnosťou samotného jadra je tzv. hromadný defekt .

Problém 26.4. Vypočítajte hmotnostný defekt, väzbovú energiu a špecifickú väzbovú energiu jadra hélia 2 He 4 (v MeV).

Hmotnosť atómu je súčtom hmotnosti jadra a hmotnosti Z elektróny:

t a = T ja + Zme Þ T som = t a – Zm e.

Potom je defekt jadrovej hmoty:

D T = Zmp+(A-Z)m n – (t a – Zm e) =

= Z(m p + t e) + (A-Z)m n – t a.

Zoberme si, že atóm vodíka 1 H 1 je len „protón + elektrón“, preto môžeme predpokladať, že m p + t e = T H kde T H je hmotnosť atómu vodíka 1 H 1 . Potom bude mať vzorec pre hmotnosť defektu tvar:

D T = Zm n + (A-Z)m n – t a. (26.3)

Aplikujme vzorec (26.3) na náš prípad: Z = 2, A= 4, dostaneme

D T = 2m n + (4 – 2)m n – t a.

Hodnota hmotnosti atómov vodíka 1 H 1 a 2 He 4 je uvedená v tabuľke. 26.2 a hodnoty hmotnosti neutrónov v tabuľke. 26.1. Nahraďte číselné hodnoty do vzorca a získajte

D T= 2×1,00783 + (4 – 2)×1,00866 – 4,00260 » 0,03038 amu

Pripomeňme, že 1:00 hod. = (g) = kg.

Preložíme D T v kilogramoch: D T= 5,05 × 10 -29 kg.

Teraz nájdeme väzbovú energiu podľa vzorca:

E sv = D ts 2 , (26.4)

E sv \u003d 5,05 × 10 -29 kg × (3,0 × 108 m/s) 2 "4,55 × 10 -12 J.

Prepočítajme jouly na elektrónvolty:

E sv = eV » 28,4 MeV.

Pomocou vzorca (26.2) nájdeme špecifickú väzbovú energiu:

7,1 MeV.

Odpoveď:D T» 0,03038 amu; E cv » 28,4 MeV; E ud » 7,1 MeV.

STOP! Rozhodnite sa sami: A5-A7, B6-B8.

Problém 26.5. Uvoľňuje sa alebo absorbuje energia pri jadrovej reakcii 7 N 14 + 2 He 4 ® 8 O 17 + 1 H 1?

Riešenie. Na zodpovedanie otázky problému je potrebné zistiť, či systémová hmotnosť ako výsledok reakcie. Hmotnosť atómov pred reakciou je

Hmotnosť atómov po reakcii:

18,00696 > 18,00567.

Takže energia sa zvýšila: E 2 > E 1, preto, aby reakcia prebehla, je potrebné pridať „vonkajšiu“ energiu. A počas reakcie bude táto pridaná energia absorbovaná: zvýši sa hmotnosť systému.

Odpoveď: Energia je absorbovaná.

STOP! Rozhodnite sa sami: Q9.

Problém 26.6. Koľko energie sa absorbuje pri jadrovej reakcii 7 N 14 + 2 He 4 ® 8 O 17 + 1 H 1?

Riešenie. Absorbovaná energia je energia, ktorá prispela k zvýšeniu hmotnosti systému: E = D ts 2 .

Hodnota D T možno nájsť pomocou výsledku predchádzajúceho problému:

D t = 18.00696 – 18.00567 » 1,29×10 –3:00 hod.

Poďme preložiť a.u.m. v kilogramoch:

D t = kg.

E = D ts 2 \u003d 2,14 × 10 -30 × (3,0 × 108 m/s) 2 "1,93 × 10 -13 J.

Premeňme túto energiu na elektrónvolty:

E = eV = 1,2 MeV.

Odpoveď: E = D ts 2 » 1,2 MeV.

STOP! Rozhodnite sa sami: B10, C1, C2.

Problém 26.7. Nájdite minimálnu kinetickú energiu W na protón schopný „rozbiť“ jadro deutéria na protón a neutrón.

Riešenie.

Čitateľ: Je to jednoduché: W k = D ts 2, kde D T - hromadný defekt jadra deutéria.

autora: Týmto spôsobom určite nie. Koniec koncov, "úlomky" štiepenia - protón a neutrón - budú mať určitú rýchlosť, čo znamená, že budú mať Kinetická energia. Navyše „prichádzajúci“ protón po zrážke bude mať určitú rýchlosť.

Nech je počiatočná rýchlosť protónu υ 0 Rozdeľme proces jeho interakcie s jadrom na dve fázy: po prvé, jadro zachytí protón a vytvorí s ním jeden, a potom sa rozpadne na tri fragmenty: 2 protóny a 1 neutrón.

Jedným zo základných pojmov chémie je atómová hmotnosť prvku, ktorá sa používa takmer v každom chemickom výpočte. Schopnosť vypočítať atómovú hmotnosť sa bude hodiť hlavne školákom a tým, ktorí plánujú v budúcnosti študovať chémiu. Vzorec na výpočet atómovej hmotnosti je však jednoduchý až nemožné.

Definícia a vzorec

Atómová hmotnosť je súčet hmotností všetkých protónov, neutrónov a elektrónov, ktoré tvoria atóm. V porovnaní s hmotnosťami protónov a neutrónov je hmotnosť elektrónov zanedbateľná, takže elektróny sa pri výpočtoch neberú do úvahy. Pretože hmotnosť samotných neutrónov a protónov je vypočítaná nekonečne malými číslami v 27 negatívny stupeň, potom sa pre pohodlie výpočtov používa relatívna atómová hmotnosť, ktorá je vyjadrená v anonymných atómových jednotkách.

Jednotka atómovej hmotnosti- je to relatívna hodnota rovnajúca sa 1/12 hmotnosti jadra uhlíka-12, ktorého jadro má 6 neutrónov a 6 protónov. Vzorec na určenie atómovej hmotnosti teda vyzerá takto:

Hmotnosť = počet neutrónov + počet protónov.

Podľa tohto vzorca sa vypočítajú atómové hmotnosti jednotlivých izotopov chemických prvkov. To znamená, že hmotnosť uránu-238 je 238 amu, zatiaľ čo urán-235 má hmotnostné číslo 235. Tento chemický prvok je vo všeobecnosti bohatý na izotopy, takže existujú jadrá uránu s hmotnostnými číslami 232, 233, 234, 235, 236. a 238. Napriek tejto rozmanitosti zaberá urán-238 99 % všetkého uránu v prírode, takže ak vypočítate priemernú hodnotu atómových čísel, potom chemický prvok urán dostane atómovú hmotnosť 238,029.

Preto je dôležité pochopiť rozdiel medzi atómovou hmotnosťou a priemernou atómovou hmotnosťou:

• atómová hmotnosť - súčet neutrónov a protónov určitého izotopu (vždy celé číslo);
• atómová hmotnosť - aritmetický priemer atómových hmotností všetkých izotopov, ktoré sa vyskytujú v prírode (zvyčajne zlomkové číslo).

Ďalší príklad

Vodík je najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. 99% vodíka je protium alebo vodík-1, ktorý obsahuje iba 1 protón. Existujú tiež izotopy: deutérium alebo vodík-2 a trícium alebo vodík-3. Tieto izotopy majú atómovú hmotnosť 2 a 3, ale v prírode sú extrémne zriedkavé, takže atómová hmotnosť vodíka je 1,00784.

Nájdenie atómovej hmotnosti

Atómové číslo pre vybraný prvok môžete určiť pomocou periodickej tabuľky. Číslo prvku v tabuľke sa vždy zhoduje s počtom protónov v jadre. Napríklad vodík spomínaný vyššie má v tabuľke prvé číslo a vo svojom zložení obsahuje iba 1 protón. V tabuľke nižšie je vždy uvedená priemerná atómová hmotnosť prvku, ktorá sa musí pri výpočtoch zaokrúhliť na najbližšie celé číslo.

Spočiatku zobrazuje všetky informácie o počte protónov a elektrónov v atóme, ako aj o jeho atómovej hmotnosti. Preto v školských úlohách na určenie atómovej hmotnosti stačí použiť periodickú tabuľku a zámerne nič nepočítať.

Zvyčajne sa na hodinách chémie objavuje inverzný problém: ako určiť počet neutrónov v konkrétnom izotope? V tomto prípade platí jednoduchý vzorec:

Počet neutrónov = atómová hmotnosť - poradové číslo.

Napríklad atóm vodíka-1 neobsahuje neutróny, pretože jeho atómové číslo sa tiež rovná jednej. Ale trícium je už vodík s jedným protónom a dvoma neutrónmi. Trícium je nestabilný izotop. Ľahko sa rozpadá na atómy hélia, voľné elektróny a antineutrína, pričom uvoľňuje určitú energiu. Nestabilné izotopy sa nazývajú rádioaktívne.

Zvážte príklad

Stanovenie atómovej hmotnosti

Zvážte kyslík - chemický prvok, ktorý má 8. sériové číslo v periodickej tabuľke Mendelejeva. To znamená, že kyslík má vo svojom jadre 8 protónov, ako aj 8 elektrónov na obežných dráhach. Atómová hmotnosť uvedená v tabuľke je 16 a. m, na výpočet ktorého nepotrebujeme kalkulačku. Z týchto informácií môžeme určiť, že atóm kyslíka obsahuje 8 neutrónov. Počet neutrónov sa však môže ľahko meniť v závislosti od vonkajších podmienok.

Ak kyslík stratí alebo pridá jeden neutrón, získame nový izotop, ktorého atómová hmotnosť sa zmení. Pomocou kalkulačky môžete vypočítať hmotnostné čísla rôznych izotopov kyslíka, ktoré však už v samotnom názve obsahujú odpoveď na túto otázku. V prírode existujú 3 stabilné izotopy kyslíka: kyslík-16, kyslík-17 a kyslík-18. Posledné dva majú v jadre neutróny „navyše“.

Okrem toho existujú nestabilné izotopy kyslíka s polčasmi od niekoľkých minút do miliónov nanosekundy.

Záver

Hmotnostné číslo je dôležitým parametrom každého prvku, ktorý sa používa na výpočet molárne hmotnosti Počas chemické reakcie. Hmotnostné číslo je však vždy uvedené v periodickej tabuľke Mendelejeva, takže naša kalkulačka je užitočná hlavne pre školákov, ktorí práve začínajú študovať úžasnú vedu chémie.