Изотопы. Ядерные реакции

8. Изотопы. Ядерные реакции

Сегодня мы рассмотрим понятия об изотопах и ядерных реакциях.

Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число.

Сумму чисел протонов и нейтронов в ядре атома называют массовым числом (А).

Например, вычислим массовое число трех изотопов кислорода, имеющих число нейтронов 8, 9 и 10. Число нейтронов в ядре определяется учеными экспериментально.

Для того, чтобы узнать число протонов в ядре атома кислорода, обратимся к периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева, где кислород находится под номером 8. Значит, число протонов в ядре равно 8 – оно всегда строго фиксировано.

Таким образом, массовое число первого изотопа кислорода - 8 (число протонов) плюс 8 (число нейтронов) равно шестнадцати, второго изотопа кислорода - 8 (число протонов) плюс 9 (число нейтронов) равно семнадцать, третьего изотопа кислорода - 8 (число протонов) плюс 10 (число нейтронов) равно восемнадцати.

Отсюда мы видим, что, имея одинаковое число протонов в ядре, а значит определенный порядковый номер в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева (Например, 1 – водород Н, 20 – кальций Са, 13 – алюминий Аl), химический элемент не всегда имеет одно и то же количество нейтронов, а значит и не одинаковое массовое число. Это и есть изотопы.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называются изотопами.

На самом деле химический элемент представляет собой смесь изотопов.

Например, химический элемент хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами 35 и 37; кислород из трех изотопов с массовыми числами 16, 17 и 18, калий также из трех изотопов с массовыми числами 39, 40, 41.

Приводимые в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева относительные атомные массы химических элементов, являются средним значением атомных масс всех изотопов данного химического элемента с учетом их относительного содержания в природе.

Например, средняя атомная масса природного лития, содержащего 92,7% лития с числом нейтронов 7 и 7,3% изотопа лития с числом нейтронов 6 равна 6,94:

6,94 (A_r (Li) = 7 * 0,93 + 6 * 0,07 = 6,94.

Большинство изотопов, содержащие разное количество нейтронов одного и того же химического элемента, в природе имеют сходные физические и химические свойства. Но далеко не все. Например, изотопы водорода (Н), которые не только отличаются по свойствам из-за разного содержания нейтронов, но и имеют свои отдельные названия и химические знаки.

¹Н (один-аш) - водород, или протий;

²Н (два-аш) – тяжелый водород, или дейтерий D;

³Н (три-аш) – сверхтяжелый водород, или тритий Т.

Здесь цифра перед знаком водорода означает его массовое число, то есть сумму протонов и нейтронов.

Таким образом, мы можем дать наиболее точное определение химического элемента, которое звучит так:

Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Научные знания химии движутся вперед бесконечно. В настоящее время ученые научились изменять число протонов в ядре, а значит, и превращать одни химические элементы в другие.

Такие процессы получили название ядерных реакций.

Ядерные реакции – это превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом.

В природе ядерные реакции происходили и происходят постоянно. Например, ядерные реакции на Солнце, протекающие с выделением большого количества энергии, поддерживают жизнь на Земле. Но проведение подобной реакции на Земле ранее казалось неосуществимой мечтой. Только в сегодняшнее время желание людей превращать неблагородные металлы в золото стало реальным. Однако затраты энергии на ядерные реакции настолько высоки, что многократно превышают стоимость самого драгоценного металла, поэтому использовать эти реакции для превращения одних химических веществ в другие пока неэффективно.

С помощью ядерных реакций получают изотопы, обладающие радиоактивностью (радиоактивные изотопы). Радиоактивные изотопы широко применяются в научных исследованиях, медицине, биологии и химии.

Ядерные реакции также используют для открытия новых химических элементов, которые в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева расположены за ураном U.

В Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне были впервые синтезированы химические элементы нобелий No, лоуренсий Lr, резерфордий Rf, дубний Db, сиборгий Sg и борий Bh.