Нуклиды. Изотопы.


Большинство элементов, содержащихся в природе, состоит из нескольких видов атомов, отличающихся значениями относительной атомной массы.
Пример. Хлор в природе встречается как смесь двух видов атомов, один из которых 18, а другой 20 нейтронов в ядре.

Каждый вид атомов независимо от принадлежности к конкретному элементу однозначно описывается числом нуклидов (суммой протонов и нейтронов). Поэтому число видов атомов превышает число элементов.
Каждый вид атомов (вид ядер) называется нуклидом.

Нуклид – это вид атомов и ядер, отвечающий определенным числам протонов и нейтронов.

Изотопные нуклиды (изотопы) – это нуклиды принадлежащие одному химическому элементу имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся по числу нейтронов.

Изотопы элемента – это нуклиды, обладающие равным зарядом ядра (одинаковым числом протонов).

Пример. Ядра двух природных изотопов хлора содержат по 17 протонов, по 18 и 20 нейтронов, т. е. 35 и 37 нуклонов соответственно.
Вследствие того, что именно числом протонов в ядре определяется число электронов в оболочке атома и химические свойства элемента, следует, что атомы всех изотопов одного и того же элемента имеют одинаковое электронное строение, а сами изотопы – близкие химические свойства, из – за чего их не удается разделить химическими методами.

В литературе еще встречается смешивание понятий нуклид и изотоп, хотя в 1950 г. было принято международное соглашение, по которому к изотопам следует относить различные виды атомов (точнее, ядер) только одного элемента (Z = const), а различные не только по числу нейтронов, но и также по числу протонов и электронов ядра и атомы следует называть нуклидами. Например, атом углерода с 12 нуклонами в ядре, атом кобальта с 59 нуклонами и атом урана с 235 нуклонами – это нуклиды, т. е. конкретные виды атомов различных элементов, а три разных атома углерода с 12, 13 и 14 нуклонами в их ядрах – это изотопы (изотопные нуклиды) элемента углерод. Таким образом, нуклид – это более широкое понятие, чем изотоп, так как каждый изотоп есть нуклид, но только нуклиды одного элемента являются изотопами.

В природе встречаются элементы, имеющие только один изотоп. Такие элементы называются изотопно-чистыми. В Периодическая система химических элементов насчитывается 21 изотопно-чистый элемент (ниже они перечислены по возрастанию порядкового номера):

Be
F
Na
Al
P
Sc
Mn
Co
As
Y
Nb
Rh
I
Cs
Pr
Tb
Ho
Tm
Au
Bi
Th

 
Остальные природные элементы представляют собой смесь двух или более изотопов, атомы которых различаются по числу нуклонов. Такие элементы называются изотопно-смешанными, их в Периодической системе большинство. Значения относительных атомных масс таких элементов отвечают природной смеси изотопов и являются усредненными по содержанию изотопов, поэтому значения Аr многих элементов сильно отклоняются от целочисленных значений, и часто, начинающие изучать химию, воспринимают их как ошибку Периодической системы (!). Наипример, обычное и закономерное увеличение атомной массы с увеличением порядкового номера, “нарушается” у таких элементов как теллур и йод: 127.652Te  126.904553I. Даже углерод, который принят за точку отсчета относительных атомных масс других элементов, является изотопно-смешанным элементом (два изотопа с Аr = 12 b Аr = 13), и мерой определения относительной атомной массы служит один из природных изотопов углерода, а именно углерод-12.

Наибольшее число изотопов (десять) имеет элемент олово Sn. В первом приближении считается, что соотношение изотопов элемента в любых природных объектах, и оно не изменяется в химических реакциях.
Пример: Изотопно-смешанный элемент хлор всегда отвечает природному содержанию двух изотопов: 75,77% с Аr = 35 (34,9688 точно) и 24,23 % с Аr = 37 (36,9658).
На основе прецизионных экспериментальных определений установлено, что некоторые изотопно-смешанные элементы в образцах различного происхождения проявляют отклонения (хотя и незначительные) по изотопному составу, впервые это было обнаружено у серы в пределах ±0,003%.
Для нуклидов точные значения относительных атомных масс всегда близки к целочисленным значениям, поэтому массы нуклидов можно сравнивать по этим значениям Аr, называемым массовыми числами.

Массовое число нуклида равно числу содержащихся в нем нуклонов (сумме протонов и нейтронов).Каждый нуклон имеет массовое число, равное 1 ( точные значения Аrp = 1,0073 а.е.м., для нейтрона Аrn = 1,0087 а.е.м.). Так как масса атома сосредоточена в его ядре, то фактически за единицу атомной массы принята масса одного нуклона, или 1/12 часть массы атома изотопа углерод-12.

Для обозначения конкретного нуклида применяется специальная символика. Слева от символа химического элемента верхним индексом указывается массовое число, а нижним индексом – заряд ядра (порядковый номер элемента).
Пример:

126С;  168O;  3517Cl;  5927Co;  23592U

Массовое число = Число нуклонов в ядре
Порядковый номер = Число протонов в ядре или число электронов в оболочке атома
Разность между массовым числом и порядковым номером = Число нейтронов в ядре

По происхождению нуклиды (виды атомов и ядер) делятся на природные и искусственные в зависимости от того, выделены они из природных объектов или синтезированы в лаборатории.
По устойчивости т.е. способности самопроизвольно видоизменяться, нуклиды делятся на стабильные и радиоактивные.
Большинство нуклидов, встречающихся в природе, стабильны. Или не радиоактивны; они могут сохраняться в неизмененном виде неограниченно долго. В природе имеются и радиоактивные нуклиды с ограниченным временем жизни, однако почти у всех природных нуклидов оно достаточно большое и не вызывает колебаний природного изотопного состава. Так, среди трех природных изотопов калия ( 39К, 40К, 41К) изотоп 40К радиоактивен; половина атомов изотопа 40К распадается за 1,28·109 лет; это время называется периодом полураспада.

период полураспада – это время, по прошествии которого количество радиоактивного вещества уменьшится в 2 раза по сравнению с первоначальным количеством этого вещества на момент начала отсчета времени

Формула для расчета количества радиоактивного вещества (ν½, моль), с известным временем полураспада (T½), которое остается с течением времени (t):

ν½ = 2(t/T½)

Например, изотоп элемента 106 с массовым числом 263 имеет период полураспада 0,9 с, а изотоп 60Co – 5,272 лет.

Радиоактивные нуклиды спонтанно распадаются, превращаясь в другие виды ядер, при распаде кроме других видов ядер, возникают и другие частицыα-частицы – это ядра атомов гелия 42H (ядерная реакция – альфа-распад) и β-частицы – это электроны 0-1e (ядерная реакция – бета-распад).


Комментарии закрыты