Ядерная химия (стр. 2 )

распад тория-231 с образованием протакти - 90 2 88

ния-231. б) В данном случае требуется определить

тип частицы, испускаемой при радиоактивном

Решение, а) Условие задачи можно записать распаде. Запишем уравнение

следующим образом: 23lTh _^ 231ра + х

2^ТЪ - ^Не + X 9° 91

Атомные номера определим при помощи переч-

Требуется определить продукт реакции X. По - ня элементов. Для того чтобы суммы массовых

скольку сумма массовых чисел в левой и правой чисел в левой и правой частях уравнения совпа-

частях уравнения должна быть одинаковой, мы дали, X должен иметь массовое число 0. Его

приходим к заключению, что X имеет массовое атомный номер должен быть равен - 1. Части-

число 226. На основании таких же соображений ца с такими характеристиками представляет со-

атомный номер X должен быть равен 88. Эле - бой не что иное, как бета-частицу (электрон),

менте атомным номером 88-это радий (см. пе - Таким образом, можно записать

риодическую таблицу или перечень химических 231-гч. 23ip о

элементов, приведенные на внутренней стороне 90 ~* 91 ~1
обложки книги). Таким образом, уравнение ре-

УСТОЙЧИВОСТЬ ЯДРА

Не существует строгого правила, которое позволило бы точно предсказывать, является ли радиоактивным данное ядро и как оно распадается. Однако можно приве­сти ряд эмпирических наблюдений, которые помогают делать подобные предсказания:

* Позитрон имеет очень короткое время жизни, поскольку он аннигилирует при столкнове­нии с электроном:

?е+%е-2°у

ТАБЛИЦА 20.1. Число устойчивых изотопов с четным и нечетным числом протонов и нейтро­нов

Число устойчивых Число протонов Число нейтронов изотопов

157 Четное Четное

52 Четное Нечетное

50 Нечетное Четное

5 Нечетное Нечетное

1.  Все ядра с 84 или более протонами неустойчивы. Например, все изотопы урана,
элемента с атомным номером 92, радиоактивны.

2.  Ядра с числом протонов или нейтронов 2, 8, 20, 50, 82 или 126 более устойчивы,
чем ядра элементов, расположенных рядом с ними в периодической таблице. На­
пример, существуют три устойчивых изотопа с атомным номером 18, два
с атомным номером 19, пять с атомным номером 20 и один с атомным номером
21; существуют три устойчивых изотопа с 18 нейтронами и ни одного с 19, четыре
с 20, но ни одного с 21. Таким образом, устойчивых ядер с 20 протонами или 20
нейтронами больше, чем с 18, 19 или 21. Числа 2, 8, 20, 50, 82 и 126 называются ма­
гическими числами. Подобно тому как повышенная химическая устойчивость ато­
мов связывается с наличием у них 2, 10, 18, 36, 54 или 86 электронов, образующих
конфигурации благородных газов, повышенная ядерная устойчивость ассоциируется
с магическим числом нуклонов.

3.  Ядра с четными числами протонов и нейтронов, как правило, более устойчивы, чем
ядра с нечетными числами нуклонов, что иллюстрируется табл. 20.1.

4.  Устойчивость ядра заметно коррелирует с отношением числа нейтронов к числу
протонов. Все ядра с двумя или большим числом протонов содержат нейтроны.
По-видимому, нейтроны каким-то образом удерживают протоны внутри ядра. Как
показано на рис. 20.1, число нейтронов, необходимое для создания устойчивого
ядра, быстро повышается с возрастанием числа протонов; в результате с увеличе­
нием атомного номера отношение числа нейтронов к числу протонов (нейтронно-
протонное отношение) возрастает. На рис. 20.1 площадь, в пределах которой распо­
ложены все устойчивые ядра, называется поясом устойчивости.

УПРАЖНЕНИЕ 20.3

Следует ли ожидать, что ядра £Не, \^С&, ло 20 принадлежит к ряду магических чисел.

2g°At будут радиоактивными? Тем не менее следует ожидать, что это ядро

окажется радиоактивным, поскольку оно харак-

Решение. Изотоп гелий-4 имеет магическое теризуется нейтронно-протонным отношением

число протонов и магическое число нейтронов меньше 1 и, таким образом, располагается ниже

(по два). Поэтому следует ожидать, что ядро пояса устойчивости.

*Не должно быть устойчивым. Изотоп астат-210 радиоактивен Напомним,

Изотоп кальций-39 имеет четное число про - что среди ядер с атомным номером выше 83 не

тонов (20) и нечетное число нейтронов (19); чис - существует устойчивых.

Тип радиоактивного распада какого-либо конкретного радиоизотопа в большой степени зависит от того, насколько его нейтронно-протонное отношение отличается от соответствующего отношения для ближайших ядер, расположенных в пределах по­яса устойчивости. Рассмотрим ядро с высоким нейтронно-протонным отношением, расположенным выше пояса устойчивости. Такое ядро может снизить свое нейтронно-протонное отношение и сместиться в направлении пояса устойчивости в результате испускания бета-частицы. Как это следует из уравнения (20.5), бета-излучение умень­шает число нейтронов и увеличивает число протонов в ядре.

Ядра с низкими нейтронно-протонными отношениями, расположенные ниже пояса устойчивости, испускают позитроны или совершают электронный захват. Любой из этих распадов приводит к уменьшению числа протонов и увеличению числа нейтронов в ядре, как это видно из уравнений (20.7) и (20.9). Испускание позитрона для легких ядер представляет собой более распространенный процесс, чем электронный захват, однако по мере повышения заряда ядра электронный захват становится все более рас­пространенным процессом.

Альфа-излучение испускают главным образом ядра с атомным номером больше 83. Такие ядра должны располагаться за верхним правым краем рис. 20.1, вне преде­лов пояса устойчивости. В результате одновременного уменьшения как числа прото-

нон, iuk и числа нейтронов на две единицы при испускании альфа-частицы ядро пере­мещается по диаюнали в направлении к поясу устойчивости.

На рис. 20.2 показаны результаты радиоактивного распада каждого типа, приводя­щие к устойчивому ядру.

М1РЛЖНЕНИЕ 20.4

С помощью рис. 20.1 предскажите тип ра - ние ядерной реакции имеет вид
июашивного распада для следующих ядер: а)
f/Na: б) :,iZr; в) Щи. f,'Na - °с + J°Nc

,. ., б) При помощи рис. 20.1 можно убедиться.

Решение. Для oieera на этот вопрос восполь - /г г ;

что ядро 1г,7л имеет слишком высокое ней грон-
зусмся приведенными » тексте указаниями. ^ ,-,

. ., 20кг - но-протонное отношение. Поп ому следует ожи-

а| Для ядра, VNa неитронно-протонное отно - r _ J , J

, дать, что оно суде г претерпевать оета-распад.

шение меньше 1, и, следовательно, jto ядро ле - „ J ' r r

г. Это предсказание оказывается правильным, ге-

жн i ниже пояса устойчивости. Оно может стать ^ г

акция протекает по уравнению
устичиьым и результате испускания позитрона "-г jr

или 1лскгронною захвата. Поскольку ядро ^Zr -> _°,е - г Ц^Ъ
hmcci 11ебольшой атомный номер, можно пред-

вилегь. что оно б>дет распадаться с испуска - в> Я;[Р° «и расположено правее верхней

пнем почигрона. Как можно убелитьси. обра - части пояса устойчивости. Помому можно

[нвпшеь к какому-либо подходящему сиравоч - предсказать, что оно распадается с испусканием

ник) по фишке или химии, наше предсказание альфа-частицы. Это предсказание оказываемся

оказалось правильным. В данном случае >равне - правильным. Реакция протекает по уравнению

2Ц\! - ^Не + 2iiTh

В заключение следует отметить, чю сформулированные выше эмпирические прави­ла не всегда приводят к верным выводам. Например, хотя следовало бы ожидать, что ядро тория-233 (2qf, Th) будет распадат!>ся путем испускания альфа-час гицы, на самом деле оно претерпевает бета-распад. Кроме того, некоторые радиоактивные ядра рас­полагаются в пределах пояса устойчивости. Например, изотопы '£"Nd и '*f, Nd усюй-чивы и лежат в пределах пояса устойчивости, однако расположенный между ними изо­топ!*(7)Nd радиоактивен.

РЯДЫ РАДИОАКТИВНОСТИ

1 Некоторые ядра, например уран-238, не могут стать устойчивыми в результате еди-

ничною акта радиоактивною распада. Вследствие оюго происходит ряд последова­тельных распадов. Как показано на рис. 20.3. при распаде урана-238 образуется то-рий-234. который также радиоактивен и распадается с образованием протактиния-234. Ото ядро юже неустойчиво и в свою очередь распадается. Такие последовательные реакции продолжаются до тех пор, пока не образуется устойчивое ядро, свинец-206. Последовательность ядерных реакций, которая начинается с неустойчивою ядра и за­капчивается устойчивым, называется рядом радиоактивности или рядом ядерною распа­да. Существуют всего три таких ряда. Помимо ряда, который начинается с ШУШ*:238 и кончайся свинцом-206, имеется еще ряд, начинающийся с^рана-235 и кончающийся свинцом-207. а кжже третий ряд, который начинается торием-232 и кончайся свинцом-208.

20.3. Получение новых ядер

В 1919]. Речерфорд осуществил первое искусственное превращение одного ядра и друюе. Ему удалось превратив азот-14 в кислород-1 7, пользуясь быстрыми альфа-4tic i I11UIMM. ко I орые испускает радий. Реакция протекает по уравнению

'iN + tHe - '■(.) + jH 120.10)

'Эта реакция показала, что ядерные превращения могу! осуществляться в результате бомбардировки ядер частицами наподобие альфа-частиц. Такие реакции сделали воч-

можным синтез сочен радиоизотопов в лабораторных условиях. Как указано в разд. 20.1, подобные превращения одного ядра в друюе называются ядерными превраще­ниями. При записи ядерных превращений принято указывать поочередно ядро-ми­шень, бомбардирующую частицу, испускаемую частицу и, наконец, получаемое ядро. В такой записи уравнение (20.10) приобретает вид: ^Nfa, р) 11О. Для записи альфа-час гицы. прогона и нейтрона используются обозначения а. р, и п соответственно.