-Атомне ядро

Атомне ядро є основою атома, що визначає індивідуальність еле­ментів. Відповідно до сучасних уявлень атомні ядра складаються з елементарних частинок протонів р і нейтронів n, які об'єднують під загальною назвою нуклони. Природа елементарних частинок р і n визначається кількісними характеристиками: масою, зарядом, спіном та магнітним моментом.

Протон – стабільна елементарна частинка з масою спокою 1,673·10–24 г, відносною атомною масою 1,00727 а. о. м., з додат­нім зарядом +1, спіном 1/2 (в одиницях сталої Планка) та магніт­ним моментом, що дорівнює 2,79 ядерного магнетона.

Нейтрон – стабільна електронейтральна елементарна ча­стинка з масою спокою 1,675·10–24 г, відносною атомною масою 1,008665 а. о. м., без електричного заряду, спіном 1/2 (в одиницях сталої Планка) та магнітним моментом, що дорівнює 1,91 ядерного магнетона.

Властивості ядра зумовлені його складом – числом протонів Z і нейтронів N, які входять до складу ядра і визначають його масове число:

А = Z + N.

Оскільки число протонів у ядрі дорівнює величині його пози­тивного заряду, тобто порядковому номеру елемента, число ней­тронів дорівнює різниці між масовим числом і порядковим номером елемента.

Масове число і порядковий номер елемента (число протонів) позначають числовими індексами зліва від символу хімічного еле­мента: верхній індекс означає масове число, нижній – число прото­нів. Наприклад, позначення , ,  означають, що в ядрі атома Оксигену міститься 8 протонів і 8 нейтронів, в ядрах атомів Кальцію і Полонію – відповідно 20 і 20; 84 і 125. Ядерний склад Оксигену, Кальцію і Полонію можна записати так: О (8р, 8n), Са (20р, 20n), Ро (84р, 125n).

В ядрі зосереджена основна маса атома (≈ 99,9 %). Зіставлен­ня показує, що маса ядра завжди менша за арифметичну суму мас протонів і нейтронів, які входять до його складу. Різниця між цими величинами називається дефектом маси. Наприклад, маса ядра нукліда Гелію (2р, 2n) дорівнює 4,001506 а.о.м., тоді як сума мас двох протонів і двох нейтронів становить 4,031882 а.о.м., тобто дефект маси дорівнює 0,030376 а.о.м.

Дефект маси характеризує стійкість атомних ядер і енергію зв'язку нуклонів у ядрі, яка в мільйон разів перевищує енергію зв'язку атомів у молекулі. Тому при хімічних перетворен­нях речовин атомні ядра не змінюються.

Природа елемента визначається числом протонів у ядрі. Ядра всіх атомів певного елемента мають однакове число протонів, тобто характеризуються однаковим значенням Z. Проте ядра атомів мо­жуть мати однакове число протонів і нейтронів, різне число прото­нів і однакове число нейтронів, різне число нейтронів і протонів. Атоми з однаковим числом протонів Z, називаються ізотопами, а з однаковим числом нейтронів N – ізотонами. Атоми з різним числом протонів Z, і нейтронів N, але з однаковим числом нуклонів А називаються ізобарами. Наводимо приклади ядер ізотопів, ізобарів і ізотонів:

Ізотопи відрізняються один від одного масою атомних ядер, але, маючи однаковий заряд ядра, вони в періодичній системі за­ймають одне місце і мають однакові хімічні властивості; ізобари й ізотони відрізняються за своїми хімічними властивостями.

Ізотопи мають такі самі назви і символи, як і самі елементи; винятком є елементи з Z = 1. Ізотопи водню називаються: протій  (легкий, або звичайний, водень), дейтерій , або D (важкий водень) і тритій , або Т (дуже важкий водень). Внаслідок великої різниці у атомних масах ізотопи водню мають різні хімічні власти­вості.

В наш час вивчено склад ізотопів дуже багатьох природних хі­мічних елементів. Встановлено, що майже кожний елемент скла­дається з кількох ізотопів. Саме цим пояснюється значне відхилен­ня атомних мас багатьох елементів від цілочислових значень.

З відкриттям ізотопів елементів були по-новому сформульовані поняття "хімічний елемент": хімічним елементом називається вид атомів, що характеризується однаковим зарядом ядра; і "радіоак­тивність": радіоактивністю називається самочинне перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемен­та, що супроводиться випромінюванням елементарних частинок або ядер.

Радіоактивні елементи

Радіоактивні елементи – хімічні елементи, всі ізотопи яких радіоактивні. Розрізняють природні і штучні радіоактивні ізото­пи.

До основних видів радіоактивного розпаду належать α-розпад, β-розпад, електронний захват і спонтанний поділ ядер.

При α-розпаді ядро атома випромінює два протони і два ней­трони, зв'язані в ядро атома гелію . Це зменшує заряд вихід­ного радіоактивного ядра на 2, а його масове число на 4. Отже, вна­слідок α-розпаду утворюється атом елемента, зміщеного на два місця вліво у періодичній системі від вихідного радіоактивного елемента, наприклад:

При електронному β-розпаді ядро випромінює електрон (β-частинку) завдяки перетворенню одного нейтрона ядра у протон за схемою:

n  р + β– + ,

Частину енергії, яка виділяється при β–-розпаді, захоплює з собою антинейтрино . Нейтрино ν і антинейтрино  – елемен­тарні частинки, які не мають заряду і не характеризуються масою спокою, але відрізняються одна від одної спіном. При β–-розпаді заряд ядра збільшується на одиницю, а масове число не змінюється, тобто утворюється ізотоп елемента з порядковим номером на одини­цю більшим, ніж у вихідного. Так, наприклад, при β–-розпаді нуклі­да торію-234 утворюється нуклід протактинію-234:

Електронний захват полягає в тому, що електрон з найближчого до ядра шару захоплюється ядром. При цьому один з протонів ядра перетворюється на нейтрон:

р + е  n

Прикладом електронного захвату може бути перетворення калію в аргон з γ-випромінюванням за схемою:

Для важких елементів крім α- і β-розпаду можливий самочин­ний поділ ядер. Явище самочинного (спонтанного) поділу ядер, вперше виявленого для 238U, характерне для трансуранових елементів.

Радіоактивне перетворення різних ізотопів відбувається в різ­ною швидкістю. Період часу, протягом якого розпадається поло­вина початкової кількості радіоактивного елемента, називається періодом напіврозпаду і позначається Т1/2. На основі вивчення процесів радіоактивного розпаду був виве­дений основний закон радіоактивності:

Nt = N0 е–λ·t,

де N0 – кількість ядер в початковий момент часу; Nt – кількість ядер, що не розпались до моменту часу t, λ – стала радіоактивного розпаду, тобто ймовірність розпаду ядра за 1 с.

Умовно до радіоактивних елементів відносять такі, що розпада­ються за 10–12 с. У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею радіоактивності є беккерель (Бк) – одиниця активності нукліда. яка дорівнює одному розпаду за секунду. Беккерель пов'язаний з позасистемною одиницею радіоактивності кюрі (Кu) співвідношен­ням 1 Кu = 3,7·1010 Бк.