Все начинаешься с aтома. Радиоакивность и искусственный радиоактивный распад
Прежде чем погрузиться в изучение ядерной химии, следует иметь представление о строении атома. Если вам интересно, то о строении атома продолжает и продолжает (да, и продолжает) твердить глава 3, «Атом и его структура». Ну а в этом разделе приведена лишь краткая информация.
Итак, в ядре, плотной центральной части атома, находятся протоны и нейтроны. Электроны находятся вне ядра на тех или иных энергетических уровнях. Протоны имеют положи-
тельный заряд, у электронов заряд отрицательный, а нейтроны не имеют никакого заряда (т. е. нейтральны). В целом атом нейтрален, поскольку имеет равное количество протонов и электронов. Однако количество нейтронов, находящихся в каждом атоме одного и того же элемента, может быть разным. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным количеством нейтронов, называются изотопами. На рис. 5.1 показано схематическое обозначение изотопа элемента.
На рис. 5.1 буква X обозначает символ элемента, используемый в периодической таблице, Z — атомный номер (количество протонов в ядре), а буквой A обозначается массовое число (общее количество протонов и нейтронов в конкретном изотопе). Если вычесть из массового числа атомный номер (A – Z), можно получить количество нейтронов в определенном изотопе. Кратко показать ту же информацию можно с помощью символа элемента (X) и значения массового числа (A), например U-2351.
Радиоакивность и искусственный радиоактивный распад
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер, называется радиоактивностью. Нестабильное ядро может раскалываться на две (или более) другие частицы с освобождением некоторой энергии (см. раздел «Расщепление ядер» далее в главе). Раскол на части может происходить по-разному, в зависимости от того, какой именно атом распадается.
Зачастую, зная одну из частиц, получившихся при распаде, можно «вычислить» и другую из них. Для этого необходимо вычислить так называемый баланс масс ядерной реакции. (Под ядерной реакцией понимают взаимодействие ядер с элементарными частицами или другими ядрами, вследствие чего меняется структура ядер.)
Баланс масс ядерной реакции вычисляется довольно просто. Ниже показано, как принято обозначать ядерную реакцию.
реагенты — продукты
Реагенты — это вещества, вступающие в реакцию, продукты — новые вещества, полученные в результате реакции, а стрелка показывает направление протекания реакции.
Ядерная реакция считается сбалансированной, если сумма атомных номеров элементов, находящихся слева от стрелки, равна сумме атомных номеров элементов, расположенных справа от нее. Кроме того, это условие должно соблюдаться и для сумм массовых чисел. Рассмотрим пример. Предположим, что вы проводите ядерную реакцию, бомбардируя нейтроном изотоп хлора, например хлор-35. Вы видите, что образуется изотоп водорода H-1, а вместе с ним еще какой-то другой, и вам нужно вычислить этот второй изотоп. Составим уравнение ядерной реакции для нашего примера.
Чтобы найти неизвестный изотоп (обозначенный как Pr), следует вычислить баланс масс в уравнении. Сумма атомных номеров в левой части равна 17 (17 + 0), поэтому нужно, чтобы в правой части сумма атомных номеров также равнялась 17. Атомный номер одной частицы в правой части нам уже известен — это 1. Следовательно, атомный номер неизвестного изотопа равен 17 – 1, т.е. 16. В периодической системе элементов этот атомный номер соответствует сере (S).
Теперь посмотрите на массовые числа компонентов рассматриваемой ядерной реакции. Сумма массовых чисел в левой части равна 36 (т.е. 35+1). Таким образом, нужно, чтобы сумма массовых чисел в правой части также равнялась 36. В правой части массовое число одной частицы нам уже известно — это 1. Поэтому массовое число неизвестного изотопа равно 36 – 1, т.е. 35. Таким образом, неизвестный изотоп — это изотоп серы (сера-35). Следовательно, теперь мы сможем записать сбалансированное уравнение ядерной реакции.
Это уравнение демонстрирует ядерное превращение, т.е. превращение одного элемента в другой. Ядерное превращение — это процесс, которым могут управлять люди. Что же касается серы-35, то этого изотопа серы в природе не существует. Это искусственный изотоп. В прежние времена алхимики мечтали о превращении одного элемента в другой (обычно свинца в золото), но осуществить это им так и не удалось. Однако современные химики имеют возможность (хотя бы иногда) превратить один элемент в другой.