Геохимия Лекция 2 Строение атомного ядра

Геохимия. Лекция № 2 «Строение атомного ядра»

Атом = ядро + электроны Строение атомного ядра влияет на распространенность элементов в природе. От конфигурации электронных оболочек зависит поведение химических элементов в различных процессах и особенности их миграции.

Ядро и атом… Размеры - Ядер химических элементов = 10 -13 – 10 -14 см. - Атомов (в среднем) = 10 -8 см = 1 ангстрем Плотность Ядер = 3600 млн. – 1 млрд. тонн/см 3 Масса ядра ≈ масса атома в целом

Ядро состоит из нуклонов… Протон (р) – положительно заряженный нуклон. Нейтрон (n) – нуклон не имеющий заряда Масса протона = Масса нейтрона = 1/16 атомной массы кислорода = 10 -24 грамм = 1 Масса протонов и нейтронов в ядре всегда меньше их общей массы – дефект масс (масса переходит в энергию).

Соотношения протонов и нейтронов в ядрах атомов Массовое число (М) = количество протонов (р) + количество нейтронов (n) M=p+n p=M–n n=M-p n p Н M Порядковый номер химического элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева совпадает с количеством протонов в ядре данного элемента

Изотопы, изотоны, изобары… Изотопы – это ядра или элементы с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов Изотопы занимают одну клетку в периодической таблице 0 1 1 1 2 1 Н Н Н 1 протий 2 3 дейтерий тритий

Изотоны – это ядра или элементы с одинаковым количеством нейтронов (n) и разным количеством протонов (p) Изобары – это ядра или элементы с одинаковым массовым числом (М) В природе известно – 350 изотопов и более 150 изобаров

Структура ядра. Две основные гипотезы: Капельная Нейтроны и протоны находятся в непрерывном движении, образуя сферу (каплю), при этом нейтроны удерживают протоны от взаимного отталкивания. Оболочечная Протоны и нейтроны находятся в определенных количествах на определенных энергетических уровнях (как электроны в атомах). Их количество на орбитах строго ограничено.

Устойчивость ядра Дефект масс Соотношение протонов и нейтронов Четность / Нечетность нуклонов Радиоактивность Чем больше дефект масс тем устойчивее ядро. Разница в массах превращена в энергию, которая удерживает протоны от взаимного отталкивания.

Соотношение протонов и нейтронов. Сила взаимодействия между протонами и нейтронами складывается из кулоновского отталкивания протонов и силы взаимного притяжения нейтронов. С увеличением массового числа элемента увеличивается сила отталкивания, для снижения которой необходимо увеличение количества нейтронов. Элементы начала периодической таблицы Д. И. Менделеева – более устойчивые

Четность / Нечетность нуклонов Число протонов (р) четное нечетное Число нейтронов (n) четное нечетное Количество изотопов 167 57 53 9 Тип изотопа Количество изотопов Распространенность в хондритах 4 q 4 q + 1 90 53 89. 6% 2. 9% 4 q + 2 86 5. 5%

Магические и дваждымагические ядра Ядра у которых количество протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 называются магическими. Дваждымагические ядра имеют магическое число и протонов и нейтронов. 2 28 2 He 4, 32 Ni 60, 56 8 8 O 16, 38 20 50 Sr 88, 82 Ba 138, 82 20 Ca 40, 50 70 Sn 120, 126 Pb 208

Радиоактивность - способность ядер (атомов) самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц и образованием ядра нового элемента (Беккерель и Мария Складовская-Кюри). Радиоактивность – необратимый процесс Виды радиоактивности: α-распад; β-распад; γ-излучение; к – захват; самопроизвольный распад тяжелых элементов на 2 легких элемента с примерно равным массовым числом – спонтанное деление

α-распад – характерен для ядер с массовым числом больше 209; β-распад – характерен для ядер с избытком нейтронов; к – захват - характерен для ядер с избытком протонов; Самопроизвольный распад – характерен для самых тяжелых ядер

α-распад – поток α-частиц (атомов 22 Не 4) ядро теряет альфа-частицу и элемент смещается на 2 клетки влево в периодической таблице 138 Ra 226 → 2 Не 4 + 136 Rn 222 88 2 86 β-распад – поток β-частиц (электронов) – нейтрон распадается на протон + электрон + нейтрино. Заряд увеличивается на единицу и элемент смещается на 1 клетку вправо 49 Rb 86 → электрон + 48 Sr 86 37 38

к – захват – протоны превращаются в нейтроны в результате захвата орбитального электрона с ближайшей К – орбиты. Заряд уменьшается на 1 → и элемент смещается на 1 клетку влево. 21 K 40 + 19 электрон → 1822 Ar 40 γ-излучение это жесткое радиоизлучение обусловленное переходом ядра из возбужденного в стабильное состояние с выделением энергии. Спонтанное деление – ядра тяжелых элементов распадаются на 2 примерно равные части, соответствующие элементам середины периодической таблицы.

Основной закон радиоактивного распада: число распавшихся атомов за единицу времени пропорционально первоначальному числу атомов. Радиоактивность характеризуется постоянной скоростью, константой распада и периодом полураспада. Период полураспада – время, за которое распадается половина первоначального количества первоначального элемента. Константа распада – количество распадов в единицу времени.

Классификация изотопов Радиоактивные (неустойчивые) – определение абсолютного возраста горных пород и минералов. Стабильные (устойчивые) – период полураспада соизмерим с возрастом Земли. Используются для изучения генезиса минералов и горных пород. Радиогенные – изотопы, которые образовались в результате радиоактивного распада

Геохимически значимые естественные радиоактивные элементы Радиоактив ный изотоп Тип превраще ния Период полураспада, лет Процент распада за 4. 55 млрд. лет 207 Pb, 4 He 2 7. 038 • 108 98. 87 40 Ar, 40 Ca 1. 251 • 109 91. 97 Радиогенный изотоп 235 U α, (β) 82 40 K K, β 18 238 U α, (β) 82 206 Pb, 4 He 2 4. 468 • 109 50. 63 90 232 Th α, (β) 82 208 Pb, 4 He 2 1. 401 • 1010 20. 16 71 176 Lu K, β 3. 57 • 1010 8. 46 75 187 Re β 187 Os 4. 23 • 1010 7. 19 87 Rb β 87 Sr 4. 88 • 1010 6. 26 138 La K, β 9. 67 • 1010 3. 21 147 Sm α 60 143 Nd 1. 06 • 1011 2. 93 190 Pt α 76 186 Os 5. 4 • 1011 0. 58 52 123 Te K 51 123 Sb 1. 24 • 1013 0. 025 73 180 Ta β 74 180 W 2. • 1013 0. 016 92 19 92 37 57 62 78 70 176 Yb, 76 38 56 138 Ba, 20 72 58 176 Hf 138 Ce

Некоторые «вымершие» изотопы в Солнечной системе «Вымерший» радиоактивный изотоп Период полураспада, лет Al 13 41 Ca 20 53 Mn 25 92 Nb 41 107 Pd 46 129 I 53 135 Cs 55 146 Sm 62 182 Hf 72 244 Pu 94 0. 7 • 10 6 0. 144 • 10 6 3. 7 • 10 6 33 • 10 6 9. 4 • 10 6 16 • 10 6 3 • 10 6 103 • 10 6 ~9. • 10 6 83. • 10 6 26

Самые важные стабильные изотопы Углерода – 66 С 12, 68 С 14 Кислорода – 88 О 16, 810 О 18 Серы – 1616 S 32, 1618 S 34 Водорода – 10 Н 1, 11 Н 2, 12 Н 3