Состав атомных ядер. Изотопы

Тема: Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева

Урок: Состав атомных ядер. Изотопы

1. Строение атома

Элементарный атом на самом деле оказался сложной частицей, который состоит из ядра и электронной оболочки. По своему строению он похож на солнечную систему. В нашей солнечной системе в центре находится массивное солнце, а в атоме – ядро. Вокруг солнца вращаются планеты, а в атоме – электроны. Эту модель атома создал в 1910 году Эрнест Резерфорд. И только в 1932 году физики узнали, что ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов – положительно заряженных и не имеющих заряда – нейтронов.

Атом по догадке Резерфорда почти пустое пространство с ядром посередине. Ядро – очень плотное образование, состоящее из протонов и нейтронов. Плотность атомного ядра составляет 100 000 тонн/мм³. Добавляя протон в ядро атома, каждый раз получается новый элемент. Если в ядре всего 1 протон, то это водород Н, если 2 – то это гелий Не, если 3- это литий Li. И так далее.

Говорят, что протоны придают атому индивидуальность. А вот нейтроны совершенно не влияют на индивидуальность атома, а отражаются только на массе данного элемента.

2. Нуклиды

Нуклиды – это частицы, имеющие определенное массовое число и время жизни достаточное для их изучения. Нуклиды делятся на

- стабильные. Стабильные нуклиды не подвергаются самопроизвольному радиоактивному распаду.

- радиоактивные или радионуклиды. Радионуклиды могут самопроизвольно распадаться, образуя другие нуклиды.

Радионуклиды делятся на

- Долгоживущие

- Короткоживущие

Долгоживущие радионуклиды.

Долгоживущие радионуклиды возникли вместе с Землей. Их период полураспада составляет 5∙10⁸лет.

Наибольшим количеством радионуклидов по 34 обладает платина Pt и осмий Os. Некоторые элементы имеют лишь один стабильный нуклид. Например, золото Au и кобальт Co. А максимальным числом стабильных нуклидов 10 обладает олово Sn. У многих элементов все нуклиды – радиоактивны. Это все элементы, имеющие атомный номер больше чем у свинца Pb, а также технеций Tc и прометий Pm.Общее число всех нуклидов всех элементов превышает 3100.

3. Представление об изотопах

Количество нейтронов в ядре атома называется его изотопическим числом и обозначается N.

Если атом содержит одинаковое число протонов, т.е. обладает одинаковым зарядом, но разное количество нейтронов, то он будет иметь разную массу. Такие атомы называются изотопами.

N – изотопическое число

А – массовое число

Z – зарядовое число

A = N + Z

При обозначении изотопов рядом с символом химического элемента слева вверху пишется массовое число, а слева внизу – зарядовое число. ₆¹²С. Иногда можно встретить такую запись: углерод -12.

Некоторые изотопы имеют собственное название. Это характерно для изотопов водорода и радона. Изотоп водорода ¹Н – протий, ²Н – дейтерий, ³Н – тритий.

Также можно встретить изотопы кислорода ¹⁶О,¹⁷О,¹⁸О, которые встречаются в природе.

Относительная атомная масса элемента

         

Рис. 1. Изотопы хлора

Атом очень мал и масса его должна быть ничтожна. В 1961 году  на международном съезде теоретической и прикладной химии физики и химики приняли решение, что массу атома будут измерять не в кг или г, а в единицах, получивших название атомная единица массы (а.е.м.). Было принято, что изотоп углерода -12, как самый стабильный в природе будет иметь массу 12 а.е.м. Атомная единица массы по величине равна:

= 1,66

1 моль любого вещества содержит частиц, равных числу Авогадро  .

4. Изотопы хлора

Относительная атомная масса элемента, которая приводится в периодической системе – это средняя величина массовых чисел природных изотопов с учетом их процентного содержания в природе.

Например, все атомы хлора представлены в природе изотопами ³⁵Cl(75%) и ³⁷ Сl (25%). Рис.1.

Относительная атомная масса хлора будет вычисляться по формуле = 35,5.

5. Изотопы водорода

Протий.

Атом водорода, имеющий один протон в ядре и не имеющий нейтронов, называется протий. «Протас» - это первичный. Так принято называть первый изотоп водорода.

Дейтерий.

Рис. 2. Изотоп водорода дейтерий

Если в атом водорода кроме протона входит еще и 1 нейтрон, то он будет называться дейтерий.

Газ дейтерий, как и водород, имеет двухатомную молекулу D₂.

 Этого газа очень мало в атмосфере, всего 0,012 от всей массы газа водорода. Дейтерий входит в состав тяжелой воды. Её формула D₂O. Её физические свойства отличаются от физических свойств обычной воды. Таб.1. 

Сравнение физических свойств тяжелой воды с обычной.
Свойства	Н2О	D2O
	1г/см3	1,1г/см3
	0	-3,8
	+100	+101,4

6. Война за тяжелую воду

Рис. 3. Завод по производству тяжелой воды в Норвегии

В 30-х годах XX столетия тяжелую воду впервые стали применять для получения ядерного оружия. Первым государством, которое производило тяжелую воду в промышленных масштабах, была Норвегия. С началом Второй Мировой войны, Норвегия в 1940 году была захвачена немцами. И немцы использовали Норвежский завод в своих нуждах.В 1943 году англичане и американцы задумались над тем, как уничтожить завод в Норвегии, производящим тяжелую воду. Они предприняли несколько попыток к уничтожению этого заволда. Наиболее мощная – это была бомбордировка данного завода в 1943 году. Но немцы уже успели забетонировать все цеха этого завода и эта бомбордировка не нанесла существенного урона производству тяжелой воды.Но англичане и американцы применчяли следующие попытки по дистабилизации работы по этому производству. В 1944 году немцы решили вывести все запасы тяжелой воды из этого завода. Через озеро на пароме они хотели переправить эти запасы в Германию. Но 20 февраля 1944 года паром, везший этот груз, был подвергнут бомбордировке и пошел ко дну. Все цистерны оказаллись на глубине более 400 м. Таким образом англичане уничтожили все запасы тяжелой воды. Немцы были вынуждены прекратить исследования по использованию тяжелой воды для создания ядерного оружия.

Тритий.

Рис. 4. Тритий

В состав трития входит 2 нейтрона и 1 протон. Обозначается Буквой Т. . Тритий – это короткоживущий изотоп водорода. Он рождается в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей.

Рождается, чтобы тут же умереть – превратиться в гелий-3.

Его всего 6 грамм во всей нашей атмосфере. 1 атом трития приходится на 10 см³ воздуха.

7. Где применяют тритий?

Запасы природного трития ничтожны. Поэтому весь тритий, который используется в промышленности, получают искусственно. Путем бомбардировки нейтронами атомов лития. Тритий используется для создания светочувствительных красок, которые наносятся на различные приборы. Например, это можно увидеть на люминофорных часах, у которых светятся стрелки в темноте. Запасы трития в организме человека ничтожны. Но все-таки мы получаем тритий в организм из воздуха и с пищей.

Газообразный тритий в 500 раз менее токсичен, чем тритий ,входящий в состав сверхтяжелой воды для человеческого организма. Это объясняется тем, что газообразный тритий выводится из организма через три минуты, а тритий, входящий в состав сверхтяжелой воды, через 10 суток. Таким образом, люди, которые иногда поглощают сверхтяжелую воду, повышают уровень радиации своего организма. Надо отметить, что если человек носит часы, стрелки которых покрыты люминофором с использованием трития, в 5 раз более подвержен радиации, чем обычный человек.

То, что водород имеет три изотопа, не выделяет его среди химических элементов. Изотопы водорода отличаются друг от друга и по физическим и по химическим свойствам. Это не характерно для других атомов. Изотопы водорода отличаются друг от друга и по физическим и по химическим свойствам, потому что имеют очень различную массу. Изучая изотопы водорода, ученые пришли к выводу, что химические свойства элемента удобно изучать на примере их изотопов.

Так родилась новая область химии – химия изотопов.

8. Ядро атома

Ядра, имеющие одинаковое число нейтронов, но разное количество протонов называются изотоны. Изотон. Название «изотон» было придумано на основе слова «изотоп». Путём замены «п» (протон) на «н» (нейтрон). Примерами изотонов могут служить изотопы  и . Несложно посчитать, что в этих изотонах по 7 нейтронов.

Изобары.

Нуклиды с одинаковым массовым числом  называются изобары. Изобар; др.-греч. ἴσος (isos) — «одинаковый» + βάρος (baros) — «вес»). Например: . Количество и протонов и нейтронов в изобарах разное.

Атомное ядро состоит из протонов, положительно заряженных и нейтронов, не имеющих заряда. Каждая из этих частиц имеет массу 1 а.е.м. Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число атома. Если число протонов в ядре постоянно, а количество нейтронов разное, такие атомы называются изотопами.

Подведение итога урока.

На уроке вы повторили, что собой представляет элементарная модель атома, ее строение, похожее на нашу Солнечную систему. Узнали, в каком году физики узнали на опыте Резерфорда, из чего на самом деле состоит атомное ядро, его плотность, как можно получить новый элемент путем добавления к нему протона.

 

Список рекомендованной литературы

1. Рудзитис Г.Е. Неорганическая и органическая химия. 8 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман.М.: Просвещение. 2011 г.176с.:ил.

2. Попель П.П.Химия:8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений/П.П. Попель, Л.С.Кривля. -К.: ИЦ «Академия»,2008.-240 с.: ил.

3. Габриелян О.С. Химия. 9 класс. Учебник. Издательство: Дрофа.:2001. 224с .

 

Рекомендованные ссылки на ресурсы интернет

1. Chemport.ru (Источник).

2. Химик (Источник).

3. Hemi.nsu.ru (Источник). 

 

Рекомендованное домашнее задание

1. №№ 2,3 (с.138) Рудзитис Г.Е. Неорганическая и органическая химия. 8 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман.М.: Просвещение. 2011 г.176с.:ил.

2. Что такое изотопы, изотоны и изобары?

3. Перечислите изотопы водорода, их названия и состав.