Relative Atommasse eines Elements in der Chemie und die Geschichte ihrer Bestimmung. So berechnen Sie die Atommasse

Eines der grundlegenden Konzepte der Chemie ist die Atommasse eines Elements, die in fast jeder chemischen Berechnung verwendet wird. Die Fähigkeit, die Atommasse zu berechnen, wird vor allem für Schüler und diejenigen nützlich sein, die in Zukunft Chemie studieren möchten. Allerdings ist die Formel für die Berechnung Atommasse unmöglich einfach.

Definition und Formel

Atommasse ist die Summe der Massen aller Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen das Atom besteht. Im Vergleich zu den Massen von Protonen und Neutronen ist die Masse von Elektronen vernachlässigbar, sodass Elektronen in den Berechnungen nicht berücksichtigt werden. Da die Masse der Neutronen und Protonen selbst als unendlich kleine Zahlen hoch 27 negativ berechnet wird, wird zur Vereinfachung der Berechnungen die relative Atommasse verwendet, die in gesichtslosen atomaren Einheiten ausgedrückt wird.

Atomare Masseneinheit- Dies ist ein relativer Wert, der 1/12 der Masse des Kohlenstoff-12-Kerns entspricht, dessen Kern 6 Neutronen und 6 Protonen enthält. Die Formel zur Bestimmung der Atommasse sieht also so aus:

Masse = Anzahl Neutronen + Anzahl Protonen.

Nach dieser Formel werden die Atommassen einzelner Isotope chemischer Elemente berechnet. Das bedeutet, dass die Masse von Uran-238 238 amu beträgt, während Uran-235 eine Massenzahl von 235 hat. Dieses chemische Element ist im Allgemeinen reich an Isotopen, daher gibt es Urankerne mit den Massenzahlen 232, 233, 234, 235, 236 und 238. Trotz dieser Vielfalt nimmt Uran-238 99% des gesamten Urans in der Natur ein. Wenn Sie also den Durchschnittswert der Ordnungszahlen berechnen, erhält das chemische Element Uran ein Atomgewicht von 238,029.

Daher ist es wichtig, den Unterschied zwischen Atommasse und durchschnittlichem Atomgewicht zu verstehen:

• Atommasse - die Summe von Neutronen und Protonen eines bestimmten Isotops (immer eine ganze Zahl);
• Atomgewicht - das arithmetische Mittel der Atommassen aller in der Natur vorkommenden Isotope (normalerweise eine Bruchzahl).

Ein anderes Beispiel

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. 99 % des Wasserstoffs ist Protium oder Wasserstoff-1, das nur 1 Proton enthält. Es gibt auch Isotope: Deuterium oder Wasserstoff-2 und Tritium oder Wasserstoff-3. Diese Isotope haben Atommassen von 2 bzw. 3, sind aber in der Natur äußerst selten, daher beträgt das Atomgewicht von Wasserstoff 1,00784.

Bestimmung der Atommasse

Sie können die Ordnungszahl für das ausgewählte Element mithilfe des Periodensystems bestimmen. Die Elementnummer in der Tabelle stimmt immer mit der Anzahl der Protonen im Kern überein. Beispielsweise hat der oben erwähnte Wasserstoff die erste Nummer in der Tabelle und enthält nur 1 Proton in seiner Zusammensetzung. Die folgende Tabelle zeigt immer das durchschnittliche Atomgewicht eines Elements, das für Berechnungen auf die nächste ganze Zahl gerundet werden muss.

Zeigt zunächst alle Informationen über die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Atom sowie dessen Atommasse an. Deshalb reicht es bei Schulaufgaben zur Bestimmung der Atommasse, das Periodensystem zu verwenden und nichts absichtlich zu berechnen.

Normalerweise wird im Chemieunterricht das umgekehrte Problem gestellt: Wie bestimmt man die Anzahl der Neutronen in einem bestimmten Isotop? In diesem Fall gilt eine einfache Formel:

Anzahl der Neutronen = Atommasse - Seriennummer.

Beispielsweise enthält das Wasserstoffatom-1 keine Neutronen, da seine Ordnungszahl ebenfalls gleich eins ist. Aber Tritium ist bereits Wasserstoff mit einem Proton und zwei Neutronen. Tritium ist ein instabiles Isotop. Es zerfällt leicht in Heliumatome, freie Elektronen und Antineutrinos, wobei etwas Energie freigesetzt wird. Instabile Isotope werden als radioaktiv bezeichnet.

Betrachten Sie ein Beispiel

Bestimmung der Atommasse

Betrachten Sie Sauerstoff - ein chemisches Element, das die 8. Seriennummer im Periodensystem von Mendeleev hat. Das bedeutet, dass Sauerstoff 8 Protonen in seinem Kern sowie 8 Elektronen in Umlaufbahnen hat. Die in der Tabelle angegebene Atommasse beträgt 16 a. e. m, für deren Berechnung wir keinen Taschenrechner benötigen. Aus diesen Informationen können wir bestimmen, dass ein Sauerstoffatom 8 Neutronen enthält. Allerdings kann sich die Zahl der Neutronen je nach äußeren Bedingungen leicht ändern.

Wenn Sauerstoff ein Neutron verliert oder hinzufügt, erhalten wir ein neues Isotop, dessen Atommasse sich ändert. Mit einem Taschenrechner lassen sich die Massenzahlen verschiedener Sauerstoffisotope berechnen, die die Antwort auf diese Frage allerdings schon im Namen tragen. In der Natur gibt es 3 stabile Sauerstoffisotope: Sauerstoff-16, Sauerstoff-17 und Sauerstoff-18. Die letzten beiden haben "zusätzliche" Neutronen im Kern.

Darüber hinaus gibt es instabile Sauerstoffisotope mit Halbwertszeiten von wenigen Minuten bis zu Millionstel Nanosekunden.

Abschluss

Die Massenzahl ist ein wichtiger Parameter jedes Elements, mit dessen Hilfe Molmassen bei chemischen Reaktionen berechnet werden. Die Massenzahl ist jedoch immer im Periodensystem von Mendelejew angegeben, daher ist unser Rechner vor allem für Schulkinder nützlich, die gerade erst anfangen, die erstaunliche Wissenschaft der Chemie zu studieren.

Die Untersuchung von Massenspektrogrammen ermöglichte es, die Zusammensetzung der Kerne zu bestimmen. Dies stellte sich jedoch erst als möglich heraus, nachdem die Neutronen (Anfang der 1930er Jahre) entdeckt wurden (§ 90) und klar wurde, dass Kerne aus Protonen und Neutronen bestehen - ungeladene Teilchen mit einer Masse nahe der eines Protons, haben, genau wie das Proton und das Elektron, den gleichen Spin (in Einheiten) und das magnetische Moment ist etwas kleiner als das des Protons (fast 1000-mal kleiner als das des Elektrons).

Während der ersten Entwicklungsphase Kernphysik berücksichtigt, dass die Kerne aus Protonen und Elektronen bestehen und die Ladung des Kerns gleich der Differenz zwischen der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Elektronen ist. Als sich jedoch experimentelle Daten häuften, wurde klar, dass eine solche Vorstellung von der Struktur des Kerns im Widerspruch zum Experiment stand.

Tatsächlich haben Atomkerne magnetische Momente in der gleichen Größenordnung wie die des Protons und Neutrons; Dies wäre unerklärlich, wenn wir davon ausgehen, dass sich innerhalb der Kerne Elektronen befinden, deren magnetisches Moment 1000-mal größer ist. Die Annahme über das Vorhandensein von Elektronen in Kernen widerspricht auch den experimentell beobachteten Werten ihrer Spins.

Der sowjetische Wissenschaftler D. D. Ivanenko stellte auf der Grundlage solcher Überlegungen als erster (1932) fest, dass Elektronen kein Bestandteil von Atomkernen sind und dass daher die Kernladung, wie heute allgemein anerkannt wird, vollständig durch die bestimmt wird Anzahl der Protonen im Kern.

Da die Anzahl der Protonen im Kern jedes Atoms mit der Ordnungszahl des Elements übereinstimmt und sich die Massen von Proton und Neutron nur sehr wenig unterscheiden, ergänzt die Anzahl der Neutronen im Kern die Ordnungszahl (die Anzahl der Protonen). ) auf das Atomgewicht, genauer gesagt auf die ganze Zahl, die der Atomgewichtszahl am nächsten liegt, die Massenzahl genannt wird. Der Kern eines jeden Atoms besteht also aus Protonen und Neutronen. Damit reduzierte sich das Problem der Aufklärung der Zusammensetzung von Atomkernen auf die exakte Bestimmung der wahren Atomgewichte aus den Messwerten der Massen der Ionen.

Die auf chemischem Wege ermittelten Atomgewichte einiger Elemente weichen teilweise deutlich von einer ganzen Zahl ab. Der Grund dafür wurde bereits 1919 von Aston bei den allerersten Untersuchungen der Massenspektrogramme solcher Elemente aufgedeckt, nämlich: Aston entdeckte, dass Elemente, deren Atomgewichte sich signifikant von ganzen Zahlen unterscheiden, im Massenspektrogramm mindestens zwei und oft drei ergeben, vier oder mehr Zeilen. Das bedeutet, dass solche Elemente eigentlich eine Mischung aus chemisch identischen, aber unterschiedlich schweren Atomen sind. Atomkerne mit gleicher Ladung, aber unterschiedlicher Masse werden Isotope genannt. Die Kerne von Isotopen eines Elements bestehen also aus gleich vielen Protonen und unterschiedlich vielen Neutronen (Kerne mit gleicher Neutronenzahl und unterschiedlicher Protonenzahl nennt man Isotope).

Die Untersuchung von Massenspektrogrammen zeigte, dass die Atomgewichte von Isotopen in allen Fällen in Zahlen ausgedrückt werden, die sich nur um Tausendstel einer Einheit von ganzen Zahlen unterscheiden (der Grund für diesen kleinen Unterschied im Atomgewicht von Isotopen von einem ganzzahligen Wert, d.h. von die Massenzahl eines Isotops, wird in § 113 erklärt). So ist beispielsweise Chlor, das chemisch ein Atomgewicht von 35,46 hat, eine Mischung aus zwei Isotopen mit Atomgewichten sehr nahe bei 35 und 37; sie werden mit Symbolen bezeichnet (es gibt andere Isotope von Chlor, aber ihre Kerne sind instabil). Argon hat Isotope mit Atomgewichten, die nahe an den Zahlen 36, 38 und 40 liegen; In einer natürlichen Mischung ergeben diese Isotope ein durchschnittliches Atomgewicht von Argon von 39,9 usw.

Chemische Elemente, mit stabilen (d. h. nicht radioaktiven) Isotopen, sind in Verbindungen enthalten, wobei immer ein gewisser natürlicher Anteil an Isotopen beibehalten wird, die für jedes Element charakteristisch sind. Für Magnesium ist die natürliche Isotopenzusammensetzung also: 78,6 % eines Isotops mit einem Atomgewicht eines Isotops mit einem Atomgewicht und 11,3 % eines Isotops mit einem Atomgewicht

Derzeit sind für alle Elemente nur etwa tausend Isotope bekannt, Großer Teil die jedoch instabile, radioaktive Isotope sind. Elemente mit geraden Ordnungszahlen haben die meisten stabilen Isotope. So haben Molybdän, Quecksilber, Barium, Neodym, Ytterbium (alle diese Elemente haben gerade Ordnungszahlen) jeweils 7 nicht radioaktive Isotope, Cadmium 8 und Zinn sogar 10 stabile Isotope. Elemente mit ungerader Ordnungszahl haben normalerweise nicht mehr als zwei stabile Isotope, der Rest ist radioaktiv. Viele der Elemente mit ungerader Ordnungszahl (z. B. Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Kobalt usw.) haben nur ein stabiles Isotop.

In einer Reihe von Fällen haben Isotope benachbarter Elemente die gleichen Massenzahlen und folglich nahezu identische Atomgewichte. Beispielsweise hat die Massenzahl 13 ein Kohlenstoffisotop und ein Stickstoffisotop; zwei Stickstoffisotope haben die gleichen Massenzahlen (15 und 16) wie zwei Sauerstoffisotope usw. Es gibt auch dreifache und sogar vierfache Koinzidenzen: So findet man beispielsweise Isotope mit einer Massenzahl von 70 in Zink, Gallium und Germanium; Isotope mit einer Massenzahl von 210 existieren in Thallium, Blei, Wismut, Polonium und Atome mit denselben Massenzahlen, aber mit unterschiedlichen Seriennummern und daher mit ungleichen chemischen Eigenschaften, werden Isobaren genannt.

Darunter werden beide Arten von Kernteilchen, Protonen und Neutronen, kombiniert gemeinsamen Namen Nukleonen. Isobare Kerne sind durch die Gleichheit der Gesamtzahl von Protonen und Neutronen im Kern gekennzeichnet, d.h. die Gleichheit der Anzahl von Nukleonen.

Auf Abb. 344 ist ein Diagramm, das die Zusammensetzung der Kerne von stabilen und einigen radioaktiven Isotopen charakterisiert. Die Abszisse dieses Diagramms zeigt die Anzahl der Protonen im Kern oder, was dasselbe ist, die Ordnungszahl der Elemente, deren Symbole zur leichteren Verwendung diagonal über der Abszisse angeordnet sind. Auf der y-Achse ist die Anzahl der Neutronen im Atomkern aufgetragen, stabile Isotope sind in schwarzen Kreisen dargestellt, radioaktive Isotope in hellen Kreisen. Dieses Diagramm zeigt, dass bei leichten Elementen die Anzahl der Neutronen und Protonen im Kern nahezu gleich ist und ihre Massenzahlen daher etwa gleich der doppelten Ordnungszahl sind: In den Kernen schwerer Elemente übersteigt die Anzahl der Neutronen bei weitem die Anzahl der Protonen; aber selbst für die schwersten Elemente bleibt sie kleiner als die doppelte Anzahl von Protonen; für diese Elemente alle Punkte,

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die die Zusammensetzung ihrer Kerne darstellen, liegen zwischen den Geraden.Die zweite der genannten Geraden zeigt die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern, also die Massenzahlen.Die aus diesen Zahlen gezogenen schrägen Geraden vereinen die isobaren Kerne.

Wir sehen, dass im Neutronenflussdiagramm alle vorhandenen Isotope ein relativ schmales Band bilden. Das bedeutet, dass bereits relativ kleine Abweichungen von der normalen Zusammensetzung des Kerns sie völlig instabil machen.

Die Trennung von Isotopen, die in winzigen Mengen von einem Massenspektrografen durchgeführt wird, ist eine sehr schwierige Aufgabe in mehr oder weniger bedeutendem Umfang, da Chemische Eigenschaften Isotope jedes Elements sind identisch. Wie bereits erwähnt, behalten Elemente bei allen chemischen Reaktionen ihre natürliche Isotopenzusammensetzung bei. Allerdings indirekter Austausch chemische Reaktionen wenn sie viele Male wiederholt werden, ist es manchmal möglich, ein Element mit seinem leichtesten oder schwersten Isotop anzureichern; dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass, wenn die Reaktionsprodukte in Form eines Zweiphasensystems (Flüssigkeit und Dampf) erhalten werden, der Anteil des leichten Isotops in der Gasphase etwas größer ausfällt als in die komprimierte.

Eines der Verfahren zur Isotopentrennung ist ein Verfahren, das auf dem Phänomen der Diffusion basiert. Der Diffusionskoeffizient hängt von der Masse der Teilchen ab und ist daher für Isotope desselben Elements etwas anders. Diffusionsvorrichtungen zur Isotopentrennung (bzw. zur Anreicherung des gewünschten Isotops der Ausgangsstoffe) bestehen aus vielen Gliedern, in denen jeweils der Diffusionsprozess durchgeführt wird. In allen Gliedern des Diffusionsapparates erfolgt die Diffusion durch eine poröse Substanz, oder Gas diffundiert in einen Quecksilberdampfstrahl, der ein mit einem leichten Isotop etwas angereichertes Gas fortträgt.

Auf Abb. 345 ist ein Diagramm der Prozesse, die beim Diffusionsverfahren zum Anreichern von natürlichem Uran mit Actinouran verwendet werden. Natürliches Uran besteht zu 99,3 % aus dem Isotop mit der Massenzahl 238 und enthält nur 0,7 % Actinouran mit der Massenzahl 235. Die einzige Uranverbindung mit hohem Dampfdruck ist Uranhexafluorid; es wird auch bei der Diffusionsanreicherung von natürlichem Uran verwendet.

Das Gas wird in einem Kompressor komprimiert, durch einen Kondensator geleitet (um die Kompressionswärme abzuführen) und in Kammern geleitet, wo das Gas entlang einer Seite der porösen Trennwand strömt, während auf der anderen Seite ein niedrigerer Druck aufrechterhalten wird. Ich stelle die Gasströmungsrate und die Druckregime so ein, dass die Hälfte des Gases Zeit hat, durch das Leitblech zu diffundieren, und die andere Hälfte zur vorherigen Stufe des mehrstufigen Anreicherungsschemas zurückkehrt. Das diffundierte Gas

der niedrigere Druck wird durch den Hilfskompressor verdichtet und genau derselben nachfolgenden Stufe zugeführt, und das nicht diffundierte Gas durch das druckregulierende Drosselventil kehrt zur vorherigen Stufe zurück. Eine hohe Anreicherung wird in mehreren tausend Schritten erreicht. Der Durchmesser der Löcher in der porösen Trennwand sollte um ein Vielfaches kleiner sein als die mittlere freie Weglänge für ein bestimmtes Gas (d. h. nicht mehr als

Reis. 345. Schema der Stufe der Diffusionsanreicherung von Uran (Gas

Es gibt ein Verfahren zum Trennen von Isotopen, das auf der Verwendung des Phänomens der thermischen Diffusion basiert. Dieses Phänomen wird aus der Tatsache geschlossen, dass, wenn ein Ende eines Rohrs, das ein Gasgemisch enthält, sehr heiß und das andere gekühlt ist, die prozentuale Zusammensetzung des Gemischs in den erhitzten und gekühlten Teilen des Rohrs nicht ganz gleich ist.

Zentrifugen, fraktionierte Destillation und andere Methoden werden ebenfalls verwendet, um Isotope zu trennen.

Schwerer Wasserstoff und schweres Wasser. Für die Physik des Atomkerns sind die Isotope der ersten beiden Elemente des Periodensystems, Wasserstoff und Helium, von besonderem Interesse. Dieses besondere Interesse an den Isotopen von Wasserstoff und Helium erklärt sich dadurch, dass die Elektronenhülle der Atome dieser Elemente, bestehend aus einem Elektron für Wasserstoff und zwei für Helium, relativ leicht „abgerissen“ werden kann und die Kerne von diesen Atome können in verschiedenen Experimenten untersucht werden.

1932 entdeckte Yurey ein Wasserstoffisotop mit einer Massenzahl von 2. Dieses Isotop wird im Gegensatz zu gewöhnlichem Wasserstoff schwerer Wasserstoff oder häufiger Deuterium genannt und mit dem Symbol oder bezeichnet In Wasserstoff erhalten durch gewöhnlich auf chemischem Weg, Deuterium kommt vor Kleinmengen: Ungefähr von den Atomen ist nur eines ein Deuteriumatom.

Bei der Elektrolyse von Wasser entweicht hauptsächlich gewöhnlicher Wasserstoff und das verbleibende Wasser wird mit schwerem Wasserstoff angereichert. In Kombination mit Austauschreaktionen wird die Elektrolyse von Wasser ermöglicht

um Wasser zu erhalten, in dem mehr als 99,99 % der Moleküle Deuteriumatome anstelle von Atomen enthalten; solches Wasser wird als schweres Wasser bezeichnet. Bereits 1933 erhielt Hertz praktisch reines gasförmiges Deuterium, in dem selbst spektroskopisch keine Atome nachgewiesen werden konnten.Gegenwärtig werden die Eigenschaften von Deuterium gut untersucht; Einige Mengen, die die Eigenschaften dieses Stoffes charakterisieren, sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Kartierung physikalische Eigenschaften Deuterium und gewöhnlicher Wasserstoff

(siehe Scannen)

Aus dieser Tabelle sehen wir das in dieser Fall Die Masse des Atomkerns beeinflusst ziemlich stark die molekularen Eigenschaften, die im Allgemeinen nicht durch den Kern, sondern durch die Struktur der Elektronenhülle bestimmt werden. Der signifikante Unterschied in den molekularen Eigenschaften von Deuterium und gewöhnlichem Wasserstoff, der bei Isotopen anderer Elemente nicht beobachtet wird, erklärt sich aus der Tatsache, dass in diesem Fall das Verhältnis der Massen der Kerne unvergleichlich größer ist als das anderer Elemente. Alle in der Tabelle angegebenen Zahlen zeigen an, dass die Intensität der molekularen Wechselwirkung in Deuterium größer ist als die von gewöhnlichem Wasserstoff; dementsprechend schmilzt und siedet Deuterium bei einer etwas höheren Temperatur als gewöhnlicher Wasserstoff benötigt hohe Kosten Wärme zum Schmelzen und Verdampfen, hat einen niedrigeren Dampfdruck und ein kleineres molares Volumen an kondensierten Phasen. Die Energie der interatomaren Wechselwirkung in Deuterium übersteigt auch etwas die Wechselwirkungsenergie gewöhnlicher Wasserstoffatome, was die größere Stabilität von Deuteriummolekülen bei Temperaturen beeinflusst, die eine thermische Dissoziation verursachen.

Auch die physikalischen Eigenschaften von schwerem Wasser unterscheiden sich, wie aus der folgenden Tabelle ersichtlich, deutlich von den Eigenschaften von gewöhnlichem Wasser. Die Dichte von schwerem Wasser bei Raumtemperatur ist fast gleich der von gewöhnlichem Wasser. Es ist bekannt, dass gewöhnliches Wasser bei 4 ° schweres Wasser ein minimales spezifisches Volumen hat, ein minimales spezifisches Volumen wird eingehalten. Beim Abkühlen gefriert schweres Wasser früher als gewöhnlich bei 3,8 ° C und siedet bei einer um 1,4 ° höheren Temperatur. Druck gesättigter Dampf schweres Wasser hat weniger als gewöhnliches Wasser, und die molare Verdampfungswärme beträgt 259 cal mehr.

Im Hinblick auf die biologische Wirkung ist schweres Wasser ein schlechter (und für einige einfache Organismen schädlicher) Ersatz für gewöhnliches Wasser.

Vergleich der physikalischen Eigenschaften von schwerem und gewöhnlichem Wasser

(siehe Scannen)

Wenn gewöhnliches Wasser mit Neutronen bestrahlt wird, werden die meisten von ihnen von Protonen von Wasserstoffatomen eingefangen, und schwere Wasserstoffkerne werden gebildet. Wenn ein Strom schneller Neutronen infolge von Neutronenkollisionen mit schweren Wasserstoff- und Sauerstoffkernen in schweres Wasser eintritt, nimmt ihre Geschwindigkeit schnell ab, aber es findet kein Neutroneneinfang statt und ihre Anzahl bleibt praktisch unverändert. In dieser Hinsicht wird schweres Wasser in Kernreaktoren (§ 107) als bester Moderator von Neutronen verwendet. Zu diesem Zweck wird trotz der Schwierigkeiten und hohen Produktionskosten schweres Wasser in sehr kurzer Zeit hergestellt große Mengen(Hunderte Tonnen).

Tabelle 1.1

Typen radioaktiver Zerfall Kerne

Art der Radioaktivität von Kernen	Art der emittierten Partikel	Eröffnungsjahr	Die Autoren der Entdeckung
Radioaktivität von Atomkernen	Die Strahlung, die das Dunkeln von fotografischen Platten verursachte	1896	A. Becquerel
Alpha-Zerfall	4 Nicht	1898	E. Rutherford
β - -Zerfall	e-	1898	E. Rutherford
β + -Zerfall	e + v	1934	I. et F. Joliot-Curie
E-Erfassung	ν	1938	L. Alvarez
Gamma-Zerfall	γ-Quantum	1900	S. Villard
Kernisomerie	γ, E-Capture, β + , β - , Spaltung	1921	O. Hahn
Spontane Teilung	Zwei Fragmente vergleichbarer Masse	1940	GN Flerov, K.A. Petrschak
Doppelter β-Zerfall	e-e-e	1950	M.G. Ingram, J.H. Reynolds
Protonenradioaktivität	R	1981	S. Hofmann
Cluster-Radioaktivität	14 C	1984	H. Rose, G. Jones, D.V. Alexandrow
Zwei-Protonen-Radioaktivität	2p	2002	J. Giovinazzo, B. Blank et al. M. Pfutzner, E. Badura et al.

Das Phänomen des doppelten β-Zerfalls wurde 1950 entdeckt. M. Ingram und J. Reynolds entdeckten das 130 Xe-Isotop unter den Zerfallsprodukten von 130 Te, was durch die Umwandlung des 130 Te-Isotops in das 130 Xe-Isotop durch die Gleichzeitige Emission von zwei Elektronen und zwei Antineutrinos. Seitdem ist die Untersuchung des Phänomens des doppelten β-Zerfalls zu einer der wichtigsten geworden wirksame Methoden Studium der Eigenschaften von Neutrinos, Testen des Standardmodells.

N-Z-Diagramm von Atomkernen

Derzeit sind ~3500 Atomkerne bekannt, die verschiedene Kombinationen von Protonenzahlen darstellen Z und Neutronen N. Nach bestehenden Schätzungen kann die Zahl der Atomkerne ~7000 betragen. Atomkerne werden in zwei große Gruppen eingeteilt −

• stabile Kerne,
• radioaktive Kerne.

Aus Gesamtzahl~3500 bekannte Atomkerne sind stabile ~350 Atomkerne.
Isotope− Atomkerne mit gleicher Protonenzahl (Z = const) und unterschiedlicher Neutronenzahl.
Isotonen− Atomkerne mit die gleiche Nummer Neutronen (N = const) und einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen.
Isobaren− Atomkerne mit gleicher Massenzahl A (A = Z + N) und verschiedene Nummern Neutronen und Protonen.

Reis. 1.1. N-Z-Diagramm Atomkerne.

Tabelle 1.2

Tabelle der Isotope chemischer Elemente

Ordnungszahl, z	Symbol für chemische Elemente	Name des chemischen Elements	Minimale–maximale Massenzahl eines Isotops eines chemischen Elements
0	N	Neutron	1
1	H	Wasserstoff	1–7
2	Er	Helium	3–10
3	Li	Lithium	3–12
4	Sei	Beryllium	5–16
5	B	Bor	6–19
6	C	Kohlenstoff	8–22
7	N	Stickstoff	10–25
8	Ö	Sauerstoff	12–28
9	F	Fluor	14–31
10	Nein	Neon	16–34
11	N / A	Natrium	18–37
12	mg	Magnesium	19–40
13	Al	Aluminium	21–43
14	Si	Silizium	22–44
15	P	Phosphor	24–46
16	S	Schwefel	26–49
17	Kl	Chlor	28–51
18	Ar	Argon	30–53
19	K	Kalium	32–55
20	Ca	Kalzium	34–57
21	sc	Scandium	36–60
22	Ti	Titan	38–63
23	v	Vanadium	40–65
24	Kr	Chrom	42–67
25	Mn	Mangan	44–69
26	Fe	Eisen	45–72
27	co	Kobalt	50–75
28	Ni	Nickel	48–78
29	Cu	Kupfer	52–80
30	Zn	Zink	54–83
31	Ga	Gallium	56–86
32	Ge	Germanium	58–89
33	Als	Arsen	60–92
34	Se	Selen	64–94
35	Br	Brom	67–97
36	kr	Krypton	69–100
37	Rb	Rubidium	71–101
38	Sr	Strontium	73–105
39	Y	Yttrium	76–108
40	Zr	Zirkonium	78–110
41	Nb	Niob	81–113
42	Mo	Molybdän	83–115
43	Tc	Technetium	85–118
44	Ru	Ruthenium	87–120
45	Rh	Rhodium	89–122
46	Pd	Palladium	91–124
47	Ag	Silber	93–130
48	CD	Cadmium	95–132
49	In	Indium	97–135
50	schn	Zinn	99–137
51	Sb	Antimon	103–139
52	Te	Tellur	105–142
53	ICH	Jod	108–144
54	Xe	Xenon	109–147
55	Cs	Cäsium	112–151
56	Ba	Barium	114–153
57	La	Lanthan	117–155
58	Ce	Cer	119–157
59	Pr	Praseodym	121–159
60	Nd	Neodym	124–161
61	Uhr	Promethium	126–163
62	klein	Samarium	128–165
63	EU	Europium	130–167
64	Gd	Gadolinium	134–169
65	Tb	Terbium	135–171
66	Dy	Dysprosium	138–173
67	Ho	Holmium	140–175
68	Äh	Erbium	143–177
69	Tm	Thulium	144–179
70	Yb	Ytterbium	148–181
71	Lu	Lutetium	150–184
72	hf	Hafnium	151–188
73	Ta	Tantal	155–190
74	W	Wolfram	158–192
75	Betreff	Rhenium	159–194
76	Os	Osmium	162–200
77	Ir	Iridium	164–202
78	Pkt	Platin	166–203
79	Au	Gold	169–205
80	hg	Quecksilber	171–210
81	Tl	Thalium	176–212
82	Pb	führen	178–215
83	Bi	Wismut	184–218
84	Po	Polonium	188–220
85	Bei	Astatin	191–223
86	Rn	Radon	193–228
87	Fr	Franken	199–232
88	Ra	Radium	201–234
89	AC	Aktinium	206–236
90	Th	Thorium	208–238
91	Pa	Protaktinium	212–240
92	U	Uranus	217–242
93	Nr	Neptunium	225–244
94	Pu	Plutonium	228–247
95	Bin	Amerika	230–249
96	cm	Kurium	232–252
97	schwarz	Berkelium	234–254
98	vgl	Kalifornien	237–256
99	Es	Steinium	240–258
100	FM	Fermium	242–260
101	md	Mendelevium	245–262
102	NEIN	Nobelium	248–264
103	lr	Lawrencium	251–266
104	Rf	Rutherfordium	253–268
105	Db	Dubnium	255–269
106	Sg	Seaborgium	258–273
107	bh	Bohrium	260–275
108	hs	Hassium	263–276
109	Berg	Meinerium	265–279
110	Ds	Darmstadtium	267–281
111	Rg	Röntgen	272–283
112	Cn	Kopernikus	277–285
113	Uut		278–287
114	Fl	Flerovium	286–289
115	Hoch		287–291
116	Lv	Lebermorium	290–293
117	Uus		291–292
118	Uo		294

Tabelle 1.2 listet die Seriennummer, das Symbol, den Namen sowie die minimalen und maximalen Massenzahlen der nachgewiesenen Isotope für alle nachgewiesenen chemischen Elemente auf. Chemische Elemente mit Z= 113–118 die Namen sind noch nicht vergeben, sie werden in speziellen internationalen Bezeichnungen angegeben.
Auf Abb. 1.1 zeigt das N-Z-Diagramm von Atomkernen. Schwarze Punkte zeigen stabile Kerne. Der Bereich, in dem sich stabile Kerne befinden, wird normalerweise als Stabilitätstal bezeichnet. Die Kerne des Stabilitätstals sind durch folgendes Verhältnis der Neutronenzahl N zur Protonenzahl Z gekennzeichnet:

N/Z = 0/98 + 0/015A 2/3 ,

wobei A = N + Z die Massenzahl ist.
Lichtstabile Kerne (A< 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1.6 в районе A = 250. Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер ядерных сил и возрастающую роль кулоновского взаимодействия протонов в ядре с ростом массового числа A. Тяжелые ядра оказываются энергетически более устойчивыми, если содержат большее число нейтронов N по сравнению с числом протонов Z. Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца 206, 207, 208 Pb (Z = 82) и висмута 209 Bi (Z = 83). Стабильность атомного ядра характеризуется его периодом полураспада. Целый ряд ядер долины стабильности считаются стабильными. Однако они на самом деле могут распадаться с очень große Perioden Halbwertszeit, die oft die Lebensdauer des Universums t = 13,7·10 9 Jahre übersteigt. Ein Beispiel sind die Isotope 100 Mo, 76 Ge, die als stabile Isotope gelten, deren Halbwertszeit nun aber als Ergebnis des doppelten β-Zerfalls gemessen wurde

T 1/2 (100 Mo → 100 Ru + 2e - + 2) = (7,6±0,4) 10 18 Jahre,
T 1/2 (76 Ge → 76 Se + 2e - + 2) = (1,5±0,1) 10 21 Jahre,

Eine ähnliche Situation tritt auch bei einigen geraden schweren Kernen Z = 64–78 auf, die als stabil gelten, aber eine positive Energie bezüglich des α-Zerfalls haben. Sie werden als stabile Kerne klassifiziert, zum Beispiel die Isotope 176–179 72 Hf. Auf der linken Seite der stabilen Kerne befinden sich mit Protonen überladene Kerne (protonenreiche Kerne), auf der rechten Seite mit Neutronen überladene Kerne (neutronenreiche Kerne). Dunkle Farbe in Abb. 1.1 hebt die derzeit entdeckten Atomkerne hervor. Basierend auf verschiedenen Modellen wird angenommen, dass die Gesamtzahl der Atomkerne ~7000 betragen kann.
Als gebundener Zustand eines Atomkerns wird ein Zustand bezeichnet, der gegenüber der Emission von Neutronen oder Protonen stabil ist. Die Linie B p = 0 (B p ist die Protonentrennungsenergie) begrenzt den Existenzbereich von Atomkernen nach links (Protonen-Tropflinie). Die Linie B n = 0 (B n ist die Neutronentrennungsenergie) befindet sich rechts (Neutronen-Tropflinie). Außerhalb dieser Grenzen können Atomkerne nicht existieren, da sie in einer Eigenschaft zerfallen Atomzeit(~ 10 -22 s) mit der Emission eines oder mehrerer Nukleonen. Wenn die durchschnittliche Lebensdauer des Kerns τ< 10 -22 c, обычно считается, что ядро не существует, т.к. за это время не успевает образоваться структура характерная для данного ядра. Обычно считается, что времена жизни радио­актив­ных ядер τ >10-16 Uhr Kernlebensdauer aufgrund von Nukleonenemission, 10 -23 s< τ < 10 -16 c. Ядра, имеющие такие времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций. Среднее время жизни ядра τ и ширина резонанса Г связаны соотношением

τ = ћ/ G, τ[c] = 6,6·10 -22 /G[MeV].

Es ist ziemlich schwierig, die Grenzen der Nukleonenemission zu berechnen, da die Genauigkeit, mit der die Bindungsenergien von Kernen bekannt sind (mehrere hundert keV), nicht ausreicht, um festzustellen, ob der Kern radioaktiv wird oder ob er unter Emission eines Nukleons zerfällt .
Daher beträgt die Genauigkeit der Vorhersage der Grenze der Existenz von Atomkernen 4–5 Einheiten A. Damit ist zunächst die Grenze gemeint, an der sich Atomkerne befinden, die gegenüber der Emission eines Neutrons instabil sind.
In der oberen rechten Ecke des N-Z-Diagramms befindet sich die Region der superschweren Atomkerne, die derzeit intensiv untersucht wird. Die Untersuchung von superschweren Atomkernen mit Z = 109÷118 zeigte, dass in dieser Kernregion Kernhüllen eine bedeutende Rolle bei der Erhöhung ihrer Stabilität spielen. Eine ausreichend gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Berechnungen und neueren experimentellen Daten erlaubt uns, die Existenz einer Stabilitätsinsel im Bereich Z = 110÷116 und N = 178÷186 vorherzusagen. Die Kerne der Stabilitätsinsel sollten einen erhöhten Widerstand gegen α- und β-Zerfälle und spontane Spaltung aufweisen. Theoretische Schätzungen zeigen, dass die Lebensdauer von Kernen, die sich im Zentrum der Stabilitätsinsel befinden, ~10 5 Jahre betragen kann. Die Schwierigkeit, die Stabilitätsinsel zu durchdringen, liegt daran, dass es schwierig ist, Kombinationen der entsprechenden Kerne auszuwählen, deren Verwendung als Ziel und einfallendes Teilchen es ermöglichen würde, in das Zentrum der Stabilitätsinsel zu gelangen .

Eigenschaften des freien Neutrons und Protons

Charakteristisch	N	P
Masse, MeV/c 2	939,56536±0,00008	938,27203±0,00008
Quantenzahl - Spin	1/2	ћ 1/2 1/2
Spin, ћ = 6,58×10 –22 MeV s	1/2
Elektrische Ladung, q e \u003d (1,602176487 ± 40) × 10 -19 C	(–0,4 ± 1,1) × 10 –21 q z	|qp+qe|/qe< 10 -21
magnetisches Moment, μ = eћ/2mp c = 3,15 × 10 –18 MeV/G	–1,9130427±0,000005	+2.792847351±000000028
Elektrisches Dipolmoment d, e cm	< 0.29×10 –25	< 0.54×10 –23
Baryonenladung B	+1	+1
Ladungsradius, fm		0,875 ± 0,007
Verbreitungsradius magnetisches Moment, FM	0,89 ± 0,07	0,86 ± 0,06
Isospin I	1/2	1/2
Isospin-Projektion I z	–1/2	+1/2
Quark-Zusammensetzung	udd	uud
Quantenzahlen s ,c, b, t	0	0
Durchschnittliche Lebensdauer	(885,7 ± 0,8) s	> 2,1×10 29 Jahre
Parität	+	+
Statistiken	Fermi-Dirac
Zerfallsschema	n → p + e- + e

Kernbindungsenergie E St (A, Z) \u003d c 2 Weizsäcker-Formel E St \u003d a 1 A - a 2 A 2/3 - a 3 Z 2 / A 1/3 - a 4 (A / 2 - Z) 2 / A + a 5 A -3/4. wobei a 1 = 15,75 MeV; a2 = 17,8 MeV; a3 = 0,71 MeV; a 4 = 23,6 MeV; Beitrag verschiedener Mitglieder zu spezifische Energie Kernbindungen ε = E St /A. Die Differenz Δ zwischen den Vorhersagen der Weizsäcker-Formel und den experimentellen Werten der Bindungsenergie von Kernen mit unterschiedlicher Neutronenzahl N. Die stärksten Abweichungen von den experimentellen Werten werden in der Nähe von beobachtet magische Zahlen Neutronen N= 20, 28, 50, 82, 126

Radioaktivität

Radioaktivität ist die Fähigkeit eines Atomkerns, spontan unter Aussendung von Teilchen zu zerfallen.
Radioaktiver Kernzerfall ist möglich, wenn er energetisch günstig ist, d.h. begleitet von der Freisetzung von Energie. Bedingung dafür ist, dass die Masse M des Ausgangskerns größer ist als die Summe der Massen m i der Zerfallsprodukte,

Diese Bedingung ist notwendig, aber nicht immer ausreichend. Radioaktiver Zerfall kann durch andere Erhaltungsgesetze verboten werden - Erhaltung des Drehimpulses, elektrische Ladung, Baryonenladung und andere.
Der radioaktive Zerfall ist durch die Lebensdauer des radioaktiven Isotops, die Art der emittierten Teilchen und deren Energien gekennzeichnet.
Die Hauptarten des radioaktiven Zerfalls sind:

α-Zerfall - Emission eines α-Teilchens durch einen Atomkern;

• β-Zerfall - die Emission eines Atomkerns eines Elektrons und eines Antineutrinos, eines Positrons und eines Neutrinos, das Einfangen eines Atomelektrons durch den Kern mit der Emission eines Neutrinos;

γ-Zerfall - Emission von γ-Quanten durch einen Atomkern;

• spontane Spaltung - der Zerfall eines Atomkerns in zwei oder drei Fragmente vergleichbarer Masse.

Zu mehr seltene Spezies radioaktiver Zerfall sind:

• doppelter β-Zerfall - die Emission von zwei Elektronen und zwei Antineutrinos durch den Atomkern, die Emission von zwei Positronen und zwei Neutrinos durch den Atomkern, das Einfangen eines Elektrons durch den Atomkern mit der Emission von einem Positron und zwei Neutrinos,
• Cluster-Radioaktivität - Emission von leichten Kernen durch einen Atomkern von 12 C bis 32 S,
• Protonenradioaktivität - Emission von Protonen aus dem Grundzustand des Kerns,
• Zwei-Protonen-Radioaktivität - die Emission von zwei Protonen aus dem Grundzustand des Kerns,
• Neutronenradioaktivität ist die Emission von Neutronen aus dem Grundzustand des Kerns.

Bei allen Arten des radioaktiven Zerfalls (außer γ-Zerfall) ändert sich die Zusammensetzung des Kerns - die Anzahl der Protonen Z, die Massenzahl A oder beides gleichzeitig.
Die Eigenschaften des radioaktiven Zerfalls werden erheblich durch die den Zerfall verursachende Wechselwirkung beeinflusst. α-Zerfall wird durch starke Wechselwirkung verursacht. Der β-Zerfall wird durch schwache Wechselwirkung verursacht, und der Gamma-Zerfall wird durch Elektromagnetik verursacht.
Es gibt verschiedene Gründe, warum die Lebensdauer instabiler Kerne um mehrere Größenordnungen variieren kann.

• Geringe Intensität der Wechselwirkung, aufgrund derer Zerfall auftritt.
• Die Emission schwerer positiv geladener Teilchen wird durch die Potentialbarriere stark unterdrückt.
• Die Lebensdauer eines radioaktiven Kerns hängt stark von der beim Zerfall freigesetzten Energie ab. Ist diese Energie klein, so steigt die Lebensdauer stark an. Eine starke Abhängigkeit von der Zerfallsenergie Q charakterisiert den α-Zerfall und die schwache Wechselwirkung.
• Die Lebensdauer eines radioaktiven Kerns hängt stark von der Differenz zwischen den Spins der Anfangs- und Endkerne ab.

Um die Rate (Wahrscheinlichkeit) des radioaktiven Zerfalls zu charakterisieren, werden drei zusammenhängende Größen verwendet - die Zerfallskonstante λ, die mittlere Lebensdauer τ und die Halbwertszeit T 1/2.

Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Abklingkonstante λ ist die Wahrscheinlichkeit des Kernzerfalls pro Zeiteinheit. Wenn sich zum Zeitpunkt t N radioaktive Kerne in der Probe befinden, dann ist die Anzahl der Kerne dN, die in der Zeit dt zerfallen sind, proportional zu Nλ und dem Zeitintervall dt:

Das Zeichen „–“ bedeutet, dass durch den Zerfall die Zahl der radioaktiven Kerne in der Probe abnimmt.
Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls hat die Form:

N(t) = N 0 e −λt ,

wobei N 0 die Anzahl radioaktiver Kerne in der Probe zum Anfangszeitpunkt t = 0 ist, N(t) die Anzahl radioaktiver Kerne ist, nicht zerfallen in der Stichprobe zum Zeitpunkt t.
Durchschnittliche Lebensdauer τ:

.

Halbwertszeit T 1/2 ist die Zeit, in der sich die anfängliche Anzahl radioaktiver Kerne halbiert:

T1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2.

Quellaktivität

Die Quellenaktivität I ist die durchschnittliche Zahl der Zerfälle der Quellenkerne pro Zeiteinheit.

Die Einheit der Aktivität ist die Anzahl der in 1 s auftretenden Zerfälle in 1 g Radium, das im Gleichgewicht mit den Zerfallsprodukten steht. Diese Aktivitätseinheit wird "Curie" genannt und entspricht 3,7·10 10 Zerfällen pro Sekunde. Die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel, was 1 Zerfall pro Sekunde entspricht.

1 Curie = 3,7 10 10 Zerfälle pro Sekunde.
1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde.
1 Curie = 3,7 10 10 Becquerel.

Durch Messung der Quellenaktivität I(t) kann man die Zerfallskonstante λ bestimmen. Für Isotope mit kleinen Zerfallskonstanten und dementsprechend großen Halbwertszeiten wird die Beziehung (1.1) verwendet. Dabei ändert sich die Keimzahl N während der Messung praktisch nicht und kann massenspektrometrisch bestimmt werden. Für Isotope mit großen Zerfallskonstanten wird die Beziehung verwendet

Ich(t) = Ich 0 e −λt .

Bilden wir die Abhängigkeit der Quellaktivität I(t) von der Zeit t auf einer halblogarithmischen Skala ln I(t), so bestimmt der Neigungswinkel φ der Geraden zur t-Achse den Wert von λ.

Reis. 1.2. Graph des Zerfalls eines radioaktiven Medikaments auf einer halblogarithmischen Skala. Die durchgezogene Linie entspricht dem radioaktiven Zerfallsgesetz I(t) = I 0 e −λt .

Das Obige gilt für ein Isotop mit einem Zerfallskanal. Die Abhängigkeit der Aktivität von der Zeit kann durch die Summe zweier oder mehrerer Exponenten dargestellt werden, d.h.

(1.2)

Letzteres zeigt, dass die Quelle mehrere radioaktive Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten enthält. In diesem Fall erfolgt der Zerfall jedes der radioaktiven Elemente unabhängig voneinander.
Für den Fall, dass ein radioaktives Präparat zwei verschiedene radioaktive Isotope enthält, die nicht durch eine Kette aufeinanderfolgender Zerfälle miteinander verbunden sind

Wenn sich die Halbwertszeiten von Isotopen stark unterscheiden λ 1 >> λ 2 , und die anfängliche Anzahl radioaktiver Kerne jedes Isotops vergleichbar ist, dann gilt für kleine t die Beziehung

ln(−dI/dt) ≈ ln(N 1 λ 1).

Für große T

ln(−dI/dt) ≈ ln(N 2 λ 2).

Auf Abb. 1.3 zeigt im halblogarithmischen Maßstab den zeitlichen Verlauf der Aktivität einer Quelle, die aus zwei Komponenten mit unterschiedlichen Abklingkonstanten λ 1 und λ 2 besteht.

Abb.1.3. Zeitliche Änderung der durchschnittlichen Aktivität einer Quelle, die aus zwei Isotopen besteht, die nicht durch eine Kette aufeinanderfolgender Zerfälle miteinander verbunden sind. Die Tangenten der Steigungen φ 1 und φ 2 dieser Linien sind jeweils gleich den Abklingkonstanten λ 1 und λ 2 , d.h. tgφ 1 \u003d λ 1, tgφ 2 \u003d λ 2.

Beziehung (1.2) gilt nur, wenn die radioaktiven Isotope nicht genetisch verwandt sind. Oftmals ist auch der aus dem radioaktiven Zerfall des Kerns I resultierende Kern II radioaktiv und hat eine andere Zerfallskonstante λ 2 . In einigen Fällen führt eine solche sukzessive Umwandlung radioaktiver Kerne zur Bildung eine große Anzahl verschiedene radioaktive Isotope (Abb. 1.4). In diesem Fall wird die Abhängigkeit der Quellenaktivität von der Zeit komplexer.

Reis. 1.4. Eine Kette aufeinanderfolgender β - Zerfälle von Isobarenkernen A = 92.

Für zwei aufeinanderfolgende Zerfälle N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) wird die Änderung der Anzahl der Kerne N 1 (t) und der Anzahl der Kerne N 2 (t) durch das System von beschrieben Gleichungen

Die Anzahl der Kerne N 1 (t) nimmt aufgrund ihres Zerfalls ab. Die Anzahl der Kerne N 2 (t) nimmt aufgrund ihres Zerfalls ab und nimmt aufgrund des Zerfalls von N 1 -Kernen zu.
Im Fall von Anfangsbedingungen t = 0, N 1 (0) = N 10 , N 2 (0) = 0 hat die Lösung des Gleichungssystems (1.3) die Form

Wenn λ 1 > λ 2 , hat die Zerfallskurve die gleiche Form wie im Fall des unabhängigen Zerfalls zweier Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten. Wenn λ 1< λ 2 , кривая логарифма активности будет иметь максимум (рис. 1.5). Подъём на начальном участке обусловлен накоплением ядер N 2 . При große Zeiten(λ 1 t >> 1) wird der Beitrag des Exponenten mit λ 1 vernachlässigbar und es stellt sich ein radioaktives Gleichgewicht ein, in dem die Aktivitäten verglichen werden, und das Verhältnis zwischen den Zahlen N 1 und N 2 wird zeitunabhängig.

N. 1 / N. 2 \u003d λ 2 / λ 1.

Reis. 1.5. Die Abhängigkeit des Aktivitätslogarithmus von t für die Zerfallskette N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) at
λ1< λ 2 .

Zerfälle von 36Cl- und 212Bi-Isotopen mit mehreren Zerfallskanälen.

Das 36Cl-Isotop zerfällt über drei verschiedene Kanäle.

• β - Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 98,1 %
• β + -Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,9 %
• E-Capture mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,001 %

Das 212 Bi-Isotop zerfällt über zwei verschiedene Kanäle.

• β - -Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 64 %
• α-Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 36 %

Säkulares Gleichgewicht

Bei mehreren aufeinanderfolgenden Zerfällen

N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) → ...,

wenn die Halbwertszeit von N 1 -Kernen viel größer ist als die Halbwertszeit der verbleibenden Kerne

T 1/2 (N 1) >> T 1/2 (N 2), T 1/2 (N 3),...

die Anzahl der Kerne verschiedener Isotope sind durch das Verhältnis miteinander verbunden

N 1 (t) : N 2 (t) : N 3 (t) : ... = T 1/2 (N 1) : T 1/2 (N 2) : T 1/2 (N 3) : . ..

Dieser Zustand wird als säkulares Gleichgewicht bezeichnet.
Oft kann ein radioaktives Isotop mehrere unterschiedliche Zerfallskanäle haben, wie im Fall des Zerfalls des Isotops 36 Cl. Das 36Cl-Isotop zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 98,1 % durch β-Zerfall, mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,9 % durch β+-Zerfall, e-capture beträgt 0,001 %. In diesem Fall volle Wahrscheinlichkeit Zerfall λ ist die Summe der Zerfallswahrscheinlichkeiten über verschiedene Kanäle

λ = λ 1 + λ 2 + λ 3 .

Die relative Zerfallswahrscheinlichkeit ω i durch den Kanal i wird durch die Beziehung ω i = λ i /λ bestimmt.
Ändert sich die Anzahl der Isotopenkerne während der Messung wenig, so stehen die Quellenaktivität I und die partiellen Zerfallsintensitäten in den einzelnen Kanälen I 1 , I 2 und I 3 durch die Relation in Beziehung

Ich \u003d λN \u003d Ich 1 + Ich 2 + Ich 3 \u003d λ 1 N + λ 2 N + λ 3 N,

in diesem Fall die Beziehung

Ich 1: Ich 2: Ich 3 = λ 1: λ 2: λ 3 .

Wenn die Intensität des Isotops mit der Zeit abnimmt, wird die Zerfallsintensität entlang einzelner Kanäle I i durch die Beziehung beschrieben

ich ich (t) = λ ich N(t) = λ ich N(0)e −λt ,

diese. die Änderung der Zerfallsintensität entlang des Kanals i I i (t) wird durch den Wert von λ bestimmt. Der Wert T i = ln2/λ i wird als partielle Halbwertszeit bezeichnet.

Isotopenaktivierung

Aktivierung ist der Prozess der Gewinnung einer radioaktiven Substanz durch Bestrahlung stabiler Kerne mit Neutronen, Protonen und anderen Strahlungsarten. Die Zahl der aktivierten Kerne hängt von der Zahl der Atome im Target, der Bestrahlungszeit und dem Wirkungsquerschnitt der Kernreaktion ab, bei der das untersuchte Isotop gebildet wird.
Wirkungsquerschnitt σ eines Prozesses charakterisiert die Wahrscheinlichkeit der betrachteten Wechselwirkung eines Teilchens mit einem Kern und ist definiert als das Verhältnis der Anzahl von Ereignissen eines bestimmten Typs pro Zeiteinheit pro Zielkern zum Fluss einfallender Teilchen durch eine Einheit des Ziels Oberfläche. Wenn eine Materieschicht, die n c Kerne enthält, ν schneidet Teilchen / cm 2 s, dann ist die Anzahl der Wechselwirkungen m, die von ihnen pro Zeiteinheit verursacht werden, gleich

Der wirksame Querschnitt wird in Scheunen gemessen: 1 b \u003d 10 -24 cm 2.
Lassen Sie einen Strom von ν Teilchen/cm 2 s auf eine Probe fallen, die n Kerne enthält, und der Wirkungsquerschnitt für den Einfang einfallender Teilchen unter Bildung eines radioaktiven Kerns ist gleich σ. Dann wird in der Probe pro Sekunde νnσ radioaktiver Kerne gebildet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass einige der neu gebildeten Kerne während des Aktivierungsprozesses zerfallen. Während der Zeit dt werden νnσdt-Kerne gebildet und λNdt zerfällt, wobei N die Anzahl der bis zur Zeit t angesammelten aktivierten Kerne ist. Als Ergebnis wird die Änderung der Anzahl radioaktiver Kerne durch die Beziehung beschrieben

dN = νnσdt − λNdt, oder
dN/dt = νnσ − λN.

Für lange Aktivierungszeiten t > 1/λ das Wachstum der Zahl radioaktiver Kerne kommt praktisch zum Erliegen (dN/dt → 0). Dies geschieht, wenn sich herausstellt, dass die Anzahl der gebildeten radioaktiven Kerne praktisch gleich der Anzahl der zerfallenden ist, d.h. wenn die Anzahl der radioaktiven Kerne N(t) → N n = νnσ/λ.

Der Wert N n wird aufgerufen Sättigungsaktivierung .
Die Abhängigkeit der Aktivierung N(t) von der Bestrahlungszeit t hat die Form

N(t) = Nn (1 − e − λt).

Reis. 1.6. Zeitabhängigkeit der Probenaktivierung.

Die Abhängigkeit der Probenaktivierung von der Zeit ist in Abb. dargestellt. 1.6. In der Praxis wird die Sättigung in einer Bestrahlungszeit erreicht, die 4–5 Halbwertszeiten entspricht. Bei t<< T распадом можно пренебречь. В этом случае N(t) = νnσt, d.h. zu Beginn der Bestrahlung wächst die Zahl der radioaktiven Kerne linear mit der Zeit.
Neutronen werden häufig zur Herstellung radioaktiver Isotope verwendet, da für sie keine elektrostatischen Abstoßungskräfte vom Kern ausgehen. 1935 entdeckte Fermi, dass die induzierte Radioaktivität um ein Vielfaches ansteigt, wenn die Neutronenquelle und das bestrahlte Target von einer wasserstoffhaltigen Substanz wie Paraffin umgeben sind.
Wie sich herausstellte, liegt dies daran, dass Neutronen bei Stößen mit Protonen gleicher Masse schnell Energie verlieren und sich in einem Medium mit thermischen Geschwindigkeiten ausbreiten. Die Wahrscheinlichkeit des Einfangs thermischer Neutronen durch Atomkerne ist umgekehrt proportional zu ihrer Geschwindigkeit und erreicht seinen Maximalwert. Darüber hinaus bewegen sich thermische Neutronen, die eine große Anzahl von Kollisionen in Paraffin erfahren, zufällig und können das bestrahlte Ziel mehrmals kreuzen.
Wenn ein thermisches Neutron von einem Kern mit der Massenzahl A eingefangen wird, entsteht eine "Verbindung" - der Kern A + 1 in einem angeregten Zustand. Ein Energieüberschuss in Höhe der Neutronenbindungsenergie im A+1-Kern (5–8 MeV) kann in Form von γ-Quanten freigesetzt werden. Solche Reaktionen werden genannt Strahlungsaufnahme Neutron. Sie können allgemein dargestellt werden als

wobei B der Ausgangskern, C* und C der Produktkern im angeregten bzw. Grundzustand sind.

Strahlen radioaktiver Kerne

Zwei Hauptmethoden werden verwendet, um Strahlen radioaktiver Kerne zu erhalten. Diese beiden Methoden ergänzen sich und können je nach körperlicher Problematik eingesetzt werden.
Ein Vergleich der ISOL- und IN-FLIGHT-Methoden ist in Abb. 1 dargestellt. 1.7.

Reis. 1.7. Vergleich der Methoden zur Gewinnung und Trennung von Nebenträgern
ISOL und IN-FLIGHT.

Strahlen von radioaktiven neutronenreichen Kernen, die in einer Spaltungsreaktion gebildet werden, können auch unter Verwendung intensiver Neutronenquellen - Kernreaktoren - oder beschleunigter Deuteronen erhalten werden.

ISOL-Methode(ICH sotop S Trennung Ö N L ine).

Dieses Verfahren basiert auf der Bildung von Ionen mit thermischer Geschwindigkeit in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium; Extraktion, Trennung, Ionisation und deren anschließende Beschleunigung auf die für das Experiment erforderlichen Energien.
Durch Beschuss eines dicken Targets (Thick Production Target) mit einem beschleunigten Strahl werden darin radioaktive Kerne in einem weiten Bereich von Z und A gebildet, die in der Zielsubstanz verbleiben. Die resultierenden Kerne werden dann von dem Target entfernt. Nach der Extraktion aus dem Target werden die Ionen mit einem Massenseparator (Isotope Separator) getrennt und können in Präzisionsexperimenten mit niedrigen Energien (10–500 keV) verwendet oder in einem zweiten Beschleuniger beschleunigt werden. Somit verwendet das ISOL-Verfahren zwei Beschleunigersysteme. Einer zum Erhalten des Primärstrahls (Driver Accelerator) und zum Erzeugen von Sekundärteilchen in einem dicken Ziel, der zweite (Post Accelerator) zum Beschleunigen von Sekundärteilchen. Der zweite Beschleuniger liefert die für die physikalische Forschung notwendige Energie eines Strahls radioaktiver Kerne.
Das ISOL-Verfahren erzeugt hochintensive Sekundärteilchenstrahlen mit Energien bis zu 25 MeV/Nukleon. Die Zeit der Extraktion radioaktiver Kerne aus dem Target, in dem sie gebildet werden, und die Zeit ihres Transports zum sekundären Strahlbeschleuniger bestimmen den Bereich der Lebensdauern exotischer Kerne, die mit dieser Methode untersucht werden können.

In-Flight-Methode(Methode der Fragmentierung beschleunigter Ionen auf einem Target)

Das In-Flight-Verfahren ist optimal, um Sekundärstrahlen kurzlebiger Isotope mit einer Lebensdauer von 100 ns oder mehr zu erhalten.
Bei diesem Verfahren werden Strahlen radioaktiver Kerne bei peripheren Kollisionen eines schweren geladenen Teilchens mit einem leichten Zielkern und anschließender Trennung von dem erhalten Z Und A Fragmentierungsprodukte. Der Primärstrahl hat eine Energie von 50 MeV/Nukleon bis 1 GeV/Nukleon. Radioaktive Fragmente-Fragmente, die durch Kollisionen entstanden sind, fliegen hauptsächlich vorwärts in Richtung des einfallenden Teilchens mit Geschwindigkeiten von ~0,9-1,0 der Geschwindigkeit des einfallenden Teilchens. Dieses Verfahren verwendet dünne Targets, um radioaktive Strahlen zu erzeugen. Bei kurzlebigen Isotopen kann die Intensität der Sekundärstrahlen bei der In-Flight-Methode die Intensität der Strahlen bei der ISOL-Methode übersteigen.
Elektromagnetische Separatoren (Fragment Separator) werden verwendet, um Isotope zu trennen und bestimmte Isotope zu trennen. Teilchenstrahlen am Separatorausgang können entweder direkt im Experiment verwendet werden oder nach Abbremsen in einem gasförmigen Medium (Gas Ion-Stopper) in Einzelstrahlen nach Au Z zerlegt und wieder beschleunigt werden (Postbeschleuniger). Experimente mit beschleunigten radioaktiven Strahlen durchführen.

Methoden zur Registrierung radioaktiver Kerne

Fortschritte in der Erforschung der Radioaktivität sind weitgehend mit der Entwicklung von Verfahren zur Gewinnung und Detektion radioaktiver Kerne und radioaktiver Strahlung verbunden. Das Phänomen der Radioaktivität wurde durch die Einwirkung von Strahlung auf eine fotografische Platte entdeckt. Die Registrierung von Lichtblitzen beim Auftreffen von α-Teilchen auf einen mit Zinksulfid beschichteten Schirm bildete die Grundlage des Detektors, mit dem G. Geiger und E. Mardsen die Streuung von α-Teilchen an Goldatomen untersuchten.
Die Aussagekraft eines jeden Experiments wird durch die Fähigkeiten der darin verwendeten Detektoren bestimmt. Die Geschichte der Kern- und Teilchenphysik ist im Wesentlichen die Geschichte der Entwicklung immer neuer Methoden zum Nachweis von Teilchen und der Verbesserung alter Methoden. Die Schaffung neuer Methoden zum Nachweis von Partikeln wurde wiederholt mit Nobelpreisen ausgezeichnet.
Detektoren dienen sowohl der Registrierung von Teilchen als auch der Bestimmung ihrer Energie, ihres Impulses, ihrer Flugbahn und anderer Eigenschaften. Um Partikel zu registrieren, werden häufig Detektoren verwendet, die möglichst empfindlich auf die Registrierung eines bestimmten Partikels reagieren und den großen Hintergrund, der durch andere Partikel erzeugt wird, nicht fühlen.
Oft ist es in Experimenten notwendig, „notwendige“ Ereignisse vor einem gigantischen Hintergrund von „fremden“ Ereignissen herauszuheben, die milliardenfach größer sein können. Zu diesem Zweck werden häufig verschiedene Kombinationen von Zählern und Registrierungsmethoden verwendet, Koinzidenz- oder Antikoinzidenzschemata zwischen Ereignissen, die von verschiedenen Detektoren registriert werden, Auswahl von Ereignissen nach Amplitude und Signalform usw. andere Methoden, mit denen Sie zuverlässig isolieren können verschiedene Teilchen.
Eines der Prinzipien der Partikelregistrierung ist wie folgt. Ein geladenes Teilchen, das sich in einem neutralen Medium des Detektors (gasförmig, flüssig, fest, amorph oder kristallin) bewegt, bewirkt durch elektromagnetische Wechselwirkungen eine Ionisation und Anregung der Atome des Mediums. Somit erscheinen entlang des Bewegungspfades der Teilchen freie Ladungen (Elektronen und Ionen) und angeregte Atome. Befindet sich das Medium in einem elektrischen Feld, so entsteht darin ein elektrischer Strom, der in Form eines kurzen elektrischen Impulses festgehalten wird. Detektoren, die dieses Prinzip verwenden, werden genannt Ionisation.
Wenn die angeregten Atome in den Grundzustand zurückkehren, werden Photonen emittiert, die als optischer Blitz im sichtbaren oder ultravioletten Bereich registriert werden können. Dieses Prinzip wird in verwendet Szintillationsdetektoren .
Unter bestimmten Bedingungen kann die Flugbahn eines vorbeifliegenden geladenen Teilchens sichtbar gemacht werden. Dieses Verfahren wird in der sog. implementiert Spur Detektoren .
Gamma-Quanten werden auch durch geladene Sekundärteilchen - Elektronen und Positronen - nachgewiesen, die im Medium durch den photoelektrischen Effekt, den Compton-Effekt und die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren entstehen.
Aufgrund des extrem kleinen Wirkungsquerschnitts mit dem Medium (≈ 10 -20 barn) wird das aus der Reaktion resultierende Neutrino in den meisten Fällen überhaupt nicht vom Detektor nachgewiesen. Die Tatsache seines Auftretens kann jedoch festgestellt werden. Tatsache ist, dass ein Neutrino, das der direkten Beobachtung entgangen ist, eine bestimmte Energie, Impuls, Spin, Leptonladung mit sich führt. Der Mangel wird erkannt, indem alle anderen Teilchen registriert werden und die Gesetze der Energieerhaltung, des Impulses, des Drehimpulses, der elektrischen Ladung, der Leptonladung usw. verwendet werden. Eine solche Analyse ermöglicht es, nicht nur sicherzustellen, dass das Neutrino tatsächlich gebildet wurde, sondern auch bestimmen seine Energie und Richtung des Abgangs vom Reaktionspunkt.
Schnell zerfallende Atomkerne hat der Detektor "keine Zeit" zu fixieren. In diesem Fall werden sie von Zerfallsprodukten registriert.
Allgemeine Anforderungen an Detektionsgeräte reduzieren sich auf die Bestimmung der Teilchenart (Identifikation) und ihrer kinematischen Eigenschaften (Energie, Impuls etc.). Oft ist die Art des Teilchens im Voraus bekannt und die Aufgabe seiner Beobachtung wird vereinfacht. In vielen Experimenten werden komplexe Komplexe verwendet, die aus einer großen Anzahl von Detektoren verschiedener Typen bestehen. Solche Komplexe, die fast alle durch Wechselwirkung entstehenden Teilchen fixieren, geben ein ziemlich vollständiges Bild des untersuchten Phänomens.
Die Hauptmerkmale des Detektors sind:

• Effizienz − Wahrscheinlichkeit der Registrierung eines Teilchens beim Eintritt in den Detektor;
• vorläufige Auflösung − die Mindestzeit, während der der Detektor zwei Partikel als getrennt erkennt;
• Todeszeit oder Erholungszeit - die Zeit, während der der Detektor nach der Registrierung eines Partikels entweder vollständig die Fähigkeit verliert, das nächste Partikel zu erkennen, oder seine Eigenschaften erheblich verschlechtert;
• Energieauflösung − Genauigkeit der Teilchenenergiebestimmung;
• räumliche Auflösung − die Genauigkeit der Bestimmung der Teilchenkoordinate.

Der radioaktive Zerfall ist ein statistischer Prozess

Jeder radioaktive Kern kann jederzeit zerfallen. Die Gesetzmäßigkeiten des Zerfalls eines Atomkerns werden nur im Mittel beim Zerfall einer ausreichend großen Anzahl radioaktiver Kerne beobachtet.
Enthält eine radioaktive Quelle N radioaktive Kerne und ändert sich deren Anzahl während der Messzeit praktisch nicht, so wird die Wahrscheinlichkeit ω(n), dass n radioaktive Kerne in der Zeit t zerfallen, durch die Poisson-Verteilung beschrieben

Der Wert von Nλt charakterisiert die durchschnittliche Anzahl der über die Zeit t zerfallenen Teilchen und ist die durchschnittliche Anzahl der Messwerte , die sich bei wiederholten Messungen mit gleicher Messzeit t ergibt

Unter Verwendung der Größe kann die Poisson-Verteilung umgeschrieben werden als

ZU Wie Sie wissen, werden Isotope Atomsorten eines chemischen Elements genannt, deren Kerne die gleiche Anzahl von Protonen enthalten ( Z) und verschiedene Neutronen ( N). Summe A = Z + N- Massenzahl - dient als wichtigstes Merkmal eines Isotops. Das Phänomen der Isotopie wurde im Dezember 1913 von dem englischen Radiochemiker F. Soddy in radioaktiven Elementen am Ende des Periodensystems entdeckt. Dann wurde es in stabilen Elementen gefunden. Weitere Informationen zur Geschichte der Isotopie finden Sie unter Werke.

Natürliche radioaktive Isotope werden in drei "Familien" eingeteilt, deren Vorfahren das langlebige Thorium-232, Uran-238 und Uran-235 sind (ihre Halbwertszeiten werden in Milliarden von Jahren gemessen). Vervollständigt werden die "Familien" durch stabile Bleiisotope ( Z= 82) mit A= 208, 206 bzw. 207. Dazwischen liegen kurzlebige Isotope von Elementen mit Z= 81–92 verbunden durch "Ketten" A und B -zerfällt. Die Gesamtzahl der Mitglieder der "Familien" (ohne stabile Sorten von Bleiatomen) beträgt 41.

Mehr als 1600 künstliche Isotope wurden durch verschiedene Kernreaktionen im Bereich synthetisiert Z von 1 bis 112 (mehr als 20 für einige Elemente).

Unser Fokus liegt auf stabilen Isotopen. Das Hauptverdienst ihrer Entdeckung gehört dem englischen Physiker F. Aston. 1919 stellte er fest, dass das Edelgas Neon (Atomgewicht - 20,2) eine Mischung aus zwei Isotopen mit Atomgewichten von 20 und 22 ist. Der Wissenschaftler forschte anderthalb Jahrzehnte lang und entdeckte 210 stabile Isotope der meisten Elemente. Ein bedeutender Beitrag gehört dem amerikanischen Wissenschaftler A. Dempster - 37 Isotope. Auch andere Forscher waren an der Arbeit beteiligt, aber die meisten beschränkten sich darauf, ein oder zwei neue Atomarten zu bestimmen. Ein wichtiges Ereignis war die Entdeckung von Sauerstoffisotopen im Jahr 1929 A, gleich 17 und 18, von W. Giocom und G. Johnston (USA); Aston glaubte zuvor, dass nur 16 O existierte Das Vorhandensein von drei Isotopen im Sauerstoff beeinflusste die Wahl der Atomgewichtsskala. 1932 entdeckten G. Urey, F. Brickwedde und G. Murphy (USA) ein schweres Wasserstoffisotop - Deuterium mit A= 2. Die letzte Entdeckung (1949) war Vanadium-50.

Informationen zu stabilen Isotopen finden Sie in der Tabelle (siehe S. 2). Einige von ihnen sind mit einem Sternchen gekennzeichnet (Kalium-40, Vanadium-50, Rubidium-87, Indium-115, Antimon-123, Lanthan-138, Cer-142, Neodym-144, Samarium-147, Lutetium-176, Rhenium). - 187, Platin-190 und Blei-204): sie wurden gefunden (oder sind theoretisch möglich) B -Radioaktivität bzw A -Radioaktivität (Ce, Nd, Sm, Pt) mit sehr langen Zeiträumen (> 10 15 Jahre). Tatsächlich können sie jedoch als stabil angesehen werden. Die Tabelle enthält auch radioaktive Isotope von Thorium und Uran, die auf der Erde in ziemlich großen Mengen enthalten sind.

Eine solche Tabelle findet sich nur in wenigen Spezialmonographien. Die Analyse von Mustern, die mit stabilen Isotopen verbunden sind, ist Gegenstand einer speziellen Disziplin, die manchmal als Isotopenstatistik bezeichnet wird.

Die Tabelle enthält 282 stabile Isotope, deren Anzahl für verschiedene Elemente stark variiert. Eine einzige Art ist charakteristisch für 21 Elemente mit einer Ungerade Z(außer Beryllium mit Z= 4). Zwei Isotope haben jeweils 20 Elemente auch mit ungeraden Z(außer Helium mit Z= 2 und Kohlenstoff mit Z= 6). Die sechs Elemente – Sauerstoff, Neon, Magnesium, Silizium, Argon und Kalium – werden durch drei Isotope dargestellt, alle anderen Elemente durch gerade Z Es gibt 4 bis 10 Isotope. Cadmium und Tellur (jeweils 8 Isotope), Xenon (9) und Zinn (10) sind eigentümliche „Rekordhalter“. Es gibt keine Elemente in der Tabelle mit Z= 43 (Technetium) und Z= 61 (Promethium). Sie haben keine stabilen Isotope und werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt. Nicht in der Tabelle und Isotope mit A, gleich 5 und 8.

Die meisten Isotope (173) haben gerade A, und fast alle von ihnen enthalten gleichmäßige Mengen in den Atomkernen Z Und N. Isotope mit ungeraden A deutlich weniger (109). Für Elemente mit geradem Z es gibt nicht mehr als zwei Isotope mit ungeraden A(Ausnahme - Ar mit Z= 18 und Ce mit Z= 58, alle ihre Isotope haben gerade A).

Eine Reihe von Isotopen eines Elements mit einem bestimmten Wert Z(wenn es mehr als eine gibt) wird als "Plejade" bezeichnet. Die Häufigkeit einzelner Isotope in der "Plejade" ist unterschiedlich. Für "leichte" Vertreter des Periodensystems ( Z < 32) при четных Z Isotope mit niedrigeren Werten überwiegen A. Bei den nachfolgenden Elementen hingegen bevorzugt die Natur Isotope mit großen Werten A. Von zwei Isotopen mit ungeraden Z häufiger ist die mit A weniger.

Im Allgemeinen ist das Bild so. Für Elemente von Wasserstoff bis Nickel ( Z= 28) gibt es eine stark erhöhte Häufigkeit eines einzelnen Isotops. Für große Werte Z, obwohl sich der Gehalt an Isotopen in den "Plejaden" (manchmal ganz erheblich) unterscheidet, manifestiert sich der Faktor der absoluten "Führung" nicht mehr.

Die häufigsten Elemente in der Natur sind (Gew.-% der Erdkruste): Sauerstoff (47), Silizium (29,5), Aluminium (8,05), Eisen (4,65), Calcium (2,96), Natrium (2,5), Kalium (2,5) und Magnesium (1,87). Ihr Gesamtgehalt beträgt mehr als 99%. Daher beträgt der Anteil des Rests weniger als 1 %.

Von diesen "acht" werden Aluminium und Natrium durch die einzige Art von Atomen repräsentiert (27 Al und 23 Na); in anderen hat eines der Isotope einen stark vorherrschenden Gehalt (16 O, 28 Si, 56 Fe, 40 Ca, 39 K, 24 Mg). Die aufgeführten Isotope sind also das Material, aus dem eigentlich das gesamte „Erdhimmel“ aufgebaut ist. Die Haupt-„Bestandteile“ der Atmosphäre sind 14 N und 16 O. Schließlich besteht der Wasserraum aus Kombinationen des gleichen Sauerstoffisotops mit einem leichten Wasserstoffisotop (1 H). Wasserstoff, Sauerstoff sind zusammen mit Kohlenstoff und Stickstoff in allen pflanzlichen und tierischen Organismen enthalten und werden daher in eine besondere Gruppe von Elementen eingeteilt - Organogene.

So stellt sich heraus, dass nur zehn stabile Isotope die unendliche Vielfalt der anorganischen und organischen Natur entscheidend bestimmen.

PWarum besteht fast die Hälfte der auf der Erde existierenden Elemente nur aus einer oder zwei Arten von Atomen? Warum unterscheiden sich die Gehalte einzelner Isotope in den „Plejaden“ in der Regel stark? Warum schließlich bevorzugt die Natur Sorten von Atomen mit geraden Werten Z? Die Liste solcher Fragen lässt sich leicht fortsetzen. Antworten darauf gibt die theoretische Kernphysik mit unterschiedlichem Vollständigkeitsgrad. Natürlich ist es im Rahmen dieses Artikels auch in unmöglich allgemein gesagt geben ihr Wesen an. Wir beschränken uns in diesem Zusammenhang auf die Betrachtung nur einer, aber sehr wichtigen Regelmäßigkeit, die die „Statistik“ stabiler Isotope maßgeblich bestimmt.

In der Kernphysik gibt es ein Konzept "Isobaren"- Sorten von Atomen mit dem gleichen A, aber anders Z Und N. 1934 formulierte der deutsche Wissenschaftler J. Mattauh die Regel: Wenn sich zwei Isobaren in den Z-Werten um 1 unterscheiden, muss eine von ihnen instabil sein. Beispielsweise ist in einem Isobarenpaar 40 Ar–40 K letzteres radioaktiv. Diese Regel ermöglicht es, bestimmte Merkmale der "Isotopenstatistik" zu verdeutlichen.

Warum Elemente mit Z= 43 und 61 keine stabilen Isotope? Im Prinzip könnten sie eine oder zwei stabile Atomarten haben. Die an Technetium und Promethium angrenzenden Elemente (Molybdän und Ruthenium bzw. Neodym und Samarium) sind jedoch in der Natur durch eine große Anzahl von Isotopen in einem weiten Bereich vertreten A. Nach der Isobarenregel die wahrscheinlichen Werte A Für Z= 43 und 61 sind "verboten". Als Isotope von Technetium und Promethium synthetisiert wurden, stellte sich heraus, dass die meisten von ihnen durch eine geringe Lebenserwartung gekennzeichnet sind.

Die in der Tabelle mit einem Sternchen markierten Isotope sind Isobarenpaare mit Isotopen benachbarter Elemente (z. B. 87 Pb mit 87 Sr, 115 In mit 115 Sn usw.), aber sie sind in sehr geringem Maße radioaktiv.

Zu Beginn der evolutionären Entwicklung der Erde unterschied sich die Fülle an Isotopen verschiedener Elemente von modernen. Viele radioaktive Isotope mit relativ langen Halbwertszeiten waren ebenfalls vorhanden. Allmählich verwandelten sie sich in stabile Isotope anderer Elemente, wodurch sich ihr Gehalt in den "Plejaden" änderte. Nur das „primäre“ Thorium-232, Uran-238 und Uran-235 haben überlebt, aber ihre terrestrischen Ressourcen sind über Milliarden von Jahren zurückgegangen. Wenn sie nicht so langlebig wären, gäbe es jetzt keine "sekundären" Elemente, deren Isotope die radioaktiven "Familien" bilden. In diesem Fall wäre die natürliche Obergrenze des Periodensystems Wismut mit Z = 83.

Die Isobarenregel spielte also eine Art „sortierende“ Rolle. Es "siebte" Atomsorten mit kurzer Lebensdauer aus, veränderte die anfängliche isotopische Zusammensetzung der Elemente und trug schließlich zur endgültigen Bildung des Bildes der "Welt der stabilen Isotope" bei, das in der Tabelle dargestellt ist.

Seit der Schaffung der chemischen Atomistik durch J. Dalton war das Atomgewicht (Masse) lange Zeit das einzige grundlegende quantitative Merkmal eines Elements. Seine Bestimmung für viele Elemente erforderte sorgfältige experimentelle Studien und hing von der Wahl eines bestimmten "Referenzpunkts" ab - der Atomgewichtsskala (Sauerstoff O = 16 oder Wasserstoff H = 1). 1864 ordnete der englische Chemiker J. Newlands erstmals die damals bekannten Elemente nach zunehmendem Atomgewicht. Diese natürliche Abfolge trug wesentlich zur Entdeckung des Periodengesetzes und zur Entwicklung der Struktur des Periodensystems bei.

In drei Fällen wurde jedoch die Erhöhung der Atomgewichte verletzt: Kobalt war schwerer als Nickel, Tellur - Jod, Argon - Kalium. Solche "Anomalien", wie einige Forscher glaubten, untergruben die Grundlagen des periodischen Gesetzes. D. I. Mendeleev selbst maß diesen "Anomalien" keine ernsthafte Bedeutung bei und glaubte, dass sie früher oder später eine Erklärung erhalten würden. Dies ist in der Realität passiert. Wenn es jedoch nicht drei „Anomalien“, sondern mehr gäbe, wäre die Aussage über das Phänomen einer periodischen Änderung der Eigenschaften von Elementen nicht so offensichtlich. Aber Tatsache ist, dass die Natur ihre Anzahl begrenzt hat.

Ar = 1/100( aA 1 + bA 2 + ca 3 ...),

Wo A, B, Mit- Gehalt (in %) in der "Pleiade" von Isotopen mit Massenzahlen A 1 , A 2 , A 3 ... bzw. Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist das Isotop mit A= 40, während Kalium ein helleres s hat A= 39. Dasselbe Bild wird für andere „anomale Paare“ beobachtet ( A= 59 für Kobalt und A= 58 für Nickel; A= 130 für Tellur und A= 127 für Jod). Aus diesem Grund fallen die Atommassen der paarweise vorangehenden Elemente größer aus als die der nachfolgenden.

Tisch

Massenzahlen stabiler Isotope und ihre relative Häufigkeit

Notiz. Elemente ohne Isotope sind fett hervorgehoben, ebenso wie das häufigste Isotop in der "Plejade".

IN 1911–1914 das kernelektronische Modell des Atoms von E. Rutherford - N. Bohr wurde entwickelt und es wurde von A. Van den Broek und G. Moseley bewiesen, dass die Ordnungszahl eines Elements im Periodensystem numerisch gleich der Ladung von ist der Kern seines Atoms. Als Ergebnis wurde deutlich, dass eine Reihe von chemischen Elementen, angeordnet in aufsteigender Reihenfolge ihrer Atomgewichte, nahezu perfekt (mit Ausnahme von "Anomalien") mit der Sequenz von Elementen übereinstimmten, die einer monotonen Zunahme entspricht Z.

Der Grund für diese verblüffende Koinzidenz liegt in der „festen“ Isotopenzusammensetzung der auf der Erde vorkommenden Elemente. Wir haben bereits festgestellt, dass diese Zusammensetzung zu Beginn ihrer Entwicklung anders war. Es konnte sich jedoch nicht stark von der modernen unterscheiden. Daher war die ursprüngliche Fülle stabiler Isotope das Ergebnis von Prozessen, die mit grundlegenden Ereignissen im Bereich der astrophysikalischen Konzepte verbunden sind. Genauer gesagt mit dem Problem der Herkunft der Elemente.

Zurück in den 1920er Jahren. Es wurden Ideen geäußert, dass die Bildung von Elementen in der Atmosphäre von Sternen unter Bedingungen sehr hoher Temperaturen und Drücke stattfindet. Später begannen sie sich zu entwickeln allgemeine Theorien die Herkunft der Elemente. Einer von ihnen, der 1948 von R. Alfer, G. Bethe und G. Gamow vorgeschlagen wurde, ging davon aus, dass die Synthese von Elementen als Ergebnis der "Explosion" eines Neutronensterns erfolgte. Die freigesetzten Neutronen zerfielen in Protonen und Elektronen. Protonen und Elektronen wurden zu komplexeren Systemen gruppiert - Atome verschiedener Elemente. Nach Ansicht der Autoren der Theorie, durch sukzessives Einfangen von Neutronen und B - - Zerfall der gebildeten Atome führte zu einer großen Anzahl radioaktiver und stabiler Isotope, einschließlich derer, die jetzt auf der Erde existieren. Außerdem wurde der gesamte Syntheseprozess in 15 min (!) durchgeführt. Diese elegante Theorie erwies sich jedoch als unhaltbar. Also Isotope A= 5 und 8 (sind übrigens nicht in der Tabelle enthalten) sind so instabil, dass sie zerfallen, bevor ihre Kerne Zeit haben, das nächste Neutron einzufangen.

Derzeit ist bewiesen, dass die Synthese von Elementen in Sternen ständig und in verschiedenen Stadien ihrer Entwicklung stattfindet. Bestimmte Sätze von Isotopen werden aufgrund verschiedener gebildet Kernreaktionen. Der kosmische Elementreichtum, der sich deutlich von dem irdischen unterscheidet, ist ziemlich befriedigend erklärt. Somit dominieren im Weltraum Wasserstoff und Helium. Allerdings, wenn Sie zunehmen Z dieser Unterschied wird weniger ausgeprägt.

Das „Skelett“ der modernen Isotopenzusammensetzung der Elemente auf der Erde wurde vor vielen Milliarden Jahren gebaut, und seine „Fertigstellung“ ist bereits mit den Prozessen verbunden, die sich in der Geschichte unseres Planeten abgespielt haben.

Lassen Sie uns abschließend auf eine wichtige terminologische "Nuance" achten. Das eigentliche Konzept des „Isotops“ ist legitim, wenn es um Atomarten mit bestimmten Werten geht Z. Wenn jedoch Arten mit ungleichen verglichen werden Z, dann ist in diesem Fall die Verwendung des Namens "Isotop" nicht gerechtfertigt (schließlich werden die Atomsorten verglichen, die sich in verschiedenen Zellen des Periodensystems befinden).

Inzwischen hat sich der Begriff "Nuklid", eingeführt vom amerikanischen Physiker T. Koman im Jahr 1947, verbreitet: "Ein Atomtyp, der durch die Zusammensetzung seines Kerns, insbesondere durch die Anzahl der darin enthaltenen Protonen und Neutronen, gekennzeichnet ist." In obiger Tabelle könnte daher das Wort „Isotope“ durch „Nuklide“ ersetzt werden. Diese Ersetzung würde jedoch in keiner Weise alle nachfolgenden Überlegungen beeinflussen.

Verweise

1. Aston F. Massenspektren und Isotope. M.: Izd-vo inostr. Literatur, 1948.
2. Vyaltsev A. N., Krivomazov A. N., Trifonov D. N.. Die Verschiebungsregel und das Phänomen der Isotopie. Moskau: Atomizdat, 1976.
3. Trifonov D.N., Krivomazov A.N., Lisnevsky Yu.I. Chemische Elemente und Nuklide. Discovery-Besonderheiten. Moskau: Atomizdat, 1980.
4. Trifonov D.N. Periodensystem der Elemente. Geschichte in Tabellen. M.: MP VHO im. D. I. Mendeleeva, 1992, p. 46.
5.Voronzowa E.R.. Atomares Gewicht. Geschichte der Entwicklung experimenteller Methoden. Moskau: Nauka, 1984.
6. Lisnevsky Yu.I. Atomgewichte und die Entstehung der Kernphysik. Moskau: Nauka, 1984.
7. Rankama K. Isotope in der Geologie. M.: Izd-vo inostr. Literatur, 1956.
8. Gaysinsky M.N.. Kernchemie und ihre Anwendungen. M.: Izd-vo inostr. Literatur, 1962.
9. Trifonov D. N.. "Anomale" Geschichte. Chemie, 1996, Nr. 26, 28.

DN TRIFONOV

Betrachten Sie die Ergebnisse von Experimenten zur Messung der Masse positiver Ionen. Auf Abb. 352 ist ein Neon-Positiv-Ionen-Massenspektrogramm. Auf dem Spektrogramm sind drei Banden unterschiedlicher Intensität deutlich zu erkennen. Wenn wir die Abstände von den Streifen zum Schlitz vergleichen, können wir berechnen, dass die Streifen den Werten entsprechen, die in den Verhältnissen stehen.

Das Auftreten von drei Streifen lässt sich nicht durch die unterschiedliche Ladung der Ionen erklären. Ein Neon-Ion kann eine Ladung tragen, die wenige Elementareinheiten nicht überschreitet. Das Ladungsverhältnis kann sein, aber nicht . Es bleibt zu akzeptieren, dass die Streifen auf Ionen zurückzuführen sind, die die gleiche Ladung tragen, aber unterschiedliche Massen bezogen auf haben. Die Atommasse von Neon beträgt 20,2. Daher ist der Durchschnittswert der Neon-Atommasse . Die Massen der Ionen, die die Streifen verursacht haben, sind gleich . Wir kommen zu dem Schluss, dass das Element Neon eine Mischung aus Atomen dreier Arten ist, die sich in ihrer Masse voneinander unterscheiden. Durch Vergleich der Intensität der Schwärzung der Linien im Massenspektrogramm kann man die relativen Mengen verschiedener Atome in natürlichem Neon finden. Die Anzahl der Neon-Atome mit den Massen 20, 21 und 22 stehen in Beziehung zu .

Reis. 352. Massenspektrogramm von Neon

Berechnen Sie die durchschnittliche Masse des Neonatoms:

Die erfahrungsgemäß gefundene Übereinstimmung mit der Atommasse von Neon bestätigt die Vorstellung, dass das Element Neon eine Mischung aus drei Arten von Atomen ist. Es ist wichtig zu beachten, dass der Anteil der Atome mit den Massen 20, 21 und 22 in Proben von Neon unterschiedlicher Herkunft (atmosphärisches Neon, Neon aus Felsen usw.). Dieser Anteil ändert sich während gewöhnlicher physikalischer und chemischer Prozesse nicht oder nur sehr geringfügig: Verflüssigung, Verdunstung, Diffusion usw. Dies beweist, dass die drei Neonarten in ihren Eigenschaften nahezu identisch sind.

Atome desselben Elements, die sich nur in der Masse unterscheiden, werden Isotope genannt. Alle Isotope desselben Elements sind chemisch identisch und in ihren physikalischen Eigenschaften sehr ähnlich.

Das Vorhandensein von Isotopen ist nicht nur ein Merkmal von Neon. Die meisten Elemente sind Mischungen aus zwei oder mehr Isotopen. Beispiele für die Isotopenzusammensetzung sind in der Tabelle angegeben. elf.

Tabelle 11. Isotopenzusammensetzung einiger Elemente

	Atommasse (gerundet)
		Masse gerundet
Sauerstoff

Wie aus Tabelle ersichtlich. In 11 werden die Massen der Isotope aller Elemente als eine ganze Zahl von atomaren Masseneinheiten ausgedrückt. Wir werden die Bedeutung dieser wichtigen Regelmäßigkeit in § 225 klären. Genaue Messungen zeigen, dass die Regel der ganzzahligen Massen von Isotopen ungefähr ist. Die Isotopenmassen zeigen in der Regel kleine Abweichungen von ganzen Zahlen (in der zweiten - vierten Dezimalstelle). Bei einigen Problemen spielen diese kleinen Abweichungen von ganzen Zahlen eine große Rolle (siehe zB §226).

Für viele Zwecke kann jedoch der auf die nächste ganze Zahl atomare Masseneinheiten gerundete Massenwert verwendet werden. Die auf die nächste ganze Zahl gerundete Masse eines Isotops in (Atommasse) nennt man Massenzahl.

Oben haben wir die Konstanz der Isotopenzusammensetzung von Neon und die fast vollständige Übereinstimmung der meisten Eigenschaften seiner Isotope festgestellt. Diese Bestimmungen gelten auch für alle anderen Elemente, die Isotope haben.

Zur Bezeichnung von Isotopen wird das chemische Symbol des entsprechenden Elements mit einem Vorzeichen versehen, das die Massenzahl des Isotops angibt. Also zum Beispiel - ein Sauerstoffisotop mit einer Massenzahl von 17, - ein Chlorisotop mit einer Massenzahl von 37 usw. Manchmal wird auch die Ordnungszahl des Elements im Periodensystem von Mendelejew unten angegeben usw.