Изотопы. Строение химических элементов.

Изотопы

Что такое изотопы?

2500 лет назад Демокрит сказал, что все тела состоят из неделимых частиц-атомов.

Однако в 20 веке исследования показали, что атомы вовсе не так просты. Они имеют сложное строение. Если рассматривать наиболее схематично, то атомы похожи на планетарные системы. С ядром-солнцем и электронами- планетами, вращающимися по орбитам вокруг ядра.

В дальнейшем и само ядро оказалось сложного строения- состоящим из нейтронов и протонов.

Атом выглядит так

• Протоны являются положительно заряженными частицам с массой в 1 а.е.м.
• Однако их масс не хватало до реально измеренных масс атомов. Поэтому велся поиск еще одной, нейтральной частицы, масса которой была бы близка к 1 а.е.м.

• В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра.

В 1886 У.  Крукс , изу­чая ред­ко­зе­мель­ные эле­мен­ты, впер­вые вы­ска­зал идею о том, что один и тот же хи­мический эле­мент мо­жет со­сто­ять из не­сколь­ких раз­но­вид­но­стей ато­мов, имею­щих различные атом­ные мас­сы.

Экс­пе­риментальные дан­ные о су­ще­ст­во­вании изотопов бы­ли по­лу­че­ны в 1906–10 при изу­че­нии свойств ра­дио­ак­тив­ных эле­мен­тов. Тер­мин «ИЗОТОПЫ» пред­ло­жен Ф.  Сод­ди  в 1910.

Дж. Дж. Том­сон (см.  Том­сон ) в 1911 до­ка­зал су­ще­ст­во­ва­ние изотопов в экс­пе­ри­мен­тах с ка­тод­ны­ми лу­ча­ми.

• ИЗОТОПЫ – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу.

• Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов:

• isos – одинаковый и topos – место.

• Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.

• В природе, в естественном виде существует три изотопа водорода.
• протий – легкий водород, тяжелый дейтерий и сверхтяжелый тритий.

Изотопы водорода

Легкий водород

• Это наиболее просто устроенный атом. Изотоп водорода протий с атомной массой 1,0078 а. е. м. обладает ядром, в состав которого входит только одна частица – протон. Поскольку он стабилен (теоретически время жизни протона оценивается не менее чем в 2,9×1029 лет), то стабилен и атом протия.

• Вообще, протий (точнее сказать, протон как один из главных компонентов Вселенной) смело можно назвать важнейшим элементом.
• Он обеспечивает возможность термоядерного синтеза в недрах звезд, в том числе и Солнца, и за счет него образуются прочие элементы.
• Кроме того, легкий водород играет важную роль в построении и функционировании живого вещества.

Дейтерий

• Тяжелый изотоп водорода имеет более сложно устроенное ядро, состоящее из протона и нейтрона.
• Соответственно атомная масса дейтерия вдвое больше – 2,0141. Принятое обозначение –D.
• Эта изотопная форма также стабильна, так как в процессах сильного взаимодействия в ядре протон и нейтрон постоянно превращаются друг в друга, и последний не успевает претерпеть распад.

• На Земле водород содержит от 0,011% до 0,016% дейтерия. Концентрация его различна в зависимости от среды: в морской воде этого изотопа больше, а в составе, например, природного газа – существенно меньше.
• На других телах Солнечной системы отношение дейтерия к легкому водороду может быть иным: так, лед некоторых комет содержит большее количество тяжелого изотопа

Тритий

• Сверхтяжелый изотоп водорода, в ядре которого наличествуют протон и два нейтрона, имеет атомную массу 3,016 – примерно втрое больше, чем у протия. Тритий обозначается символом Т .

Тритий

• Это радиоактивный нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года.
• Образуется он при бомбардировке ядер атмосферных газов, например, азота, частицами космических лучей.
• Распад изотопа происходит с испусканием электрона (так называемый бета-распад), при этом один нейтрон в ядре претерпевает превращение в протон, а химический элемент повышает атомный номер на единицу, становясь гелием-3.
• В природе тритий присутствует в следовых количествах – его очень мало.

• Не только водород, но и большинство элементов таблицы Менделеева имеют изотопы. В подавляющем большинстве случаев вещества, различающиеся только изотопным составом, обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами.

• Условно различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы.
• Стабильными называют изотопы, время жизни которых много больше возраста Земли.
• Число стабильных изотопов у химических элементов с чётным Z(зарядовым числом) может достигать 10 (напр., у Sn). Элементы с нечётным Z имеют не более двух стабильных изотопов.
• Для всех химических элементов искусственно получены радиоактивные изотопы.

• На 2017 год было известно 3437 изотопов всех элементов, из них 252 изотопа стабильны.

Применение изотопов

• В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: технике, медицине, сельском хозяйстве, средствах связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов.

Медицина

• Изотопы, в первую очередь радиоактивные, широко применяются в современной медицинской практике.
• В изотопной диагностике в мире и в России все большее значение имеет позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).

• Развитие получают и терапевтические методы на основе радиоактивных изотопов, например, лучевая терапия открытыми источниками радионуклидов, особенно эффективная при борьбе со злокачественными лимфомами, раком щитовидной железы и др.

В промышленности

• Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах, как способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания и т. д.

• Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

В сельском хозяйстве

• Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности.

•   Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что является пугающим и непривычным для людей.
• Посмотрите фотографии мутаций у растений после Фукусимы.

• Однако в отдельных случаях облучение растений приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция).

Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков.

• Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике.
• Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором 32 P.
• Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

В археологии и геологии.

• Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования.

Иллюстрации:

• https://clck.ru/eSTYw
• https://clck.ru/eSTYk
• https://gifer.com/ru/7RwC
• https://clck.ru/eSTrc
• https://clck.ru/eSTvf
• https://clck.ru/eSU4K
• https://clck.ru/eSU7Q
• https://clck.ru/eSUSV

• https://clck.ru/eSUae
• https://clck.ru/eSUcU
• https://clck.ru/eSUnb
• https://clck.ru/eSUpe
• https://clck.ru/eSUqU
• https://clck.ru/eSUss
• https://clck.ru/eSUvz
• https://clck.ru/eSUxV
• https://clck.ru/eSV3q
• https://clck.ru/eSV5q
• https://clck.ru/ecPDX
• https://clck.ru/ecPG7

Использованные ресурсы:

• https://clck.ru/eSTmr
• https://bigenc.ru/physics/text/2003234
• https://clck.ru/NE76B