Определите число нейтронов в атомах следующих нуклидов 41 19 k: ГДЗ Химия 11 класc Рудзитис Г.Е. Фельдман Ф.Г. §1 Химический элемент. Нуклиды. Изотопы РЕШЕБНИК ОТВЕТЫ » Крутые решение для вас от GDZ.cool

1. производство ¹⁷ O из ¹⁴ N путем бомбардировки α-частицами
2. производство ¹⁴ C из ¹⁴ N нейтронной бомбардировкой
3. производство ²³³ Th из ²³² Th методом нейтронной бомбардировки
4. производство ²³⁹ U из ²³⁸ U путем бомбардировки [латексом]{}_{1}^{2}\text{H}[/latex]

Компоненты ядра

Это «Компоненты ядра», раздел 20.1 из книги «Основы общей химии» (т. 1.0). Для получения подробной информации об этом (включая лицензирование) нажмите здесь.

Для получения дополнительной информации об источнике этой книги или о том, почему она доступна бесплатно, посетите домашнюю страницу проекта. Там вы можете просматривать или скачивать дополнительные книги. Чтобы загрузить ZIP-файл с этой книгой для использования в автономном режиме, просто нажмите здесь.

Помогла ли вам эта книга? Рассмотрите возможность передачи:

Помощь Creative Commons

Creative Commons поддерживает свободную культуру от музыки до образования. Их лицензии помогли сделать эту книгу доступной для вас.

Помогите государственной школе

DonorsChoose.org помогает таким людям, как вы, помогать учителям финансировать их школьные проекты, от художественных принадлежностей до книг и калькуляторов.

20.1 Компоненты ядра

Цель обучения

1. Понять факторы, влияющие на ядерную стабильность.

Хотя большинство известных элементов имеют по крайней мере один изотоп, атомное ядро ​​которого бесконечно стабильно, все элементы имеют изотопы, которые нестабильны и распадаются, или распадаются с измеримой скоростью, испуская излучение. Некоторые элементы не имеют стабильных изотопов и в конечном итоге распадаются на другие элементы. В отличие от химических реакций, которым уделялось основное внимание в предыдущих главах и которые происходят из-за изменений в расположении валентных электронов атомов, процесс ядерного распада приводит к изменениям внутри атомного ядра. Мы начнем обсуждение ядерных реакций с рассмотрения соглашений, используемых для описания компонентов ядра.

Атомное ядро ​​

Как вы узнали из главы 1 «Введение в химию», каждый элемент может быть представлен обозначением XZA, где A , массовое число, представляет собой сумму числа протонов и числа нейтронов, а Z , атомный номер, это число протонов. Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра атома, называются нуклонами Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра атома, а атом с определенным числом протонов и нейтронов называется нуклидомАтом с определенным числом нуклонов .. Нуклиды с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопов . Изотопы также могут быть представлены альтернативным обозначением, в котором используется название элемента, за которым следует массовое число, например, углерод-12. Стабильные изотопы кислорода, например, могут быть представлены любым из следующих способов:

XZA:O816O817O818XA:O16O17O18элемент-A:кислород-16кислород-17кислород-18

Поскольку число нейтронов равно A − Z , мы видим, что первый изотоп кислорода имеет 8 нейтронов, второй изотоп 9нейтронов, а третий изотоп 10 нейтронов. Изотопы всех встречающихся в природе элементов на Земле присутствуют в почти фиксированных пропорциях, причем каждая пропорция составляет естественное содержание изотопа . Например, в типичном земном образце кислорода 99,76% атомов O составляют кислород-16, 0,20% — кислород-18 и 0,04% — кислород-17.

Любое ядро, которое нестабильно и самопроизвольно распадается, называется радиоактивным. Любое ядро, которое нестабильно и самопроизвольно распадается, испуская частицы и электромагнитное излучение, испуская субатомные частицы и электромагнитное излучение. Выбросы в совокупности называются радиоактивность и может быть измерена. Изотопы, испускающие излучение, называются радиоизотопами. Изотоп, излучающий излучение. Как вы узнали из главы 14 «Химическая кинетика», скорость, с которой происходит радиоактивный распад, является характеристикой изотопа и обычно указывается как период полураспада ( т _1/2 ), количество времени, необходимое для того, чтобы половина исходного числа присутствующих ядер распалась в реакции первого порядка. (Для получения дополнительной информации о периоде полураспада см. главу 14 «Химическая кинетика», раздел 14.5 «Период полураспада и кинетика радиоактивного распада».) Период полураспада изотопа может варьироваться от долей секунды до миллиардов лет и, среди прочего, приложения, могут быть использованы для измерения возраста древних объектов. В примере 1 и соответствующем упражнении рассматриваются расчеты скорости радиоактивного распада и периода полураспада.

Пример 1

Пещера Форт-Рок в Орегоне — это место, где археологи обнаружили несколько индейских сандалий, самых старых из когда-либо найденных в Орегоне. Анализ содержания ¹⁴ C в полыни, используемой для изготовления сандалий, дал среднюю скорость распада 5,1 распада в минуту (dpm) на грамм углерода. Текущее соотношение ¹⁴ C/ ¹² C в живых организмах составляет 1,3 × 10 ⁻¹² , при скорости распада 15 dpm/г C. Как давно была срезана полынь в сандалиях? Период полураспада ¹⁴ C 5730 лет.

Дано: радиоизотоп, ток ¹⁴ C/ ¹² Отношение C, начальная скорость распада, конечная скорость распада и период полураспада

Запрошено: возраст

Стратегия:

A Используйте уравнение 14.30 для расчета N ₀ / N , отношения количества атомов ¹⁴ C, изначально присутствующих в образце, к количеству атомов, присутствующих сейчас.

B Подставьте значение периода полураспада ¹⁴ C в уравнение 14. 28, чтобы получить константу скорости реакции.

C Подставьте рассчитанные значения для N ₀ / N и константу скорости в уравнение 14.32, чтобы получить прошедшее время t .

Решение:

Мы можем использовать интегральный закон скорости для ядерной реакции первого порядка (уравнение 14.32), чтобы вычислить количество времени, которое прошло с тех пор, как полынь была срезана для изготовления сандалий:

ln NN0=−kt

A Из уравнения 14.30 мы знаем, что A = кН . We can therefore use the initial and final activities ( A ₀ = 15 and A = 5.1) to calculate N ₀ / N :

A0A=kN0kN=N0N=155.1

B Теперь мы можем рассчитать константу скорости k из периода полураспада реакции (5730 лет) с помощью уравнения 14. 28:

t1/2=0,693k

Преобразование этого уравнения для решения для k ,

k=0,693t1/2=0,6935730 год=1,21×10-4год-1

C

t=ln(N0/N)k=ln(15/5.1)1,21×10-4 лет-1=8900 лет

Таким образом, полыни в сандалиях около 8900 лет.

Упражнение

Пытаясь найти подходящий способ защитить свою собственную погребальную камеру, древнеегипетский фараон Сноферу разработал пирамиду, погребальное сооружение, которое защищало пустынные могилы от воров и ветра. Анализ ¹⁴ Содержание C в нескольких предметах в пирамидах, построенных во время его правления, дало среднюю скорость распада 8,6 dpm/g C. Когда были созданы предметы в камере?

Ответ: около 4600 лет назад или около 2600 г. до н.э.

Ядерная стабильность

число протонов и нейтронов, характерное для данного изотопа. Электростатическое отталкивание обычно заставляет положительно заряженные протоны отталкивать друг друга, но ядро ​​не разлетается из-за сильного ядерного взаимодействия. Чрезвычайно мощной, но очень короткодействующей силы притяжения между нуклонами, которая удерживает ядро ​​атома от разлета (из-за к электростатическому отталкиванию между протонами), чрезвычайно мощная, но очень короткодействующая сила притяжения между нуклонами (рис. 20.1 «Конкурирующие взаимодействия внутри атомного ядра»). Все стабильные ядра, кроме ядра водорода-1 ( ¹ H) содержат по крайней мере один нейтрон для преодоления электростатического отталкивания между протонами. По мере увеличения числа протонов в ядре число нейтронов, необходимых для стабильного ядра, увеличивается еще быстрее. Слишком много протонов (или слишком мало нейтронов) в ядре приводит к дисбалансу сил, что приводит к ядерной нестабильности.

Рис. 20.1 Конкурирующие взаимодействия внутри атомного ядра

Электростатическое отталкивание между положительно заряженными протонами обычно заставляет ядра атомов (кроме H) разлетаться на части. В стабильных атомных ядрах это отталкивание преодолевается сильным ядерным взаимодействием, короткодействующим, но мощным притягивающим взаимодействием между нуклонами. Если взаимодействия притяжения из-за сильного ядерного взаимодействия слабее, чем электростатическое отталкивание между протонами, ядро ​​неустойчиво и в конце концов распадется.

Взаимосвязь между числом протонов и числом нейтронов в стабильных ядрах, условно определенных как имеющие период полураспада, более чем в 10 раз превышающий возраст Земли, графически показана на рисунке 20.2 «Взаимосвязь между ядерной стабильностью и нейтронной отношение протонов». Стабильные изотопы образуют «полуостров стабильности» в «море нестабильности». Только два стабильных изотопа, ¹ H и ³ He, имеют отношение нейтронов к протонам менее 1. Несколько стабильных изотопов легких атомов имеют отношение нейтронов к протонам, равное 1 (например, h34e, B510 , и C2040a). Все другие стабильные ядра имеют более высокое отношение нейтронов к протонам, которое неуклонно увеличивается примерно до 1,5 для самых тяжелых ядер. Однако независимо от числа нейтронов все элементы с Z > 83 нестабильны и радиоактивны.

Рис. 20.2 Зависимость между ядерной стабильностью и отношением нейтронов к протонам

На этом графике зависимости числа нейтронов от числа протонов каждая черная точка соответствует стабильному ядру. В этой классификации стабильное ядро ​​​​условно определяется как ядро ​​с периодом полураспада более 46 миллиардов лет (в 10 раз больше возраста Земли). По мере увеличения числа протонов (атомного номера) количество нейтронов, необходимых для стабильного ядра, увеличивается еще быстрее. Изотопы, показанные красным, желтым, зеленым и синим цветом, постепенно становятся менее стабильными и более радиоактивными; чем дальше изотоп от диагональной полосы стабильных изотопов, тем короче его период полураспада. Фиолетовые точки указывают на сверхтяжелые ядра, которые, по прогнозам, будут относительно стабильными, а это означает, что они должны быть радиоактивными, но иметь относительно длительный период полураспада. В большинстве случаев эти элементы еще не обнаружены и не синтезированы.

Источник данных: Национальный центр ядерных данных, Брукхейвенская национальная лаборатория, Файл оцененных данных о структуре ядра (ENSDF), Таблица нуклидов, http://www.nndc.bnl.gov/chart.

Как показано на рис. 20.3 «Связь между числом протонов и числом нейтронов и ядерной стабильностью», более половины стабильных ядер (166 из 279) имеют даже чисел как нейтронов, так и протонов; только 6 из 279 стабильных ядер не имеют нечетного числа обоих. Более того, определенное количество нейтронов или протонов приводит к особенно стабильным ядрам; это так называемые магические числа 2, 8, 20, 50, 82 и 126. Например, олово ( Z = 50) имеет 10 стабильных изотопов, но элементы по обе стороны от олова в периодической таблице, индий ( Z = 49) и сурьма ( Z = 51), имеют только по 2 стабильных изотопа. Ядра с магическими числами и протонов, и нейтронов называются «дважды магическими» и еще более стабильными. Примерами элементов с дважды магическими ядрами являются h34e с 2 протонами и 2 нейтронами и P82208b с 82 протонами и 126 нейтронами, который является самым тяжелым из известных стабильных изотопов среди всех элементов.

Рисунок 20.3 Зависимость между числом протонов и числом нейтронов и ядерной стабильностью

Большинство стабильных ядер содержат четное число как нейтронов, так и протонов.

Модель стабильности, предполагаемая магическими числами нуклонов, напоминает стабильность, связанную с закрытыми электронными конфигурациями инертных газов в группе 18, и привела к гипотезе, что ядро ​​содержит оболочки нуклонов, которые находятся в некоторых способами, аналогичными оболочкам, занятым электронами в атоме. Как показано на рис. 20.2 «Взаимосвязь между ядерной стабильностью и нейтронно-протонным отношением», «полуостров» стабильных изотопов окружен «рифом» радиоактивных изотопов, которые достаточно стабильны, чтобы существовать в течение различных периодов времени. прежде чем они в конечном итоге распадутся, чтобы произвести другие ядра.

Пример 2

Классифицируйте каждый нуклид как стабильный или радиоактивный.

1. P1530 ​​
2. Т4398с
3. олово-118
4. P94239u

Дано: массовое число и атомный номер

Запрашиваемый: предсказанная ядерная стабильность

Стратегия:

Используйте количество протонов, отношение нейтронов к протонам и наличие четного или нечетного количества нейтронов и протонов, чтобы предсказать стабильность или радиоактивность каждого нуклида.

Решение:

1. Этот изотоп фосфора имеет 15 нейтронов и 15 протонов, что дает отношение нейтронов к протонам, равное 1,0. Хотя атомный номер 15 намного меньше значения 83, выше которого все нуклиды нестабильны, отношение нейтронов к протонам меньше ожидаемого для стабильности элемента с такой массой. Как показано на рис. 20.2 «Взаимосвязь между ядерной стабильностью и отношением нейтронов к протонам», его отношение нейтронов к протонам должно быть больше 1. Кроме того, этот изотоп имеет нечетное число как нейтронов, так и протонов, что также делает нуклид нестабильным. Следовательно, предсказывается, что P1530 ​​будет радиоактивным, и это так.
2. Этот изотоп технеция имеет 55 нейтронов и 43 протона, что дает отношение нейтронов к протонам 1,28, что помещает T4398c на край полосы стабильности. Атомный номер 55 намного меньше значения 83, выше которого все изотопы нестабильны. Эти факты предполагают, что T4398c может быть стабильным. Однако T4398c имеет нечетное количество нейтронов и протонов, комбинация, которая редко дает стабильное ядро. Следовательно, предполагается, что T4398c будет радиоактивным, и так оно и есть.
3. Олово-118 имеет 68 нейтронов и 50 протонов при соотношении нейтронов к протонам 1,36. Как и в части b, это значение и атомный номер указывают на стабильность. Кроме того, этот изотоп имеет даже число как нейтронов, так и протонов, что увеличивает ядерную стабильность. Самое главное, в ядре 50 протонов, а 50 — одно из магических чисел, связанных с особо стабильными ядрами. Таким образом, S50118n должен быть особенно стабильным.
4. Этот нуклид имеет атомный номер 94. Поскольку все ядра с Z > 83 нестабильны, P94239u должен быть радиоактивным.

Упражнение

Классифицируйте каждый нуклид как стабильный или радиоактивный.

1. Т
х
2. C2040a
3. О815
4. L57139a

Ответ:

1. радиоактивный
2. стабильный
3. радиоактивный
4. стабильный

Сверхтяжелые элементы

В дополнение к «полуострову стабильности» на рис. 20.2 «Взаимосвязь между ядерной стабильностью и нейтронно-протонным отношением» показан небольшой «остров стабильности», который, по прогнозам, должен существовать в правом верхнем углу. угол. Этот остров соответствует сверхтяжелым элементам. Элемент с атомным номером, близким к магическому числу 126, с атомными номерами, близкими к магическому числу 126. Поскольку следующим магическим числом для нейтронов должно быть 184, было высказано предположение, что элемент со 114 протонами и 184 нейтрона могут быть достаточно стабильными, чтобы существовать в природе. Хотя эти утверждения многие годы встречались со скептицизмом, с 1999 было получено несколько атомов изотопов с Z = 114 и Z = 116, которые оказались на удивление стабильными. Один изотоп 114-го элемента распадается за 2,7 секунды, что химики-ядерщики называют «вечностью». Более того, недавно появились доказательства существования ядра с A = 292, обнаруженного в ²³² Th. При расчетном периоде полураспада более 10 ⁸ лет изотоп особенно стабилен. Его измеренная масса согласуется с предсказаниями массы изотопа с Z = 122. Таким образом, ряд относительно долгоживущих ядер вполне может быть доступен среди сверхтяжелых элементов.

Резюме

Субатомные частицы ядра (протоны и нейтроны) называются нуклонами . Нуклид — это атом с определенным количеством протонов и нейтронов. Нестабильное ядро, которое спонтанно распадается, является радиоактивным , а его выбросы в совокупности называются радиоактивностью . Изотопы, испускающие излучение, называются радиоизотопы . Каждый нуклон притягивается к другим нуклонам силой сильных ядерных сил . Стабильные ядра обычно имеют четное число как протонов, так и нейтронов и отношение нейтронов к протонам не менее 1. Ядра, которые содержат магических чисел протонов и нейтронов, часто особенно стабильны. Сверхтяжелые элементы с атомными номерами около 126 могут быть даже достаточно стабильны, чтобы существовать в природе.

Key Takeaway

• Ядра с магическим числом нейтронов или протонов особенно стабильны, как и те ядра, которые являются дважды магическими.

Концептуальные проблемы

1. Чем ядерная реакция отличается от химической? Используйте пример каждого, чтобы проиллюстрировать различия.

2. Что имеют в виду химики, когда говорят, что вещество радиоактивно ?

3. Что характеризует изотоп? Как масса изотопа элемента связана с атомной массой элемента, указанного в периодической таблице?

4. Почему в типичном ядре электростатическое отталкивание между протонами не дестабилизирует ядро? Как отношение нейтронов к протонам влияет на стабильность изотопа? Почему все изотопы с Z > 83 нестабильны?

5. Каково значение магического числа протонов или нейтронов? Какая связь между числом стабильных изотопов элемента и наличием у элемента магического числа протонов?

6. Ожидаете ли вы, что Bi будет иметь большое количество стабильных изотопов? Ка? Объясните свои ответы.

7. Калий имеет три общих изотопа: ³⁹ К, ⁴⁰ К и ⁴¹ К, но только калий-40 является радиоактивным (бета-излучатель). Предложите причину нестабильности ⁴⁰ К.

8. Самарий имеет 11 относительно стабильных изотопов, но только 4 нерадиоактивны. Одним из этих 4 изотопов является ¹⁴⁴ Sm, который имеет более низкое отношение нейтронов к протонам, чем более легкие радиоактивные изотопы самария. Почему ¹⁴⁴ См стабильнее?

Ответы

5. Изотопы с магическим числом протонов и/или нейтронов имеют тенденцию быть особенно стабильными. Элементы с магическим числом протонов, как правило, имеют более стабильные изотопы, чем элементы без них.

7. Калий-40 имеет 19 протонов и 21 нейтрон. Ядра с нечетным числом как протонов, так и нейтронов, как правило, нестабильны. Кроме того, отношение нейтронов к протонам очень низкое для элемента с такой массой, что снижает ядерную стабильность.

Численные задачи

1. Напишите ядерный символ для каждого изотопа, используя обозначение XZA.

   1. хлор-39
   2. литий-8
   3. осмий-183
   4. цинк-71

2. Напишите ядерный символ для каждого изотопа, используя обозначение XZA.

   1. свинец-212
   2. гелий-5
   3. кислород-19
   4. плутоний-242

3. Укажите количество протонов, количество нейтронов и отношение нейтронов к протонам для каждого изотопа.

   1. железо-57
   2. ¹⁸⁵ Вт
   3. калий-39
   4. ¹³¹ Хе

4. Укажите количество протонов, количество нейтронов и отношение нейтронов к протонам для каждого изотопа.

   1. технеций-99 м
   2. ¹⁴⁰ Ла
   3. радий-227
   4. ²⁰⁸ Би

5. Какие из этих нуклидов вы считаете радиоактивными? Объясните свои рассуждения.

   1. ²⁰ Не
   2. вольфрам-184
   3. ¹⁰⁶ Ти

6. Какие из этих нуклидов вы считаете радиоактивными? Объясните свои рассуждения.

   1. ¹⁰⁷ Ag
   2. ⁵⁰ В
   3. лютеций-176

Ответы

1. 1. C1739l
   2. L38i
   3. О76183с
   4. Z3071n
3. 1. 26 протонов; 31 нейтрон; 1.