Массы некоторых изотопов

Изотоп		Изотоп	Масса нейтрального атома, а.е.м.
Н (водород) H (дейтерий) H (тритий) Нe (гелий) Не (гелий) Li(литий) Li(литий) Ве (бериллий) Ве (бериллий) B (бор) В (бор) C (углерод) N (азот) N (азот) О(кислород) О (кислород)	1,00783 2,01410 3,01605 3,01602 4,00260 6,01513 7,01601 8,00531 9,01219 10,01294 11,00931 12,00000 14,00307 15,00011 15,99491 16,99913	F (фтор) Al (алюминий) P (фосфор) Si (кремний) Ca (кальций) Co (кобальт) Cu (медь) Cd (кадмий) Hg (ртуть) Rn (родон) Ra (радий) U (уран) U (уран) Np (нептуний) Pu (плутоний)	18,99843 26,98153 29,97867 29,97377 39,96257 55,93984 62,92960 111,90276 199,96832 222,01922 226,02435 235,04299 238,05006 237,04706 239,05122

Находим в табл. 26.1 и 26.2 значения:

масса атома 1 Н 2: 2,01410 а.е.м.,

масса протона: 1,00728 а.е.м.,

масса нейтрона: 1,00866 а.е.м.,

масса электрона: 0,00055 а.е.м.

Масса ядра 1 Н 2 = (масса атома 1 Н 2) – (масса электрона) =

2,01410 – 0,00055 = 2,01355 а.е.м.;

(масса протона + масса нейтрона) = 1,00728 + 1,00866 =

2,01594 а.е.м.

Как видим, 2,01594 > 2,01355!

Разницу между массами нуклонов, составляющих ядро, и массой самого ядра называют дефектом массы .

Задача 26.4. Вычислить дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра гелия 2 Не 4 (в МэВ).

Масса атома складывается из массы ядра и массы Z электронов:

т а = т я + Zm e Þ т я = т а – Zm е .

Тогда дефект массы ядра равен:

Dт = Zm p + (A – Z )m n – (т а – Zm е ) =

= Z (m p + т е ) + (A – Z )m n – т а.

Учтем, что атом водорода 1 Н 1 – это как раз «протон+электрон», поэтому можно считать, что m p + т е = т Н, где т Н – масса атома водорода 1 Н 1 . Тогда формула для дефекта масса примет вид:

Dт = Zm н + (A – Z )m n – т а . (26.3)

Применим формулу (26.3) к нашему случаю: Z = 2, А = 4, получим

Dт = 2m н + (4 – 2)m n – т а .

Значение массы атомов водорода 1 Н 1 и 2 Не 4 находим в табл. 26.2, а значения массы нейтрона в табл. 26.1. Подставим в формулу численные значения и получим

Dт = 2×1,00783 + (4 – 2)×1,00866 – 4,00260 » 0,03038 а.е.м.

Вспомним, что 1 а.е.м. = (г) = кг.

Переведем Dт в килограммы: Dт = 5,05×10 –29 кг.

Теперь найдем энергию связи по формуле:

Е св = Dтс 2 , (26.4)

Е св = 5,05×10 –29 кг × (3,0×10 8 м/с) 2 » 4,55×10 –12 Дж.

Переведем джоули в электрон-вольты:

Е св = эВ » 28,4 МэВ.

По формуле (26.2) найдем удельную энергию связи:

7,1 МэВ.

Ответ : Dт » 0,03038 а.е.м.; Е св » 28,4 МэВ; Е уд » 7,1 МэВ.

СТОП! Решите самостоятельно: А5–А7, В6–В8.

Задача 26.5. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции 7 N 14 + 2 Не 4 ® 8 О 17 + 1 Н 1 ?

Решение . Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо выяснить, увеличивается или уменьшается масса системы в результате реакции. Масса атомов до реакции равна

Масса атомов после реакции:

18,00696 > 18,00567.

Значит, энергия увеличилась: Е 2 > Е 1 , поэтому чтобы реакция прошла, надо добавить «внешнюю» энергию. А в ходе реакции эта добавленная энергия будет поглощена: она пойдет на увеличение массы системы.

Ответ : энергия поглощается.

СТОП! Решите самостоятельно: В9.

Задача 26.6. Сколько энергии поглотится в ядерной реакции 7 N 14 + 2 Не 4 ® 8 О 17 + 1 Н 1 ?

Решение . Поглощенная энергия – это та энергия, которая пошла на увеличение массы системы: Е = Dтс 2 .

Величину Dт можно найти, воспользовавшись результатом предыдущей задачи:

Dт = 18,00696 – 18,00567 » 1,29×10 –3 а.е.м.

Переведем а.е.м. в килограммы:

Dт = кг.

Е = Dтс 2 = 2,14×10 –30 ×(3,0×10 8 м/с) 2 » 1,93×10 –13 Дж.

Переведем эту энергию в электрон-вольты:

Е = эВ = 1,2 МэВ.

Ответ : Е = Dтс 2 » 1,2 МэВ.

СТОП! Решите самостоятельно: В10, С1, С2.

Задача 26.7. Найти минимальную кинетическую энергию W к протона, способного «разбить» ядро дейтерия на протон и нейтрон.

Решение.

Читатель : Это просто: W к = Dтс 2 , где Dт – дефект массы ядра дейтерия.

Автор : Не совсем так. Ведь «осколки» деления – протон и нейтрон – будут иметь какие-то скорости, а значит, они будут обладать кинетической энергией. Кроме того, и «налетающий» протон после соударения будет иметь какую-то скорость.

Пусть начальная скорость протона υ 0 . Разобьем процесс его взаимодействия с ядром на два этапа: сначала ядро захватывает протон и составляет с ним одно целое, а затем распадается на три осколка: 2 протона и 1 нейтрон.

Атомной массой называется сумма масс всех протонов, нейтронов и электронов, из которых состоит тот или иной атом или молекула. По сравнению с протонами и нейтронами масса электронов очень мала, поэтому она не учитывается в расчетах. Хотя это и некорректно с формальной точки зрения, нередко данный термин используется для обозначения средней атомной массы всех изотопов элемента. На самом деле это относительная атомная масса, называемая также атомным весом элемента. Атомный вес – это среднее значение атомных масс всех изотопов элемента, встречающихся в природе. Химики должны различать эти два типа атомной массы при выполнении своей работы – неправильное значение атомной массы может, к примеру, привести к неправильному результату для выхода продукта реакции.

Шаги

Нахождение атомной массы по периодической таблице элементов

Изучите как записывается атомная масса. Атомная масса, то есть масса данного атома или молекулы, может быть выражена в стандартных единицах системы СИ – граммах, килограммах и так далее. Однако в связи с тем, что атомные массы, выраженные в этих единицах, чрезвычайно малы, их часто записывают в унифицированных атомных единицах массы, или сокращенно а.е.м. – атомные единицы массы. Одна атомная единица массы равна 1/12 массы стандартного изотопа углерод-12.

• Атомная единица массы характеризует массу одного моля данного элемента в граммах . Эта величина очень полезна при практических расчетах, поскольку с ее помощью можно легко перевести массу заданного количества атомов или молекул данного вещества в моли, и наоборот.

1. Найдите атомную массу в периодической таблице Менделеева. В большинстве стандартных таблиц Менделеева содержатся атомные массы (атомные веса) каждого элемента. Как правило, они приведены в виде числа в нижней части ячейки с элементом, под буквами, обозначающими химический элемент. Обычно это не целое число, а десятичная дробь.

   Помните о том, что в периодической таблице приведены средние атомные массы элементов. Как было отмечено ранее, относительные атомные массы, указанные для каждого элемента в периодической системе, являются средними значениями масс всех изотопов атома. Это среднее значение ценно для многих практических целей: к примеру, оно используется при расчете молярной массы молекул, состоящих из нескольких атомов. Однако когда вы имеете дело с отдельными атомами, этого значения, как правило, бывает недостаточно.

   • Поскольку средняя атомная масса представляет собой усредненное значение для нескольких изотопов, величина, указанная в таблице Менделеева не является точным значением атомной массы любого единичного атома.
   • Атомные массы отдельных атомов необходимо рассчитывать с учетом точного числа протонов и нейтронов в единичном атоме.

Расчет атомной массы отдельного атома

1. Найдите атомный номер данного элемента или его изотопа. Атомный номер – это количество протонов в атомах элемента, оно никогда не изменяется. Например, все атомы водорода, причем только они, имеют один протон. Атомный номер натрия равен 11, поскольку в его ядре одиннадцать протонов, тогда как атомный номер кислорода составляет восемь, так как в его ядре восемь протонов. Вы можете найти атомный номер любого элемента в периодической таблице Менделеева – практически во всех ее стандартных вариантах этот номер указан над буквенным обозначением химического элемента. Атомный номер всегда является положительным целым числом.

   • Предположим, нас интересует атом углерода. В атомах углерода всегда шесть протонов, поэтому мы знаем, что его атомный номер равен 6. Кроме того, мы видим, что в периодической системе, в верхней части ячейки с углеродом (C) находится цифра "6", указывающая на то, что атомный номер углерода равен шести.
   • Обратите внимание, что атомный номер элемента не связан однозначно с его относительной атомной массой в периодической системе. Хотя, особенно для элементов в верхней части таблицы, может показаться, что атомная масса элемента вдвое больше его атомного номера, она никогда не рассчитывается умножением атомного номера на два.

2. Найдите число нейтронов в ядре. Количество нейтронов может быть различным для разных атомов одного и того же элемента. Когда два атома одного элемента с одинаковым количеством протонов имеют разное количество нейтронов, они являются разными изотопами этого элемента. В отличие от количества протонов, которое никогда не меняется, число нейтронов в атомах определенного элемента может зачастую меняться, поэтому средняя атомная масса элемента записывается в виде десятичной дроби со значением, лежащим между двумя соседними целыми числами.

   Сложите количество протонов и нейтронов. Это и будет атомной массой данного атома. Не обращайте внимания на количество электронов, которые окружают ядро – их суммарная масса чрезвычайно мала, поэтому они практически не влияют на ваши расчеты.

Вычисление относительной атомной массы (атомного веса) элемента

1. Определите, какие изотопы содержатся в образце. Химики часто определяют соотношение изотопов в конкретном образце с помощью специального прибора под названием масс-спектрометр. Однако при обучении эти данные будут предоставлены вам в условиях заданий, контрольных и так далее в виде значений, взятых из научной литературы.

   • В нашем случае допустим, что мы имеем дело с двумя изотопами: углеродом-12 и углеродом-13.

2. Определите относительное содержание каждого изотопа в образце. Для каждого элемента различные изотопы встречаются в разных соотношениях. Эти соотношения почти всегда выражают в процентах. Некоторые изотопы встречаются очень часто, тогда как другие очень редки – временами настолько, что их с трудом можно обнаружить. Эти величины можно определить с помощью масс-спектрометрии или найти в справочнике.

   • Допустим, что концентрация углерода-12 равна 99%, а углерода-13 – 1%. Другие изотопы углерода действительно существуют, но в количествах настолько малых, что в данном случае ими можно пренебречь.

3. Умножьте атомную массу каждого изотопа на его концентрацию в образце. Умножьте атомную массу каждого изотопа на его процентное содержание (выраженное в виде десятичной дроби). Чтобы перевести проценты в десятичную дробь, просто разделите их на 100. Полученные концентрации в сумме всегда должны давать 1.

   • Наш образец содержит углерод-12 и углерод-13. Если углерод-12 составляет 99% образца, а углерод-13 – 1%, то необходимо умножить 12 (атомная масса углерода-12) на 0,99 и 13 (атомная масса углерода-13) на 0,01.
   • В справочниках даются процентные соотношения, основанные на известных количествах всех изотопов того или иного элемента. Большинство учебников по химии содержат эту информацию в виде таблицы в конце книги. Для изучаемого образца относительные концентрации изотопов можно также определить с помощью масс-спектрометра.

4. Сложите полученные результаты. Просуммируйте результаты умножения, которые вы получили в предыдущем шаге. В результате этой операции вы найдете относительную атомную массу вашего элемента – среднее значение атомных масс изотопов рассматриваемого элемента. Когда рассматривается элемент в целом, а не конкретный изотоп данного элемента, используется именно эта величина.

   • В нашем примере 12 x 0,99 = 11,88 для углерода-12, и 13 x 0,01 = 0,13 для углерода-13. Относительная атомная масса в нашем случае составляет 11,88 + 0,13 = 12,01 .

• Некоторые изотопы менее стабильны, чем другие: они распадаются на атомы элементов с меньшим количеством протонов и нейтронов в ядре с выделением частиц, входящих в состав атомного ядра. Такие изотопы называют радиоактивными.

Одно из фундаментальных понятий химии - атомная масса элемента, которая используется в практически любых химических расчетах. Умение вычислять атомную массу пригодится в основном школьникам и тем, кто планирует заниматься химией в будущем. Впрочем, формула для расчета атомной массы проста до невозможности.

Определение и формула

Атомная масса - это сумма масс всех протонов, нейтронов и электронов, которые и составляют атом. В сравнении с массами протонов и нейтронов, масса электронов ничтожно мала, поэтому в расчетах электроны не учитывают. Так как масса самих нейтронов и протонов вычисляется бесконечно малыми числами в 27 отрицательной степени, то для удобства вычислений используется относительная атомная масса, которая выражается в безликих атомных единицах.

Атомная единица массы - это относительная величина, равная 1/12 от массы ядра углерода-12, ядро которого имеет в своем составе 6 нейтронов и 6 протонов. Таким образом, формула для определения атомной массы выглядит так:

Масса = количество нейтронов + количество протонов.

По данной формуле рассчитываются атомные массы отдельных изотопов химических элементов. Это значит, что масса урана-238 равно 238 а.е.м, в то же время уран-235 имеет массовое число 235. Данный химических элемент вообще богат на изотопы, поэтому существуют ядра урана с массовыми числами 232, 233, 234, 235, 236 и 238. Несмотря на подобное разнообразие, уран-238 занимает 99% всего урана в природе, поэтому если вычислять среднее значение атомных чисел, то химический элемент уран получает атомный вес, равный 238,029.

Таким образом, важно понимать разницу между атомной массой и средним атомным весом:

• атомная масса - сумма нейтронов и протонов конкретного изотопа (всегда целое число);
• атомный вес - среднее арифметическое атомных масс всех изотопов, которые встречаются в природе (обычно дробное число).

Еще пример

Водород - наиболее распространенный элемент во Вселенной. 99% водорода - это протий или водород-1, который содержит всего 1 протон. Также существуют изотопы: дейтерий или водород-2 и тритий или водород-3. Данные изотопы имеют атомные массы 2 и 3 соответственно, однако они крайне редко встречаются в природе, поэтому атомный вес водорода составляет 1,00784.

Нахождение атомной массы

Определить атомное число для выбранного элемента можно при помощи таблицы Менделеева. Номер элемента в таблице всегда совпадает с количеством протонов в ядре. К примеру, упомянутый выше водород имеет первый номер в таблице и в его составе содержится всего 1 протон. Ниже в таблице всегда указан средний атомный вес элемента, который для расчетов требуется округлить до ближайшего целого числа.

Изначально отображает всю информацию по количеству протонов и электронов в атоме, а также его атомной массе. Именно поэтому в школьных задачах на определение атомной массы достаточно использовать периодическую таблицу и не вычислять ничего специально.

Обычно на уроках по химии ставится обратная задача: как определить количество нейтронов в конкретном изотопе? В этом случае действует простая формула:

Количество нейтронов = атомная масса – порядковый номер.

К примеру, атом водорода-1 не содержит нейтронов, так как его атомное число равняется также единице. А вот тритий - это уже водород с одним протоном и двумя нейтронами. Тритий - нестабильный изотоп. Он легко распадается на атомы гелия, свободные электроны и антинейтрино, при этом выделяется некоторое количество энергии. Нестабильные изотопы носят название радиоактивных.

Рассмотрим пример

Определение атомной массы

Рассмотрим кислород - химический элемент, который имеет 8 порядковый номер в периодической таблице Менделеева. Это значит, что кислород в своем ядре имеет 8 протонов, а также 8 электронов на орбитах. Атомная масса, указанная в таблице, составляет 16 а. е. м, для вычисления которой нам не понадобится калькулятор. Из этой информации мы можем определить, что атом кислорода содержит 8 нейтронов. Однако количество нейтронов может легко изменяться в зависимости от внешних условий.

Если кислород потеряет или добавит один нейтрон, мы получим новый изотоп, атомная масса которого изменится. Используя калькулятор, вы можете вычислить массовые числа разных изотопов кислорода, которые, впрочем, в самом своем названии содержат ответ на этот вопрос. В природе существует 3 устойчивых изотопа оксигена: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Последние два имеют в ядре «лишние» нейтроны.

Кроме того, существуют неустойчивые изотопы кислорода, период полураспада которых составляет от нескольких минут до миллионных долей наносекунд.

Заключение

Массовое число - важный параметр любого элемента, при помощи которого рассчитываются молярные массы при проведении химических реакций. Впрочем, массовое число всегда указывается в периодической таблице Менделеева, поэтому наш калькулятор пригодится в основном школьникам, которые еще только начинают изучение удивительной науки химии.

Изучение масс-спектрограмм позволило устанавливать состав ядер. Это, однако, оказалось возможным только после того, как были открыты (в начале 30-х годов) нейтроны (§ 90) и выяснилось, что ядра состоят из протонов и нейтронов - незаряженных частиц, обладающих массой, близкой к массе протона, имеющих, так же как и протон и электрон, спин, равный (в единицах и магнитный момент, несколько меньший, чем у протона (почти в 1000 раз меньший, чем у электрона).

В первый период развития ядерной физики считали, что ядра состоят из протонов и электронов и заряд ядра равен разности числа протонов и числа электронов. Однако по мере накопления экспериментальных данных стало выясняться, что такое представление о строении ядра находится в противоречии с опытом.

Действительно, атомные ядра имеют магнитные моменты по порядку величины такие же, как у протона и нейтрона; это было бы необъяснимо, если предполагать, что внутри ядер находятся электроны, магнитные моменты которых в 1000 раз больше. Предположение о наличии электронов в ядрах противоречит также экспериментально наблюдаемым значениям их спинов.

Советский ученый Д. Д. Иваненко на основании подобных соображений первый (в 1932 г.) установил, что электроны не входят в состав атомных ядер и что, стало быть, заряд ядра, как это общепризнано сейчас, полностью определяется числом протонов в ядре.

Поскольку число протонов в ядре любого атома совпадает с атомным номером элемента, а массы протона и нейтрона различаются весьма мало, то, следовательно, число нейтронов в ядре дополняет атомный номер (число протонов) до атомного веса или, вернее, до ближайшего к атомному весу целого числа которое называют массовым числом. Таким образом, ядро любого атома состоит из протонов и нейтронов. Так задача выяснения состава атомных ядер свелась к точному определению истинных атомных весов по измеренным величинам масс ионов.

Атомные веса некоторых элементов, найденные химическим путем, иногда значительно отличаются от целого числа. Причина этого была вскрыта еще в 1919 г. Астоном при первых же исследованиях масс-спектрограмм таких элементов, а именно: Астон обнаружил, что элементы, атомные веса которых значительно отличаются от целых чисел, дают в масс-спектрограмме, по меньшей мере, две и часто три, четыре и больше линий. Это означает, что такие элементы представляют собой в действительности смесь химически тождественных, но различающихся по весу атомов. Атомные ядра, которые имеют одинаковый заряд, но различную массу, называют изотопами. Ядра изотопов одного элемента состоят, следовательно, из одинакового числа протонов и разного числа нейтронов (ядра с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов носят название изотопов).

Изучение масс-спектрограмм показало, что во всех случаях атомные веса изотопов выражаются числами, которые отличаются от целых только на тысячные доли единицы (причина этого небольшого отличия атомного веса изотопов от целочисленного значения, т. е. от массового числа изотопа, разъяснена в § 113). Так, например, хлор, который по химическим данным имеет атомный вес 35,46, представляет собой смесь двух изотопов с атомными весами, очень близкими к числам 35 и 37; их обозначают символами (имеются и другие изотопы хлора, но ядра их неустойчивы). Аргон имеет изотопы с атомными весами, которые близки к числам 36, 38 и 40; в природной смеси эти изотопы дают средний атомный вес аргона 39,9 и т. д.

Химические элементы, имеющие стабильные (т. е. нерадиоактивные) изотопы, входят в соединения, всегда сохраняя некоторую характерную для каждого элемента природную пропорцию изотопов. Так, для магния природным изотопическим составом является: 78,6% изотопа с атомным весом изотопа с атомным весом и 11,3% изотопа с атомным весом

В настоящее время для всех элементов известно всего около тысячи изотопов, большая часть которых, однако, является неустойчивыми, радиоактивными изотопами. Наибольшее число стабильных изотопов имеют элементы с четными атомными номерами. Так, молибден, ртуть, барий, неодим, иттербий (у всех этих элементов атомные номера четные) имеют по 7 нерадиоактивных изотопов, кадмий 8, а олово даже 10 стабильных изотопов. У элементов с нечетными атомными номерами, как правило, существует не более двух стабильных изотопов, а остальные радиоактивны. Многие из элементов с нечетными атомными номерами (например, фтор, натрий, алюминий, фосфор, кобальт и др.) имеют только по одному стабильному изотопу.

В ряде случаев изотопы соседних элементов имеют одинаковые массовые числа и, следовательно, почти совпадающие атомные веса. Например, массовое число 13 имеют изотоп углерода и изотоп азота; два изотопа азота обладают такими же массовыми числами (15 и 16), как и два изотопа кислорода, и т. д. Встречаются и тройные и даже четверные совпадения: например, изотопы с массовым числом 70 имеются у цинка, галлия и германия; изотопы с массовым числом 210 существуют у таллия, свинца, висмута, полония и Атомы с одинаковыми массовыми числами, но с различными порядковыми номерами и, следовательно, с неодинаковыми химическими свойствами называют изобарами.

Оба рода ядерных частиц, протоны и нейтроны, объединяют под общим названием нуклоны. Изобарные ядра характеризуются равенством суммарного числа протонов и нейтронов в ядре, т. е. равенством числа нуклонов.

На рис. 344 дана диаграмма, характеризующая состав ядер стабильных и некоторых радиоактивных изотопов. По оси абсцисс этой диаграммы отложено число протонов в ядре или, что то же, атомный номер элементов, символы которых для удобства пользования проставлены над осью абсцисс диагонально. На оси ординат отложено число нейтронов в ядре Стабильные изотопы изображены черными кружками, радиоактивные - светлыми. Эта диаграмма показывает, чтоулегкцх элементов числа нейтронов и протонов в ядре почти одинаковы, и поэтому их массовые числа примерно равны удвоенному атомному номеру: В ядрах тяжелых элементов число нейтронов значительно превышает число протонов; однако и для самых тяжелых элементов оно остается меньшим, чем удвоенное число протонов; для этих элементов все точки,

(кликните для просмотра скана)

изображающие состав их ядер, лежат между прямыми На второй из упомянутых прямых проставлены суммарные числа нуклонов в ядре, т. е. массовые числа Наклонные прямые, проведенные от этих чисел, объединяют изобарные ядра.

Мы видим, что в проточно-нейтронной диаграмме все существующие изотопы образуют сравнительно узкую полосу. Это означает, что даже относительно небольшие отклонения от нормального состава ядра делают их совершенно неустойчивыми.

Разделение изотопов, которое в ничтожных количествах осуществляется масс-спектрографом, в более или менее значительных масштабах является весьма трудным делом, так как химические свойства изотопов каждого элемента тождественны. Как уже упоминалось, во всех химических реакциях элементы сохраняют свой природный изотопный состав. Однако косвенно обменные химические реакции при их многократном повторении иногда позволяют получить обогащение элемента его наиболее легким или наиболее тяжелым изотопом; при этом используют то обстоятельство, что когда продукты реакции получаются в виде двухфазной системы (жидкости и ее пара), то процентное содержание легкого изотопа в газообразной фазе оказывается несколько большим, чем в конденсированной.

Одним из методов разделения изотопов является метод, основанный на явлении диффузии. Коэффициент диффузии зависит от массы частиц и поэтому несколько различен для изотопов одного и того же элемента. Диффузионные аппараты для разделения изотопов (вернее, для обогащения нужным изотопом исходных веществ) состоят из множества звеньев, в каждом из которых осуществляется процесс диффузии. Во всех звеньях диффузионного аппарата диффузия происходит через пористое вещество или же осуществляется диффузия газа в струю паров ртути, уносящих газ, несколько обогатившийся легким изотопом.

На рис. 345 представлена схема процессов, применяемых при диффузионном методе обогащения природного урана актиноураном. Природный уран на 99,3% состоит из изотопа с массовым числом 238 и содержит только 0,7% актиноурана с массовым числом 235. Единственным соединением урана, имеющим высокую упругость пара, является шестифтористый уран; его и используют при диффузионном обогащении природного урана.

Газообразный сжимают в компрессоре, пропускают через холодильник (для отведения теплоты сжатия) и подают в камеры, где газ протекает вдоль одной стороны пористой перегородки, тогда как с другой ее стороны поддерживается более низкое давление. Скорость течения газа и режимы давления устанавливаю такие, чтобы половина газа успевала продиффундировать через перегородку, а половина возвращалась в предыдущую ступень многокаскадной схемы обогащения. Продиффундировавший газ, имеющий

более низкое давление, сжимается вспомогательным компрессором и подается на точно такую же последующую ступень, а непродиффундировавший газ через дроссельный клапан, регулирующий величину давления, возвращается в предыдущую ступень. Высокое обогащение достигается в нескольких тысячах ступеней. Диаметр отверстий в пористой перегородке должен быть в несколько раз меньше длины свободного пробега для данного газа (т. е. должен быть не более

Рис. 345. Схема ступени диффузионного обогащения урана (газ

Существует метод разделения изотопов, основанный на использовании явления термодиффузии. Это явление заключаете в том, что когда один конец трубки, содержащей смесь газов, сильно нагрет, а другой охлажден, то процентный состав смеси в нагретой и охлажденной частях трубки оказывается не вполне одинаковым.

Для разделения изотопов применяют также центрифуги, фракционную перегонку и другие методы.

Тяжелый водород и тяжелая вода. Для физики атомного ядра особый интерес представляют изотопы первых двух элементов периодической системы: водорода и гелия. Этот особый интерес к изотопам водорода и гелия объясняется тем, что электронная оболочка атомов указанных элементов, состоящая у водорода одного электрона, а у гелия из двух, сравнительно легко может быть «содрана» и в различных экспериментах могут быть исследованы ядра этих атомов.

В 1932 г. Юреем был открыт изотоп водорода с массовым числом 2. Этот изотоп в отличие от обычного водорода называют тяжелым водородом или чаще дейтерием и обозначают символом или В водороде, получаемом обычными химическими способами, дейтерий содержится в незначительных количествах: примерно из атомов только один является атомом дейтерия.

При электролизе воды улетучивается главным образом обычный водород и оставшаяся вода обогащается тяжелым водородом. В сочетании с обменными реакциями электролиз воды позволяет

получить воду, у которой более чем 99,99% молекул содержит вместо атомов атомы дейтерия такая вода получила название тяжелой воды. Уже в 1933 г. Герц получил практически чистый газообразный дейтерий, в котором даже спектроскопическим путем нельзя было обнаружить присутствие атомов В настоящее время свойства дейтерия хорошо изучены; некоторые величины, характеризующие свойства этого вещества, приведены в помещенной ниже таблице.

Сопоставление физических свойств дейтерия и обычного водорода

(см. скан)

Из этой таблицы мы видим, что в данном случае масса атомного ядра довольно сильно влияет на молекулярные свойства, которые, вообще говоря, определяются не ядром, а строением электронной оболочки. Существенное различие молекулярных свойств дейтерия и обычного водорода, не наблюдаемое у изотопов других элементов, объясняется тем, что в данном случае отношение масс ядер несравненно более велико, чем у других элементдв. Все приведенные в таблице числа свидетельствуют о том, что интенсивность молекулярного взаимодействия у дейтерия больше, чем у обычного водорода; соответственно этому дейтерий плавится и закипает при несколько большей температуре, чем обычный водород, требует больших затрат теплоты на плавление и испарение, имеет меньшую упругость пара и меньший мольный объем конденсированных фаз. Энергия междуатомного взаимодействия у дейтерия также несколько превышает энергию взаимодействия атомов обычного водорода, что сказывается в большей устойчивости молекул дейтерия при температурах, вызывающих термическую диссоциацию.

Физические свойства тяжелой воды, как видно из приведенной ниже таблицы, тоже заметно отличаются от свойств обычной воды. Плотность тяжелой воды при комнатной температуре почти на превышает плотность обычной воды. Известно, что обычная вода имеет минимальный удельный объем при 4° тяжелой воды минимум удельного объема наблюдается Тяжелая вода при охлаждении замерзает раньше обычной, при 3,8° С, и кипит при температуре, на 1,4° более высокой. Давление насыщенного пара у тяжелой воды меньше, чем у обычной, а мольная теплота испарения на 259 кал больше.

В отношении биологического действия тяжелая вода является плохим (а для некоторых простейших организмов и вредоносным) заменителем обычной воды.

Сопоставление физических свойств тяжелой и обычной воды

(см. скан)

При облучении обычной воды нейтронами большая их часть захватывается протонами водородных атомов, причем образуются ядра тяжелого водорода. Когда поток быстрых нейтронов попадает в тяжелую воду, то в результате соударений нейтрондв с ядрами тяжелого водорода и кислорода их скорость быстро уменьшается, но захвата нейтронов не происходит и их число остается практически неизменным. В связи с этим тяжелую воду широко используют в ядерных реакторах (§ 107) как лучший замедлитель нейтронов. Для этой цели, несмотря на трудности и дороговизну производства, тяжелую воду вырабатывают в очень больших количествах (сотни тонн).

Рассмотрим результаты опытов по измерению массы положительных ионов. На рис. 352 представлена масс-спектрограмма положительных ионов неона. На спектрограмме четко видны три полоски различной интенсивности. Сравнивая расстояния от полосок до щели, можно подсчитать, что полоскам соответствуют величины , находящиеся в отношениях .

Появление трех полосок нельзя объяснить различием в заряде ионов. Ион неона может нести заряд, не превышающий нескольких элементарных единиц. Отношение зарядов может быть , но никак не . Остается принять, что полоски обусловлены ионами, несущими один и тот же заряд, но обладающими различными массами, относящимися, как . Атомная масса неона равна 20,2. Следовательно, среднее значение массы атома неона есть . Массы же ионов, обусловивших полоски , равны . Мы приходим к выводу, что элемент неон представляет собой смесь атомов трех типов, отличающихся друг от друга по массе. Сравнивая интенсивность почернения линий на масс-спектрограмме, можно найти относительные количества различных атомов в природном неоне. Количество атомов неона с массами 20, 21 и 22 относятся, как .

Рис. 352. Масс-спектограмма неона

Вычислим среднюю массу атома неона:

Совпадение с атомной массой неона, найденной из опыта, подтверждает представление, согласно которому элемент неон является смесью трех типов атомов. Важно отметить, что пропорция атомов с массами 20, 21 и 22 одна и та же в образцах неона различного происхождения (атмосферный неон, неон из горных пород и т. д.). Пропорция эта не изменяется или изменяется в очень малой степени при обычных физических и химических процессах: сжижение, испарение, диффузия и т. д. Это доказывает, что три разновидности неона почти тождественны по своим свойствам.

Атомы одного и того же элемента, отличающиеся только массой, носят название изотопов. Все изотопы одного и того же элемента тождественны по химическим и очень близки по физическим свойствам.

Наличие изотопов является особенностью не только неона. Большинство элементов представляет собой смесь двух или нескольких изотопов. Примеры изотопного состава даны в табл. 11.

Таблица 11. Изотопный состав некоторых элементов

	Атомная масс (округленная)
		масса округленная
Кислород

Как видно из табл. 11, массы изотопов всех элементов выражаются целым числом атомных единиц масс. Смысл этой важной закономерности мы выясним в § 225. Точные измерения показывают, что правило целочисленности масс изотопов является приближенным. Массы изотопов обнаруживают, как правило, небольшие отклонения от целочисленности (во втором - четвертом знаках после запятой). В некоторых задачах эти малые отклонения от целочисленности играют основную роль (см., например, §226).

Для многих целей можно, однако, пользоваться значением массы, округленным до целого числа атомных единиц массы. Масса изотопа в (атомная масса), округленная до целого числа, называется массовым числом.

Выше мы отметили постоянство изотопного состава неона и почти полное совпадение большинства свойств его изотопов. Эти положения справедливы также и для всех остальных элементов, обладающих изотопами.

Для обозначения изотопов химический символ соответствующего элемента снабжают знаком, указывающим массовое число изотопа. Так, например, - изотоп кислорода с массовым числом 17, - изотоп хлора с массовым числом 37 и т. д. Иногда внизу указывают еще порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева и т. д.