Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Масса атома определяется главным образом массой его ядра, которое состоит из двух видов частиц, называемых нуклонами (от лат. nucleus – ядро), имеющих почти одинаковую массу. Нуклоны бывают двух видов: положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны.

Вид атома с определённым зарядом ядра называют химическим элементом. Атом каждого элемента отличается от других числом протонов в атомном ядре, которое соответствует его порядковому номеру в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева и числу электронов в электронной оболочке. Кроме того, число протонов определяет электрический заряд ядра, так как электрически нейтральные нейтроны не вносят в него вклада. Поэтому число протонов в ядре какого-либо атома называют его зарядовым числом. Самое простое строение имеет атом водорода. Он состоит всего из одного протона и одного электрона. Другие элементы обязательно имеют в составе своего ядра нейтроны. Так, ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Масса ядра определяется суммой масс составляющих его протонов и нейтронов и называется атомной массой. Поскольку масса атомов очень мала, её неудобно измерять непосредственно в граммах. Поэтому в практических целях используют величину, называемую массовым числом, которая равна числу всех входящих в ядро нуклонов. Масса одного протона или нейтрона, таким образом, принимается за единицу.

Изотопы

Может показаться, что каждый химический элемент должен всегда иметь определённое зарядовое число и определённую атомную массу. Однако это утверждение верно только в отношении зарядового числа. Ещё в начале XX в. было обнаружено, что некоторые элементы, проявляющие одинаковые свойства в химических реакциях, состоят из атомов, имеющих различную атомную массу. Атомы одного и того же элемента, имеющие различную массу, были названы изотопами. Встречающиеся в природе элементы чаще всего являются смесью нескольких изотопов, один из которых является преобладающим. Атомы всех изотопов одного элемента имеют одинаковый заряд ядра и, соответственно, занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различие между ними заключается в числе содержащихся в ядре нейтронов.

Ядро атома гелия чаще всего содержит два нейтрона, но встречаются изотопы, число нейтронов в ядре которых равно одному или трём. Кислород в природе может существовать в виде трёх изотопов с восемью, девятью или десятью нейтронами. При этом число протонов в ядре атома кислорода и, следовательно, его зарядовое число и атомный номер всегда равны восьми. Водород является первым элементом периодической системы элементов. Ядро его атома содержит всего один протон и чаще всего вообще не содержит нейтронов. Такой изотоп водорода называют протий. Однако в природном водороде содержится почти 0,02 % изотопа, называемого дейтерием и содержащего один нейтрон (рис. 115, А). Соответственно, атомная масса дейтерия равна двум.

Рассмотренные изотопы гелия, кислорода и водорода называют стабильными, так как они устойчивы и не подвергаются самопроизвольному распаду. К настоящему времени в природе обнаружено 270 стабильных изотопов. Кроме них существуют и нестабильные изотопы, ядро которых неустойчиво и подвержено постоянному распаду. Эти изотопы чаще всего встречаются у тяжёлых элементов, т. е. элементов с большой атомной массой. Нестабильные изотопы часто получают искусственно при помощи ядерных реакций. Таким способом можно получить, например, нестабильный изотоп водорода, в ядре которого находятся два нейтрона. Этот изотоп водорода называется тритием из-за того, что его атомная масса равна трём (один протон плюс два нейтрона) (см. рис. 115, А).

Рис. 115. Состав атомных ядер: А – водорода; Б – углерода (красные шарики – протоны, голубые – нейтроны)

Большинство природных химических элементов существуют в виде нескольких устойчивых изотопов (рис. 115, Б). Например, железо имеет четыре стабильных изотопа, ртуть – семь, а олово – десять. Поэтому атомная масса элементов выражается дробным числом. Так, хлор, встречающийся в природе, на 76,5 % состоит из изотопа с атомной массой, равной 35, и на 24,5 % – из изотопа с массой 37. Поэтому средняя атомная масса хлора равна приблизительно 35,5.

Как следует из самого названия, нестабильные изотопы не могут существовать в течение неограниченного периода времени и постоянно распадаются. Скорость распада ядер этих изотопов измеряется их периодом полураспада – временем, за которое первоначальное количество частиц уменьшается вдвое. У большинства нестабильных изотопов этот период составляет не более нескольких секунд, хотя известны изотопы с периодом полураспада в миллионы лет. Во время распада ядра таких атомов испускают радиоактивное излучение. Таким образом, можно сказать, что все неустойчивые изотопы обладают радиоактивностью (рис. 116).

Химические свойства элементов, т. е. их способность вступать в химические реакции, не зависят от числа нейтронов в ядре атома, а связаны со строением его электронной оболочки. Поэтому в химическом отношении все изотопы одного элемента являются абсолютно одинаковыми. Эту особенность используют во многих областях науки, техники и медицины. Таким образом можно, например, судить о превращениях какого-либо химического вещества в организме и о местах его включения в клетки и ткани. Можно синтезировать биологически активное вещество, включив в него неустойчивый радиоактивный изотоп какого-либо атома, например углерода или азота. В химическом и биологическом отношении это вещество ничем не будет отличаться от такого же вещества, не содержащего радиоактивного изотопа. В какие бы другие соединения это вещество ни превращалось, как бы ни изменялось строение его молекулы, радиоактивное излучение нестабильного атома всегда будет сохраняться. Если затем ввести это вещество в кровь, то, измеряя испускаемое этим изотопом слабое, безопасное для организма, радиоактивное излучение в различных участках человеческого тела, можно судить о том, где и в каких количествах накапливается в организме это вещество или продукты его обмена. Постепенно эти продукты или само вещество будут выводиться из организма, и по уменьшению радиоактивности можно определить скорость их выведения. Такой метод получил название исследования с применением «меченых атомов».

Рис. 116. Радиоактивный металл кюрий светится в темноте, испуская большое количество ядер гелия

Сильное и слабое взаимодействие.

При знакомстве со строением атомного ядра возникает естественный вопрос: с помощью каких сил нуклоны удерживаются друг около друга? Мы знаем, что протоны и электроны, будучи противоположно заряженными, взаимно притягиваются, и именно это электрическое поле определяет устойчивость атома в целом. Но поскольку все протоны заряжены одинаково положительно, они должны отталкиваться друг от друга и ядро должно немедленно разрушиться. Нейтральные нейтроны не могут вмешиваться в этот процесс, а сила гравитации настолько мала по сравнению с электромагнитной, что никак не может препятствовать этому распаду. Почему же ядро может существовать в неизменном виде миллиарды лет?

Оказывается, что в природе, помимо двух уже известных нам фундаментальных взаимодействий – гравитационного и электромагнитного, существуют ещё два типа взаимодействий, называемых сильным и слабым. Первое из них удерживает нуклоны внутри атомного ядра, а второе обнаруживается при превращениях элементарных частиц. Главной особенностью сильного взаимодействия, отличающей его от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, является то, что оно действует только на очень малых расстояниях, соизмеримых с размером нуклонов. Эти расстояния составляют около 1015 м. На таких расстояниях эта сила становится столь огромной, что по сравнению с ней можно пренебречь всеми электромагнитными, не говоря уже о гравитационных, взаимодействиями между нуклонами. Слабое взаимодействие тоже распространяется только на очень малые расстояния, но превышает оно только силу гравитации.

Проверьте свои знания

1. Что происходит с атомом, если он теряет один или несколько электронов?

2. Почему атомы невозможно увидеть с помощью светового микроскопа?

3. Какими частицами определяется масса атомного ядра, а какими – его заряд?

4. Что такое период полураспада атомного ядра?

5. Какие виды взаимодействия осуществляются внутри атомного ядра и элементарных частиц?

Задания

Подберите эпиграф к данному параграфу.

§ 46 Ядерный распад и элементарные частицы

Семь металлов создал светПо числу семи планет.Дал нам космос на доброМедь, железо, серебро,Злато, олово, свинец…Сын мой! Ртуть для них отец.И спеши, мой сын, узнать:Сера всем – родная мать.Заклинание алхимиков

Со времён александрийской науки, т. е. с первых веков нашей эры, в Египте, Византии, а затем на Арабском Востоке и в Европе сформировалось учение, получившее название алхимии. Алхимики, в отличие от чистых философов, не только предавались абстрактным рассуждениям о строении мира, но и проводили разнообразные эксперименты (рис. 117, 118). Главной целью алхимиков было превратить широко распространённые и дешёвые вещества в дорогие благородные металлы.

Рис. 117. Лаборатория алхимика

Рис. 118. Алхимические символы элементов

На протяжении веков алхимики утверждали, что достаточно приложить ещё немного усилий, и правильно подобранная смесь ртути, серы, олова, соли и других подобных веществ превратится в золото. Однако все эти многовековые попытки закончились неудачей, причина которой теперь нам известна.

Дело в том, что во времена Средневековья и раннего Возрождения не различали понятия «вещество» и «элемент». Теперь мы знаем, что в природе существуют виды атомов – химические элементы, простые вещества, состоящие из атомов одного элемента, и химические соединения, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, соединённых химическими связями. Химические связи могут возникать и разрываться в процессе химических реакций, поэтому возможны превращения одних соединений в другие. Но для того чтобы осуществить превращение одного элемента в другой, необходимо вмешаться в строение его атомного ядра, а такое вмешательство невозможно при обычной химической реакции. Поэтому сколько бы мы ни нагревали смеси различных элементов, ни прибавляли к ним соли и кислоты, нового химического элемента, серебра или золота, из них не получится. Для того чтобы превратить один элемент в другой, требуется изменить строение его атомного ядра, т. е. осуществить ядерную реакцию (рис. 119).

Несмотря на то что сильное взаимодействие очень прочно скрепляет нуклоны, в некоторых случаях атомное ядро может быть разрушено. Для того чтобы вызвать распад ядра, требуется затратить огромную энергию. Когда происходит ядерный распад, ядро теряет протоны или электроны, или и то и другое. В результате этого один элемент может превращаться в другой. Во время распада происходит испускание альфа-, бета– или гамма-излучения, поэтому этот процесс всегда сопровождается радиоактивным излучением и называется также радиоактивным распадом. В зависимости от того, какие частицы испускает атом при распаде, различают альфа-распад, бета-распад и гамма– распад.

Альфа-распад.

При альфа-распаде происходит освобождение альфа-частиц, которые представляют собой ядра гелия, т. е. состоят из двух протонов и двух нейтронов. После потери этих частиц атом данного элемента превращается в атом другого элемента, порядковый номер которого в периодической таблице оказывается на два номера меньше, чем у исходного.

Рис. 119. Схема ядерной реакции

Так, например, уран, имеющий порядковый номер 92 и атомную массу 238, превращается в торий с порядковым номером и атомной массой 90 и 234 соответственно.

Бета-распад.

Бета-распад представляет собой другой процесс, вызывавший в течение долгого времени недоумение. Как вы уже знаете, бета-лучи, открытые Резерфордом, представляют собой поток электронов. Сразу же было обнаружено, что это не те электроны, из которых построена электронная оболочка атома. Они возникают только при ядерном распаде и, несомненно, испускаются ядром. Кроме того, энергия их испускания меняется не скачками, а непрерывно, т. е. эти электроны не находятся на квантовых орбитах. Откуда же они берутся?

Выяснилось, что в процессе ядерных реакций нейтрон может распадаться на протон и электрон. Отрицательно заряженный электрон при этом вылетает из атомного ядра, а нейтрон, потеряв отрицательный заряд, становится протоном. Очевидно, что при этом масса ядра не изменяется, а его положительный заряд становится на единицу больше. Следовательно, также на единицу увеличивается порядковый номер элемента. Одним из самых простых примеров бета-распада служит превращение изотопа водорода трития в инертный газ гелий, лежащее в основе термоядерных реакций. Как вы знаете, ядро трития состоит из одного протона и двух нейтронов, и поэтому тритий, как и остальные два изотопа водорода, имеет порядковый номер 1. Если в результате бета-распада и испускания электрона один из нейтронов превращается в протон, то образуется другой элемент – гелий, имеющий порядковый номер 2, так как он содержит два протона и один нейтрон.

При исследовании бета-распада обнаружился ещё один интересный факт. Оказалось, что покидающий ядро электрон обладает меньшей энергией, чем следовало из проведённых расчётов. Это настолько смущало физиков, что под сомнение был поставлен даже закон сохранения энергии. Однако вскоре выяснилось, что недостающую энергию уносит ещё одна вылетающая вместе с электроном частица. Эта частица, получившая название нейтрино, обладает целым рядом интересных в теоретическом и важных в практическом отношении свойств. Поскольку она не имеет электрического заряда, на неё не действует электромагнитное поле. Кроме того, она не участвует в сильном взаимодействии. На неё действует только слабое воздействие и гравитация, которую ввиду ничтожной массы нейтрино (во много раз меньшей, чем масса электрона) можно практически не принимать в расчёт. Поэтому нейтрино обладает необычайной проницаемостью, оно способно пролетать огромные расстояния, почти не поглощаясь никаким веществом. Это свойство очень важно для развивающейся науки – нейтринной астрономии. Поскольку звёзды в числе других излучений испускают и потоки нейтрино, наблюдение за сверхдальними объектами с помощью нейтринных телескопов может позволить получить очень ценные сведения о строении Вселенной.

Электроны, протоны, нейтроны и нейтрино являются представителями большого класса объектов, которые называют элементарными частицами. Эти частицы либо входят в состав атома, либо могут возникать в нём при различных процессах из других элементарных частиц. Своё название они получили потому, что их считали окончательно неделимыми составляющими атома. В настоящее время известно более 300 элементарных частиц, и их число продолжает расти. Большинство таких частиц нестабильны, т. е. очень быстро распадаются, образуя другие элементарные частицы. Поэтому для их обнаружения и тем более для исследования их свойств требуются очень точные приборы. До середины XX в. элементарные частицы обнаруживали в основном в космических лучах, однако сейчас их исследование проводится с помощью специально созданных ускорителей. В них частицы можно разогнать до огромных скоростей, сопоставимых со скоростью света, а затем заставить их сталкиваться и наблюдать происходящие при этом превращения.

Гамма-распад

Исходя из того что при ядерном распаде происходит превращение одних частиц в другие, можно объяснить процесс гамма-распада. При таком распаде наблюдают электромагнитное излучение очень высокой частоты, которое, как вам известно, называют гамма– излучением. Возникает оно потому, что в результате альфа– и бета– распада может выделиться энергия, которой не хватит для того, чтобы образовать новые частицы. Для того чтобы освободиться от этой лишней энергии, атом испускает её в виде гамма-квантов.

Строение элементарных частиц.

В ходе развития теоретической физики выяснилось, что и элементарные частицы не являются на самом деле «элементарными», т. е. неделимыми. Некоторые из них, например протоны и нейтроны, состоят из ещё более мелких частиц, получивших название кварки. Размер кварка примерно в 20 тыс. раз меньше, чем размер протона. Главная особенность кварков заключается в том, что их, во всяком случае до сих пор, не удалось обнаружить вне элементарных частиц. Хотя кварки можно наблюдать только в группе, образующей какую-либо частицу, их удалось исследовать и вычислить физические свойства. Правда, для описания этих свойств не хватает физических терминов и не существует никаких аналогий с чем-либо известным, поэтому используются такие странные термины, как «цвет» и «аромат». (Кстати, само слово «странность» тоже используется в квантовой физике для характеристики элементарных частиц.) Однако, несмотря на неясность этих понятий, с ними можно производить расчёты, весьма точно описывающие свойства элементарных частиц.

Античастицы и антивещество.

В настоящее время известно, что каждая элементарная частица имеет свой аналог – античастицу, равную ей по массе, но противоположную по какой-либо другой характеристике, например по электрическому заряду. Первой из открытых античастиц был антиэлектрон, впоследствии названный позитроном. Он ничем не отличается от электрона, кроме того, что обладает не отрицательным, а положительным электрическим зарядом. Существование позитрона было теоретически предсказано в 1930 г. английским физиком Полем Дираком (1902–1984) и экспериментально доказано спустя два года. Впоследствии был открыт отрицательно заряженный антипротон и другие античастицы, в том числе и электрически нейтральные, как, например, антинейтрон. Можно представить себе мир, состоящий не из тех элементарных частиц, которые образуют окружающую нас природу, а из их антиподов, т. е. античастиц. Такой мир будет образован не веществом, а антивеществом. Ни по физическим, ни по химическим свойствам он не будет отличаться от нашего мира, все физические законы в этих двух мирах будут одинаковыми. Различие между ними может обнаружиться только в том случае, если они придут в соприкосновение: частицы и античастицы уничтожат друг друга. Это взаимоуничтожение называют аннигиляцией. После этого частицы перестанут быть веществом, и вся их суммарная масса превратится в энергию, а точнее, в кванты электромагнитного гамма-излучения и в поток нейтрино, об ладающего ничтожной массой, но колоссальной энергией. Выделяемая при аннигиляции энергия огромна. Если привести в соприкосновение 1 г вещества и 1 г антивещества, образуется столько энергии, сколько её выделяется при взрыве мощной водородной бомбы. Антивещество можно было бы использовать в качестве источника энергии, полезной или разрушительной, как это описано в романе Дэна Брауна «Ангелы и демоны», если бы не две принципиальные проблемы. Первая заключается в необычайной дороговизне его производства, а вторая – в том, где его хранить. Любой сосуд, содержащий антивещество, должен состоять из вещества, а значит, при их контакте произойдёт немедленная аннигиляция. Предотвратить соприкосновение антивещества с веществом можно, только удерживая его в мощном магнитном поле с помощью специальных «ловушек». Такие эксперименты уже проводятся, но до практического использования антивещества ещё очень далеко. Для технических целей сейчас широко используют другую энергию – ту, которая выделяется при распаде атомного ядра. О её природе и устройстве технических приспособлений, в работе которых она участвует, вы узнаете из последующих глав учебника.

Проверьте свои знания

1. Почему средневековым алхимикам ни в одном из экспериментов не удалось получить золото из неблагородных металлов?

2. В результате какого процесса при ядерном распаде возникает бета– излучение?

3. Какими свойствами обладает нейтрино?

4. Какие частицы называются кварками?

5. Что такое антивещество?

Задания

1. Используя дополнительные источники информации, выясните, каково происхождение термина «кварк».

2. Сделайте сообщение или презентацию «Гипотезы возникновения антивещества».

3. Подготовьтесь к конференции на тему «Антивещество: преимущества и противоречия».

4. Объясните, как материал данного параграфа связан с проблемой ядерного вооружения. Найдите информацию для проведения конференции на тему «Ядерное оружие: история создания и проблемы современности».

Ваша будущая профессия

Подготовьте сообщение об отечественных специалистах в области ядерной физики.

Химические элементы и вещества

§ 47 Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Вероятно, это самый компактный и полный значения сгусток знания, когда-либо изобретённый человеком.

Б. Кедров

Периодическому закону не грозит разрушение, а обещаются только надстройка и развитие.

Д. Менделеев

В процессе развития химии постепенно складывалось представление о химических элементах, а также о простых и сложных веществах. С современной точки зрения, химический элемент – это вид атома с определённым зарядом ядра. Простые вещества состоят из атомов одного элемента, а сложные – из атомов двух и более элементов. К середине XIX в. было известно уже более шестидесяти элементов, чуть больше – соответствующих им простых веществ, а также и множество сложных веществ: оксидов, гидроксидов, солей. Исследуя реакции, в которых участвуют те или иные простые вещества, химики установили, что некоторые из них обладают схожими химическими свойствами (например, хлор и бром, натрий и калий). В то же время существуют вещества, которые очень сильно различаются по свойствам (например, натрий и хлор). Возникла потребность в приведении всего множества элементов в какую-нибудь систему, которая позволила бы объяснить химические особенности различных веществ, образованных этими элементами. Попыток создания такой системы было предпринято много. Ближе всех к решению этой задачи подошёл в 1864 г. немецкий химик Юлиус Лотар Мейер, но настоящий закон, позволивший не только объяснить, но и предсказать свойства элементов на единой основе, открыл российский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) (рис. 120).

Открытию Д. И. Менделеевым периодического закона предшествовали годы упорного труда в поиске закономерностей, которые могли бы позволить описать изменение свойств элементов и их соединений на единой основе. Напомним, что в то время ещё ничего не было известно о строении атомов и их связи со свойствами химических элементов, хотя атомную массу, или, как тогда говорили, атомный вес, измерять умели. Именно атомную массу и принял Д. И. Менделеев в качестве главной характеристики при построении периодической системы. Расположив элементы в порядке возрастания атомных масс, Менделеев наблюдал периодическое изменение их свойств. Эту закономерность он сформулировал в виде Периодического закона химических элементов.

В марте 1869 г. учёный представил свои результаты Российскому химическому обществу, а через два года опубликовал статью, в которой сформулировал этот закон так:

«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса».

Суть открытия, сделанного Менделеевым, заключается в следующем. По мере увеличения атомной массы элементов их свойства постепенно меняются.

Рис. 120. Д. И. Менделеев

Однако в определённый момент после изменения атомной массы ещё на одну единицу свойства следующего элемента меняются резко, скачком, и этот элемент оказывается похож на тот, который уже был в цепочке элементов несколькими позициями ранее. Эта закономерность отражена в Периодической системе химических элементов.

Рис. 121. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Давайте внимательно рассмотрим периодическую систему (рис. 121). В её структуре различают горизонтальные ряды, которые образуют малые и большие периоды. Первый период содержит всего два элемента – водород и гелий. Второй и третий периоды тоже состоят из одного ряда, но содержат уже по восемь элементов. Начинаются они с щелочного металла (лития или натрия) и заканчиваются инертным газом (неоном или аргоном). Во всех периодах с увеличением относительных атомных масс (слева направо) наблюдается ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов. Четвёртый и пятый периоды также начинаются щелочным металлом и заканчиваются инертным газом, но в каждом из них содержится по восемнадцать элементов. Эти периоды представлены двумя рядами в периодической системе и называются длинными периодами. Шестой период включает в себя 32 элемента, но в периодической системе тоже занимает два ряда с таким же числом ячеек, как и два предыдущих периода. Это возможно потому, что пятнадцать элементов из этого периода, обладающие почти одинаковыми химическими свойствами, помещены в одной ячейке под номером 57. Они называются лантаноидами по наименованию первого из них – лантана и перечислены в дополнительной строке. Аналогично обстоит дело с седьмым периодом, где в ячейке 89 вместе с актинием умещаются ещё четырнадцать элементов, называемых актиноидами.

Вертикальные столбцы периодической системы – группы – образованы элементами, обладающими схожими химическими свойствами. Каждая группа делится на две подгруппы, которые раньше называли главной и побочной подгруппами. В настоящее время главную подгруппу обозначают латинской буквой А, а побочную – буквой В. Для примера рассмотрим первую группами. Щелочные металлы литий, натрий, калий, цезий, рубидий и франций образуют IA группу. Это одновалентные металлы, легко вступающие в химические реакции. В III группу входят медь, серебро и золото. Они тоже являются металлами, но их химические свойства отличаются от тех, которыми обладают щелочные металлы.

Периодический закон получил всеобщее признание не сразу. Во– первых, во время его открытия ещё ничего не было известно о строении атомов и его связи со свойствами химических элементов. Поэтому казалось, что обнаруженная Менделеевым закономерность не имеет под собой надёжной физической основы. Во-вторых, как оказалось, атомные массы некоторых элементов до этого были определены неправильно, и Менделеев взял на себя смелость изменить их, опираясь только на обнаруженную им периодическую закономерность. Он справедливо полагал, что эти вопросы найдут своё объяснение при выявлении сложной структуры атома. Впоследствии правота его утверждений подтвердилась. В-третьих, в периодической системе оказались пустые ячейки, которым не соответствовал ни один из известных на то время элементов. Менделеев предсказал, что эти элементы существуют, и действительно, в 1875 г. был открыт галлий, в 1879 г. – скандий, а в 1886 г. – германий. С середины 1880-х гг. периодический закон был окончательно признан, но полное своё объяснение он получил только после того, как стало известно строение атома.

Проверьте свои знания

1. Какая закономерность была положена Д. И. Менделеевым в основу открытого им периодического закона?

2. Какие элементы расположены в начале периодов в Периодической системе Д. И. Менделеева, а какие – в их конце?