Массовое число атома. Изотопы. Понятие об радиоактивности
Почему же сейчас главной характеристикой периодичности элементов является заряд атомов, а не относительная атомная масса?
Обратите внимание, что элемент иод I размещается после теллура Te, хотя его атомная масса меньше. После открытия в конце XIX в. благородных газов, аргон Ar был помещен в таблице перед калием, хотя его атомная масса (39,95) больше атомной массы калия K (39,10). В то время этот факт не был объяснен, так как Д.И. Менделеев руководствовался принципом периодичности, согласно которому эти элементы должны были занимать места в соответствии с химическими свойствами и относительными атомными массами их атомов.
Установлено, что атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы. Это объясняется тем, что в их ядрах с одним и тем же числом протонов может находиться разное число нейтронов.
А = Z + N
Массовое число практически определяет массу ядра и, следовательно, массу всего атома, так как масса электронов составляет ничтожную часть общей массы атома.
Относительный заряд ядра атома Z (т. е. число протонов) и его массовое число А указывают числовыми индексами слева от символа химического элемента — AZЭ, например, 1635S, 1940K.
Для обозначения нуклида используют название элемента или его символ, где указывают только массовое число: углерод-12 или 12С; кислород-16 или 16О.
Число нейтронов N в ядре атома любого нуклида легко подсчитать по разности N = А − Z. Так, у нуклида серы 35S в ядре находится 19 нейтронов (35 − 16 = 19), а у нуклида калия 40K — 21 (40 − 19 = 21).
Обратите внимание, что массовые числа их нуклидов выражаются целыми числами, а относительные атомные массы элементов не являются целочисленными величинами. Это объясняется тем, что в природе большинство химических элементов существуют в виде смеси нуклидов, каждый из которых характеризуется своим собственным значением массового числа. Поэтому относительная атомная масса данного элемента является усредненной величиной относительных атомных масс его нуклидов. Конечно, при этом учитывается содержание каждого нуклида в их природной смеси.
Вот почему относительная атомная масса калия меньше, чем у аргона. У калия более 93 % его природных атомов имеет массовое число 39, а у аргона 99 % природной смеси приходится на долю нуклида аргон-40. Поэтому относительная атомная масса калия ближе к 39, а аргона — к 40. Однако заряд ядра атомов калия равен 19+, а аргона 18+, и поэтому в таблице они размещаются согласно этой главной характеристике химического элемента.
В начале XX в. было доказано, что большинство химических элементов в природе существует в виде нескольких нуклидов. Так природный литий (Z = 3), кроме нуклидов, в атомных ядрах которых находится 4 нейтрона, имеет нуклиды с числом нейтронов 3. Массовые числа таких нуклидов равны соответственно 6 и 7: 63Li и 73Li. Нуклиды такого типа назвали изотопами.
Нуклиды 11H (протий), 21H (дейтерий), 31H (тритий) — это изотопы водорода.
Решите самостоятельно: рассчитайте число нейтронов в изотопах водорода.
Изотопы в переводе означает “занимающий одно место”— это разновидности атомов одного и того же элемента, в ядрах которых содержится разное число нейтронов. Изотопы любого элемента действительно занимают одно место в периодической системе, так как принадлежат одному и тому же элементу.
По устойчивости атомных ядер все нуклиды можно разделить на два типа: стабильные и нестабильные.
Большинство нуклидов являются стабильными, т.е. ядра их существуют долго являются устойчивыми. Это водород-1, кислород-16, углерод-12, литий-6, литий-7 и др.
Устойчивость ядра зависит только от соотношения между числом протонов и нейтронов (для каждого элемента оно свое). Если это соотношение находится за определенными пределами, ядро (а вместе с ним и атом) становится неустойчивым. Оно самопроизвольно распадается, превращаясь в ядра атомов других элементов. При этом происходит испускание различных частиц. Это явление и есть радиоактивность.
Например, ядра атомов радия-226 (или 226Ra) распадаются на ядра атомов радона-222 (или 222Rn) и ядра атомов гелия-4 (или 4He):
22688Ra = 22286Rn + 42He.
Нуклиды, способные к радиоактивному распаду, называются радионуклидами. Например, уран-238, иод-131, стронций-90, цезий-137 — радионуклиды.