L'un des concepts fondamentaux chimie - la masse atomique d'un élément, utilisée dans presque tous les calculs chimiques. La capacité de calculer la masse atomique sera principalement utile aux écoliers et à ceux qui envisagent d'étudier la chimie à l'avenir. Cependant, la formule pour calculer la masse atomique est incroyablement simple.

Définition et formule

Masse atomique est la somme des masses de tous les protons, neutrons et électrons qui composent un atome. Comparée aux masses des protons et des neutrons, la masse des électrons est négligeable, les électrons ne sont donc pas pris en compte dans les calculs. Puisque la masse des neutrons et des protons eux-mêmes est calculée avec des nombres infinitésimaux de 27 degré négatif, puis pour faciliter les calculs, la masse atomique relative est utilisée, qui est exprimée en unités atomiques sans visage.

Unité de masse atomique- Ce valeur relative, égal à 1/12 de la masse du noyau de carbone 12 dont le noyau contient 6 neutrons et 6 protons. Ainsi, la formule pour déterminer la masse atomique ressemble à ceci :

Masse = nombre de neutrons + nombre de protons.

Cette formule est utilisée pour calculer masses atomiques isotopes individuels d'éléments chimiques. Cela signifie que la masse de l'uranium-238 est de 238 uma, tandis que l'uranium-235 a un nombre de masse de 235. Cet élément chimique est généralement riche en isotopes, il existe donc des noyaux d'uranium avec des nombres de masse de 232, 233, 234, 235. 236 et 238. Malgré cette diversité, l'uranium 238 occupe 99 % de tout l'uranium dans la nature, donc si vous calculez la valeur moyenne des numéros atomiques, l'élément chimique uranium a un poids atomique de 238,029.

Il est donc important de comprendre la différence entre la masse atomique et le poids atomique moyen :

• masse atomique - la somme des neutrons et des protons d'un isotope particulier (toujours un nombre entier) ;
• poids atomique - la moyenne arithmétique des masses atomiques de tous les isotopes présents dans la nature (généralement un nombre fractionnaire).

Un autre exemple

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'Univers. 99 % de l’hydrogène est du protium ou hydrogène-1, qui ne contient qu’un seul proton. Il existe également des isotopes : le deutérium ou hydrogène-2 et le tritium ou hydrogène-3. Ces isotopes ont respectivement des masses atomiques de 2 et 3, mais ils sont extrêmement rares dans la nature, le poids atomique de l'hydrogène est donc de 1,00784.

Trouver la masse atomique

Définir numéro atomique pour l'élément sélectionné à l'aide du tableau périodique. Le numéro d'élément dans le tableau correspond toujours au nombre de protons dans le noyau. Par exemple, l’hydrogène mentionné ci-dessus porte le premier numéro du tableau et ne contient qu’un seul proton. Le tableau ci-dessous montre toujours le poids atomique moyen d'un élément, qui doit être arrondi au nombre entier le plus proche pour les calculs.

Affiche initialement toutes les informations sur le nombre de protons et d'électrons dans un atome, ainsi que sa masse atomique. C'est pourquoi dans tâches scolaires Pour déterminer la masse atomique, il suffit d'utiliser le tableau périodique et de ne faire aucun calcul particulier.

Habituellement, dans les cours de chimie, on le met problème inverse: comment déterminer le nombre de neutrons dans un isotope particulier ? Dans ce cas, une formule simple s’applique :

Nombre de neutrons = masse atomique – numéro atomique.

Par exemple, l'atome d'hydrogène-1 ne contient pas de neutrons, puisque son numéro atomique est également égal à un. Mais le tritium est déjà de l’hydrogène avec un proton et deux neutrons. Le tritium est un isotope instable. Il se décompose facilement en atomes d'hélium, électrons libres et les antineutrinos, qui libèrent une certaine quantité d'énergie. Isotopes instables sont dits radioactifs.

Regardons un exemple

Détermination de la masse atomique

Considérons l'oxygène - un élément chimique qui a un numéro atomique de 8 tableau périodique Mendeleïev. Cela signifie que l’oxygène possède 8 protons dans son noyau, ainsi que 8 électrons sur ses orbites. La masse atomique indiquée dans le tableau est de 16 a. e. m, pour calculer lequel nous n'avons pas besoin d'une calculatrice. À partir de ces informations, nous pouvons déterminer qu’un atome d’oxygène contient 8 neutrons. Cependant, le nombre de neutrons peut facilement changer en fonction des conditions extérieures.

Si l’oxygène perd ou gagne un neutron, nous obtenons un nouvel isotope dont la masse atomique change. À l'aide d'une calculatrice, vous pouvez calculer les nombres de masse de différents isotopes de l'oxygène, qui contiennent cependant la réponse à cette question dans leur nom même. Dans la nature, il existe 3 isotopes stables de l’oxygène : l’oxygène-16, l’oxygène-17 et l’oxygène-18. Les deux derniers ont des neutrons « supplémentaires » dans le noyau.

De plus, il existe des isotopes instables de l’oxygène, dont la demi-vie varie de quelques minutes à des millionièmes de nanosecondes.

Conclusion

Numéro de masse - paramètre important tout élément avec lequel ils sont calculés masses molaires lors de la réalisation de réactions chimiques. Cependant, le nombre de masse est toujours indiqué dans le tableau périodique de Mendeleev, notre calculatrice sera donc principalement utile aux écoliers qui commencent tout juste à étudier l'étonnante science de la chimie.

À Comme on le sait, les isotopes sont des variétés d'atomes d'un élément chimique dont les noyaux contiennent le même nombre de protons ( Z) et divers – neutrons ( N). Somme UN = Z + N– nombre de masse – sert la caractéristique la plus importante isotope. Le phénomène d'isotopie a été découvert en décembre 1913 par le radiochimiste anglais F. Soddy dans les éléments radioactifs de la fin du tableau périodique. Elle a ensuite été découverte dans des éléments stables. Pour plus d'informations sur l'histoire des isotopes, voir les ouvrages.

Les isotopes radioactifs naturels sont regroupés en trois « familles » dont les ancêtres sont le thorium-232, l'uranium-238 et l'uranium-235 à vie longue (leurs demi-vies se mesurent en milliards d'années). Les « familles » se terminent isotopes stables plomb ( Z= 82)s UN= 208, 206 et 207 respectivement. Dans les lacunes se trouvent des isotopes d'éléments à vie courte avec Z= 81-92, reliés par des « chaînes » a - et b -les désintégrations. Le nombre total de membres des « familles » (à l’exclusion des espèces stables d’atomes de plomb) est de 41.

Plus de 1 600 isotopes artificiels ont été synthétisés par diverses réactions nucléaires dans la gamme Z de 1 à 112 (et pour certains éléments plus de 20).

Le sujet de notre attention sera les isotopes stables. Le principal mérite de leur découverte appartient au physicien anglais F. Aston. En 1919, il a établi que le gaz inerte néon (poids atomique 20,2) est un mélange de deux isotopes de poids atomique 20 et 22. Le scientifique a mené des recherches pendant une quinzaine d'années et a découvert 210 isotopes stables de la plupart des éléments. Une contribution importante appartient au scientifique américain A. Dempster - 37 isotopes. D'autres chercheurs ont également participé aux travaux, mais la plupart se sont limités à identifier un ou deux nouveaux types d'atomes. Un événement important fut la découverte en 1929 d'isotopes de l'oxygène avec UN, égal à 17 et 18, par W. Dzhiok et G. Johnston (USA) ; Aston pensait auparavant que seul 16 O existait. La présence de trois isotopes de l'oxygène a influencé le choix de l'échelle de poids atomique. En 1932, G. Ury, F. Brickwedde et G. Murphy (USA) découvrent un isotope lourd de l'hydrogène - le deutérium avec UN= 2. Le vanadium-50 fut le dernier à être découvert (1949).

Les informations sur les isotopes stables sont données dans le tableau (voir p. 2). Certains d'entre eux sont marqués d'un astérisque (potassium-40, vanadium-50, rubidium-87, indium-115, antimoine-123, lanthane-138, cérium-142, néodyme-144, samarium-147, lutétium-176, rhénium). - 187, platine-190 et plomb-204) : trouvés dedans (ou théoriquement possible) b -la radioactivité ou un -radioactivité (Ce, Nd, Sm, Pt) c très de longues périodes(> 10 15 ans). Cependant, ils peuvent en fait être considérés comme stables. Le tableau comprend également les isotopes radioactifs du thorium et de l'uranium, contenus sur Terre en quantités assez importantes.

Un tableau similaire n'est donné que dans quelques monographies spéciales. L'analyse des modèles associés aux isotopes stables est une discipline spéciale parfois appelée statistiques isotopiques.

Le tableau contient 282 isotopes stables, dont le nombre varie considérablement selon les éléments. Un seul type est caractéristique de 21 éléments avec des impairs Z(l'exception est le béryllium avec Z= 4). 20 éléments ont deux isotopes, également impairs Z(sauf hélium avec Z= 2 et carbone c Z= 6). Six éléments - l'oxygène, le néon, le magnésium, le silicium, l'argon et le potassium - sont représentés par trois isotopes, tous les autres éléments ayant même Z il y a de 4 à 10 isotopes. Les « détenteurs de records » sont le cadmium et le tellure (8 isotopes chacun), le xénon (9) et l'étain (10). Il manque des éléments dans le tableau avec Z= 43 (technétium) et Z= 61 (prométhium). Ils ne possèdent pas d’isotopes stables et sont produits artificiellement par des réactions nucléaires. Isotopes avec UN, égal à 5 ​​et 8.

La plupart des isotopes (173) ont des nombres pairs UN, et presque tous en contiennent des quantités égales dans les noyaux des atomes Z Et N. Isotopes impairs UN sensiblement moins (109). Pour les éléments avec même Z il n'y a pas plus de deux isotopes avec des nombres impairs UN(exception – Ar avec Z= 18 et Ce s Z= 58, tous leurs isotopes sont pairs UN).

Une collection d'isotopes d'un élément avec une valeur spécifique Z(s’il y en a plusieurs) est appelée une « pléiade ». La prévalence des isotopes individuels dans la « pléiade » est différente. Pour les représentants « légers » du tableau périodique ( Z < 32) при четных Z isotopes avec prédominance valeurs plus petites UN. Dans les éléments ultérieurs, au contraire, la nature donne la préférence aux isotopes de valeurs plus élevées. UN. De deux isotopes impairs Z le plus courant est celui avec UN moins.

En général, l'image est comme ça. Pour les éléments allant de l'hydrogène au nickel ( Z= 28), il y a une abondance fortement accrue d'un isotope. Pour les grandes valeurs Z, bien que le contenu en isotopes de la « pléiade » diffère (parfois de manière assez significative), le facteur de « leadership » absolu n'apparaît plus.

Les éléments les plus courants dans la nature sont (% en poids de la croûte terrestre) : oxygène (47), silicium (29,5), aluminium (8,05), fer (4,65), calcium (2,96), sodium (2,5), potassium. (2,5) et magnésium (1,87). Leur contenu total est supérieur à 99 %. Le reste représente donc moins de 1 %.

Parmi ces « huit », l’aluminium et le sodium sont représentés par un seul type d’atome (27 Al et 23 Na) ; dans d'autres, l'un des isotopes a une teneur nettement prédominante (16 O, 28 Si, 56 Fe, 40 Ca, 39 K, 24 Mg). Ainsi, les isotopes répertoriés constituent le matériau à partir duquel toute la « terre solide » est réellement construite. Les principaux « composants » de l’atmosphère sont le 14 N et le 16 O. Enfin, l’espace aquatique est une combinaison du même isotope de l’oxygène avec un isotope léger de l’hydrogène (1 H). L'hydrogène, l'oxygène, ainsi que le carbone et l'azote sont inclus dans tous les organismes végétaux et animaux et sont donc séparés en un groupe spécial d'éléments - organogènes.

Il s’avère ainsi que seuls dix isotopes stables sont responsables de manière décisive de l’infinie diversité de la nature inorganique et organique.

P.Pourquoi près de la moitié des éléments existant sur Terre sont-ils représentés par seulement un ou deux types d’atomes ? Pourquoi les contenus des isotopes individuels dans les « pléiades » diffèrent-ils généralement de manière marquée ? Finalement, pourquoi la nature favorise-t-elle les variétés d’atomes de valeur égale ? Z? La liste de questions similaires peut facilement être poursuivie. La physique nucléaire théorique y apporte des réponses plus ou moins complètes. Bien entendu, dans le cadre de cet article, il est même impossible aperçu généralénoncer leur essence. À cet égard, nous nous limiterons à considérer un seul modèle, mais très important, qui détermine en grande partie les « statistiques » des isotopes stables.

En physique nucléaire, il existe un concept "isobares"– variétés d'atomes avec le même UN, mais différent Z Et N. En 1934, le scientifique allemand J. Matthauch formulait la règle : si deux isobares diffèrent de 1 dans les valeurs Z, alors l'une d'elles doit être instable. Par exemple, dans une paire d’isobares 40 Ar – 40 K, cette dernière est radioactive. Cette règle permet d'apporter une certaine clarté à certaines caractéristiques des « statistiques isotopiques ».

Pourquoi faire des éléments avec Z= 43 et 61 ne sont pas des isotopes stables ? En principe, ils pourraient en avoir un ou deux espèces résistantes atomes. Cependant, les éléments adjacents au technétium et au prométhium (respectivement molybdène et ruthénium, néodyme et samarium) sont représentés dans la nature par un grand nombre d'isotopes dans une large gamme. UN. Selon la règle des isobares, les valeurs probables UN Pour Z= 43 et 61 s'avèrent être « interdits ». Lorsque les isotopes du technétium et du prométhium ont été synthétisés, il s'est avéré que la plupart d'entre eux se caractérisent par une faible espérance de vie.

Les isotopes marqués d'un astérisque dans le tableau forment des paires isobares avec des isotopes d'éléments voisins (par exemple, 87 Pb avec 87 Sr, 115 In avec 115 Sn, etc.), mais ils sont radioactifs dans une très faible mesure.

À l'aube du développement évolutif de la Terre, l'abondance des isotopes de divers éléments différait de celle moderne. De nombreux isotopes radioactifs ayant des demi-vies relativement longues étaient également présents. Peu à peu, ils se sont transformés en isotopes stables d'autres éléments, ce qui a modifié leur contenu dans les « pléiades ». Seuls les thorium-232, uranium-238 et uranium-235 « primaires » ont été conservés, mais aussi leurs ressources terrestres diminué au fil des milliards d’années. S’ils n’avaient pas une durée de vie aussi longue, les éléments « secondaires », dont les isotopes constituent des « familles » radioactives, seraient désormais absents. Dans ce cas, la limite supérieure naturelle du tableau périodique serait le bismuth avec Z = 83.

Ainsi, la règle isobare jouait une sorte de rôle de « tri ». Il a « éliminé » les variétés d’atomes ayant une courte durée de vie, modifié la composition isotopique originale des éléments et a finalement contribué à la formation finale de l’image du « monde des isotopes stables » présentée dans le tableau.

Depuis la création de l'atomisme chimique par J. Dalton, le poids atomique (masse) a longtemps été la seule caractéristique quantitative fondamentale d'un élément. Sa détermination pour de nombreux éléments nécessitait des recherches expérimentales minutieuses et dépendait du choix d'un certain « point de référence » - l'échelle des poids atomiques (oxygène O = 16 ou hydrogène H = 1). En 1864, le chimiste anglais J. Newlands fut le premier à classer les éléments connus à l'époque par ordre croissant de poids atomiques. Cette séquence naturelle a contribué de manière significative à la découverte de la loi périodique et au développement de la structure du tableau périodique.

Cependant, dans trois cas, l'augmentation des poids atomiques a été violée : le cobalt était plus lourd que le nickel, le tellure était plus lourd que l'iode et l'argon était plus lourd que le potassium. De telles « anomalies », comme le pensaient certains chercheurs, sapaient les fondements de la loi périodique. D.I. Mendeleïev lui-même n'attachait pas d'importance sérieuse à ces « anomalies », estimant que tôt ou tard elles recevraient une explication. C’est ce qui s’est réellement passé. Cependant, s'il n'y avait pas trois, mais davantage d'« anomalies », alors l'énoncé même du phénomène de changements périodiques dans les propriétés des éléments ne serait pas aussi évident. Mais le fait est que la nature a limité leur nombre.

Unr = 1/100( aA 1 + BA 2 + Californie 3 ...),

Où UN, b, Avec– teneur (en %) dans la « pléiade » d’isotopes avec nombres de masse UN 1 , UN 2 , UN 3...respectivement. Comme le montre le tableau, l'isotope avec prédomine nettement dans l'argon UN= 40, alors que le potassium a un plus léger UN= 39. La même image est observée pour les autres « paires anormales » ( UN= 59 – pour le cobalt et UN= 58 – pour le nickel ; UN= 130 – pour le tellure et UN= 127 – pour l'iode). Pour cette raison, les masses atomiques des éléments précédents par paires sont supérieures à celles des éléments suivants.

Nombre de masse d'isotopes stables et leur abondance relative

Note. Les éléments qui n’ont pas d’isotopes, ainsi que l’isotope le plus courant dans la « pléiade », sont mis en évidence en gras.

DANS 1911-1914 un modèle nucléaire-électronique de l'atome par E. Rutherford - N. Bohr a été développé et A. Van den Broek et G. Moseley ont prouvé que le numéro de série d'un élément dans le tableau périodique est numérique égal à la charge le noyau de son atome. Du coup, c'est devenu évident : une série d'éléments chimiques, disposés par ordre croissant de leurs poids atomiques, coïncidait presque parfaitement (à l'exception des « anomalies ») avec la séquence d'éléments correspondant à une augmentation monotone Z.

La raison de cette étonnante coïncidence réside dans la « fixité » de la composition isotopique des éléments existant sur Terre. Nous avons déjà noté qu'au début de son évolution cette composition était différente. Cependant, il ne pouvait pas différer sensiblement du modèle moderne. Par conséquent, l’abondance initiale d’isotopes stables était le résultat de processus associés à des événements fondamentaux dans le domaine des concepts astrophysiques. Plus précisément, avec le problème de l'origine des éléments.

Dans les années 1920. des idées ont été exprimées selon lesquelles la formation d'éléments se produit dans l'atmosphère des étoiles, dans des conditions de températures et de pressions très élevées. Plus tard, ils ont commencé à développer théories générales origine des éléments. L'un d'eux, proposé en 1948 par R. Alfer, G. Boethe et G. Gamow, supposait que la synthèse des éléments se produisait à la suite d'une « explosion » étoile à neutrons. Les neutrons libérés se désintègrent en protons et en électrons. Les protons et les électrons étaient regroupés en systèmes plus complexes - des atomes de divers éléments. Selon les auteurs de la théorie, en capturant séquentiellement les neutrons et b – - les désintégrations des atomes résultants ont donné naissance à un grand nombre d'isotopes radioactifs et stables, y compris ceux qui existent aujourd'hui sur Terre. De plus, l'ensemble du processus de synthèse a été réalisé en 15 minutes (!). Cependant, cette théorie élégante s’est avérée intenable. Ainsi, les isotopes avec UN= 5 et 8 (ils ne sont d'ailleurs pas dans le tableau) sont si instables qu'ils se désintègrent avant que leurs noyaux n'aient le temps de capturer le neutron suivant.

Il est désormais prouvé que la synthèse des éléments se produit constamment dans les étoiles, et à différents stades de leur évolution. Certains ensembles d'isotopes sont formés en raison de diverses réactions nucléaires. L'abondance cosmique des éléments, qui diffère sensiblement de celle terrestre, a reçu une explication assez satisfaisante. Ainsi, l’hydrogène et l’hélium sont dominants dans l’espace. Cependant, à mesure que vous augmentez Z cette différence devient moins prononcée.

Le « cadre » de la composition isotopique moderne des éléments sur Terre a été construit il y a plusieurs milliards d'années, et sa « finition » est déjà associée aux processus qui se sont produits tout au long de l'histoire de notre planète.

En conclusion, prêtons attention à une « nuance » terminologique importante. Le concept même d’« isotope » est légitime lorsque nous parlons de sur les espèces atomiques avec des significations spécifiques Z. Si des espèces avec des Z, puis dans dans ce cas l'utilisation du nom « isotope » n'est pas suffisamment justifiée (après tout, les types d'atomes situés dans différentes cellules du tableau périodique sont comparés).

De nos jours, le terme « nucléide », introduit par le physicien américain T. Coman en 1947, s'est répandu : « Type d'atome caractérisé par la composition de son noyau, en particulier le nombre de protons et de neutrons qu'il contient. » Dans le tableau ci-dessus, le mot « isotopes » pourrait donc être remplacé par « nucléides ». Toutefois, ce remplacement n’affecterait en rien tous les raisonnements ultérieurs.

LITTERATURE UTILISÉE

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D.N. TRIFONOV

Au cours du développement de la science, la chimie a été confrontée au problème du calcul de la quantité de substance nécessaire à la réalisation des réactions et des substances obtenues au cours de celles-ci. Aujourd'hui pour de tels calculs réaction chimique

entre les substances et les mélanges, la valeur de la masse atomique relative incluse dans le tableau périodique des éléments chimiques de D.I. Mendeleev est utilisée.

Processus chimiques et influence de la proportion d'un élément dans les substances sur le déroulement de la réaction

La science moderne, par la définition de « masse atomique relative d'un élément chimique », signifie combien de fois la masse d'un atome d'un élément chimique donné est supérieure au douzième d'un atome de carbone. Avec l'avènement de l'ère de la chimie, la nécessité de définitions précises

la progression de la réaction chimique et ses résultats se sont accrus. Par conséquent, les chimistes ont constamment essayé de résoudre le problème des masses exactes d’éléments en interaction dans une substance. L'un des meilleures solutions

à cette époque, il existait un lien vers l'élément le plus léger. Et le poids de son atome était considéré comme un seul.

Le cours historique du comptage de la matière

On a d'abord utilisé de l'hydrogène, puis de l'oxygène. Mais cette méthode de calcul s’est révélée inexacte. La raison en était la présence d'isotopes de masses 17 et 18 dans l'oxygène.

Par conséquent, avoir un mélange d’isotopes produit techniquement un nombre autre que seize. Aujourd'hui, la masse atomique relative d'un élément est calculée à partir du poids de l'atome de carbone pris comme base, dans un rapport de 1/12.

Dalton a jeté les bases de la masse atomique relative d'un élément

D'après les expériences de Lavoisier, l'eau contient quinze pour cent d'hydrogène et quatre-vingt-cinq pour cent d'oxygène. Avec ces données, Dalton a calculé que la masse atomique relative de l’élément qui compose l’eau, en l’occurrence l’oxygène, est de 5,67. L’erreur dans ses calculs vient du fait qu’il croyait incorrectement au nombre d’atomes d’hydrogène dans une molécule d’eau.

Selon lui, il y avait un atome d’hydrogène pour chaque atome d’oxygène. En utilisant les données du chimiste Austin selon lesquelles l'ammoniac contient 20 pour cent d'hydrogène et 80 pour cent d'azote, il a calculé la masse atomique relative de l'azote. Avec ce résultat, il est arrivé à une conclusion intéressante. Il s'est avéré que la masse atomique relative (la formule de l'ammoniac a été prise par erreur avec une molécule d'hydrogène et d'azote) était de quatre. Dans ses calculs, le scientifique s’est appuyé sur le système périodique de Mendeleev. Selon l'analyse, il a calculé que la masse atomique relative du carbone est de 4,4, au lieu des douze précédemment acceptées.

Malgré ses graves erreurs, c'est Dalton qui fut le premier à créer un tableau de certains éléments. Il a subi des changements répétés au cours de la vie du scientifique.

Le composant isotopique d'une substance affecte la valeur de précision du poids atomique relatif

Lorsque vous examinez les masses atomiques des éléments, vous remarquerez que la précision de chaque élément est différente. Par exemple, pour le lithium, il s’agit de quatre chiffres et pour le fluor, de huit chiffres.

Le problème est que la composante isotopique de chaque élément est différente et non constante. Par exemple, dans eau ordinaire contient trois types d’isotopes de l’hydrogène. Ceux-ci comprennent, outre l'hydrogène ordinaire, le deutérium et le tritium.

La masse atomique relative des isotopes de l’hydrogène est respectivement de deux et trois. L'eau « lourde » (formée de deutérium et de tritium) s'évapore moins facilement. Il y a donc moins d’isotopes de l’eau à l’état vapeur qu’à l’état liquide.

Sélectivité des organismes vivants envers différents isotopes

Les organismes vivants ont une propriété sélective envers le carbone. Pour construire molécules organiques du carbone avec une masse atomique relative de douze est utilisé. Par conséquent, les substances d’origine organique, ainsi qu’un certain nombre de minéraux, tels que le charbon et le pétrole, contiennent moins de contenu isotopique que les matières inorganiques.
Les micro-organismes qui traitent et accumulent le soufre laissent derrière eux l'isotope du soufre 32. Dans les zones où les bactéries ne traitent pas, la proportion d'isotope du soufre est 34, c'est-à-dire beaucoup plus élevée. C'est sur la base du taux de soufre dans les roches du sol que les géologues arrivent à une conclusion sur la nature de l'origine de la couche - si elle est de nature magmatique ou sédimentaire.

De tous les éléments chimiques, un seul ne contient pas d’isotopes : le fluor. Par conséquent, sa masse atomique relative est plus précise que celle des autres éléments.

Existence de substances instables dans la nature

Pour certains éléments masse relative indiqué dans crochets. Comme vous pouvez le constater, ce sont les éléments situés après l’uranium. Le fait est qu'ils n'ont pas d'isotopes stables et se désintègrent pour être libérés rayonnement radioactif. Par conséquent, l’isotope le plus stable est indiqué entre parenthèses.

Au fil du temps, il est devenu évident qu’il était possible d’obtenir un isotope stable à partir de certains d’entre eux dans des conditions artificielles. Il a fallu modifier les masses atomiques de certains éléments transuraniens dans le tableau périodique.

En synthétisant de nouveaux isotopes et en mesurant leur durée de vie, il était parfois possible de découvrir des nucléides dont la demi-vie était des millions de fois plus longue.

La science ne reste pas immobile, de nouveaux éléments, lois, relations sont constamment découverts divers processus en chimie et en nature. Par conséquent, sous quelle forme la chimie et tableau périodique Les éléments chimiques de Mendeleev dans le futur, dans cent ans, sont vagues et incertains. Mais j'aimerais croire que les travaux des chimistes accumulés au cours des siècles passés serviront à de nouvelles connaissances plus avancées de nos descendants.

Masses de certains isotopes

Nous trouvons dans le tableau. Valeurs 26.1 et 26.2 :

masse de l'atome 1 H 2 : 2,01410 amu,

masse du proton : 1,00728 amu,

masse des neutrons : 1,00866 amu,

masse électronique : 0,00055 amu

Masse du noyau 1 H 2 = (masse de l'atome 1 H 2) – (masse de l'électron) =

2,01410 – 0,00055 = 2,01355 uma ;

(masse des protons + masse des neutrons) = 1,00728 + 1,00866 =

2,01594 amu

Comme vous pouvez le constater, 2.01594 > 2.01355 !

La différence entre les masses des nucléons qui composent le noyau et la masse du noyau lui-même s'appelle défaut de masse .

Problème 26.4. Calculer le défaut de masse, l'énergie de liaison et énergie spécifique liaisons du noyau d'hélium 2 He 4 (en MeV).

La masse d'un atome est la somme de la masse du noyau et de la masse Zélectrons :

t un = T moi + Zme Þ T je = t a – Zm e.

Alors le défaut de masse du noyau est égal à :

D T = Zm p +(A à Z)mn – (t a – Zm e) =

= Z(m p + c'est-à-dire) + (A à Z)mn – t a.

Prenons en compte que l'atome d'hydrogène 1 H 1 n'est qu'un « proton + électron », on peut donc supposer que m p + c'est-à-dire = T N, où T H est la masse de l'atome d'hydrogène 1 H 1 . Alors la formule du défaut de masse prendra la forme :

D T = Zm n + (A à Z)mn – t un. (26.3)

Appliquons la formule (26.3) à notre cas : Z = 2, UN= 4, on obtient

D T = 2m n + (4 – 2)mn – t un.

La masse des atomes d'hydrogène 1 H 1 et 2 He 4 se trouve dans le tableau. 26.2, et les valeurs de la masse des neutrons sont dans le tableau. 26.1. Remplaçons dans la formule valeurs numériques et nous obtenons

D T= 2×1,00783 + (4 – 2)×1,00866 – 4,00260 » 0,03038 amu

Rappelons que 1 amu = (g) = kg.

Traduisons D T en kilogrammes : D T= 5,05×10 –29 kg.

Trouvons maintenant l'énergie de liaison à l'aide de la formule :

E sv = D ts 2 , (26.4)

E St = 5,05×10 –29 kg × (3,0×10 8 m/s) 2" 4,55×10 –12 J.

Convertissons les joules en électrons-volts :

E sv = eV » 28,4 MeV.

En utilisant la formule (26.2), nous trouvons l'énergie de liaison spécifique :

7,1 MeV.

Répondre:D T» 0,03038 amu ; E lumière » 28,4 MeV ; E battre » 7,1 MeV.

ARRÊT! Décidez vous-même : A5–A7, B6–B8.

Problème 26.5. L'énergie est libérée ou absorbée dans réaction nucléaire 7 N 14 + 2 He 4 ® 8 O 17 + 1 H 1 ?

Solution. Pour répondre à la question du problème, il faut savoir si le masse du systèmeà la suite de la réaction. La masse des atomes avant la réaction est

Masse des atomes après réaction :

18,00696 > 18,00567.

Cela signifie que l'énergie a augmenté : E 2 > E 1, donc pour que la réaction ait lieu, il faut ajouter de l’énergie « externe ». Et lors de la réaction, cette énergie ajoutée sera absorbée : elle servira à augmenter la masse du système.

Répondre: L'énergie est absorbée.

ARRÊT! Décidez par vous-même : Q9.

Problème 26.6. Quelle quantité d'énergie sera absorbée dans la réaction nucléaire 7 N 14 + 2 He 4 ® 8 O 17 + 1 H 1 ?

Solution. L'énergie absorbée est l'énergie qui a servi à augmenter la masse du système : E = D ts 2 .

Valeur D T peut être trouvé en utilisant le résultat tâche précédente:

D t = 18,00696 – 18,00567 » 1,29×10 –3 amu

Traduisons a.u.m. en kilogrammes :

D t = kg.

E = D ts 2 = 2,14×10 –30 × (3,0×10 8 m/s) 2 » 1,93×10 –13 J.

Convertissons cette énergie en électrons-volts :

E = eV = 1,2 MeV.

Répondre: E = D ts 2 » 1,2 MeV.

ARRÊT! Décidez vous-même : B10, C1, C2.

Problème 26.7. Trouver l'énergie cinétique minimale Wà un proton capable de « briser » un noyau de deutérium en un proton et un neutron.

Solution.

Lecteur: C'est simple : W k = ré ts 2 où D T- Défaut de masse du noyau de deutérium.

Auteur: Pas vraiment. Après tout, les « fragments » de fission - le proton et le neutron - auront une certaine vitesse, ce qui signifie qu'ils auront énergie cinétique. De plus, le proton « entrant » après la collision aura une certaine vitesse.

Laisser vitesse initiale proton υ 0 . Divisons le processus de son interaction avec le noyau en deux étapes : d'abord, le noyau capture un proton et forme un tout avec lui, puis se désintègre en trois fragments : 2 protons et 1 neutron.

Tableau 1.1

Espèces désintégration radioactive noyaux

M. Pfutzner, E. Badura et al. Le phénomène de double désintégration β a été découvert en 1950. M. Ingram et J. Reynolds ont découvert l'isotope 130 Xe parmi les produits de désintégration du 130 Te, ce qui s'expliquait par la transformation de l'isotope 130 Te en isotope 130 Xe avec le émission simultanée de deux électrons et de deux antineutrinos. Depuis, l’étude du phénomène de double désintégration β est devenue l’une d’entre elles. méthodes efficaces

étudier les propriétés des neutrinos, tester le modèle standard.

Diagramme N-Z des noyaux atomiques Z Actuellement, environ 3 500 noyaux atomiques sont connus, représentant diverses combinaisons de nombres de protons. N et les neutrons

• . Selon les estimations existantes, le nombre de noyaux atomiques pourrait être d’environ 7 000. Les noyaux atomiques sont divisés en deux grands groupes -
• noyaux stables,

noyaux radioactifs. Depuis nombre total
~ 3 500 noyaux atomiques connus ~ 350 noyaux sont stables. Isotopes
−noyaux atomiques ayant le même nombre de protons (Z = const) et un nombre différent de neutrons. Isotones − noyaux atomiques ayant même numéro
neutrons (N = const) et différents nombres de protons. Isobares − noyaux atomiques ayant le même nombre de masse A (A = Z + N) et différents numéros

neutrons et protons. Riz. 1.1. Diagramme N-Z

noyaux atomiques.

Tableau 1.2

Le tableau 1.2 montre le numéro de série, le symbole, le nom et le nombre de masses minimale et maximale des isotopes détectés pour tous les éléments chimiques détectés. Éléments chimiques Avec Z= 113 à 118 noms n'ont pas encore été attribués ; ils sont donnés dans des désignations internationales spéciales.
Sur la fig. La figure 1.1 montre un diagramme N-Z de noyaux atomiques. Les points noirs indiquent des noyaux stables. La région où se trouvent les noyaux stables est généralement appelée la vallée de stabilité. Les noyaux de la vallée de stabilité sont caractérisés par le rapport suivant entre le nombre de neutrons N et le nombre de protons Z :

N/Z = 0/98 + 0/015A2/3,

où A = N + Z est le nombre de masse.
Noyaux stables à la lumière (A< 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1.6 в районе A = 250. Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер forces nucléaires et un rôle croissant Interaction coulombienne protons dans le noyau avec un nombre de masse croissant A. Les noyaux lourds sont énergétiquement plus stables s'ils contiennent un plus grand nombre de neutrons N par rapport au nombre de protons Z. Les noyaux stables les plus lourds sont les isotopes du plomb 206, 207, 208 Pb (Z = 82) et bismuth 209 Bi (Z = 83). La stabilité d'un noyau atomique est caractérisée par sa demi-vie. Un certain nombre de noyaux de vallée de stabilité sont considérés comme stables. Cependant, ils peuvent en réalité se désintégrer avec des demi-vies très longues, dépassant souvent la durée de vie de l'Univers t = 13,7·10 9 ans. Un exemple est celui des isotopes 100 Mo, 76 Ge, qui sont considérés comme des isotopes stables, mais leur demi-vie résultant de la double désintégration β est actuellement mesurée.

T 1/2 (100 Mo → 100 Ru + 2e - + 2) = (7,6±0,4) 10 18 ans,
T 1/2 (76 Ge → 76 Se + 2e - + 2) = (1,5±0,1) 10 21 ans,

Une situation similaire se produit dans le cas de certains noyaux, même lourds, Z = 64–78, qui sont considérés comme stables, mais ont une énergie positive par rapport à la désintégration α. Ils sont classés comme noyaux stables, par exemple les isotopes 176-179 72 Hf. Du côté gauche des noyaux stables se trouvent des noyaux surchargés en protons (noyaux riches en protons), à droite des noyaux surchargés en neutrons (noyaux riches en neutrons). Couleur foncée sur la fig. 1.1 met en évidence les noyaux atomiques actuellement découverts. Basé sur divers modèles on pense que le nombre total de noyaux atomiques pourrait être d’environ 7 000.
État lié Un noyau atomique est défini comme un état stable vis-à-vis de l'émission de neutrons ou de protons. La ligne B p = 0 (B p est l'énergie de séparation des protons) limite la région d'existence des noyaux atomiques sur la gauche (ligne d'égouttement des protons). Ligne B n = 0 (B n – énergie de séparation des neutrons) – à droite (ligne de goutte à goutte de neutrons). En dehors de ces limites, les noyaux atomiques ne peuvent exister car ils se désintègrent de manière caractéristique. temps nucléaire(~ 10 -22 s) avec émission d'un ou plusieurs nucléons. Si la durée de vie moyenne d'un noyau est τ< 10 -22 c, обычно считается, что ядро не существует, т.к. за это время не успевает образоваться структура характерная для данного ядра. Обычно считается, что времена жизни радио­актив­ных ядер τ >10h -16h Durées de vie nucléaires dues à l'émission de nucléons, 10 -23 s< τ < 10 -16 c. Ядра, имеющие такие времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций. Среднее время жизни ядра τ и ширина резонанса Г связаны соотношением

τ = ћ/ Г, τ[c] = 6,6·10 -22 /Г[MeV].

Le calcul des limites d'émission des nucléons est assez difficile, car la précision avec laquelle les énergies de liaison des noyaux sont connues (plusieurs centaines de keV) n'est pas suffisante pour déterminer si le noyau sera radioactif ou s'il se désintégrera avec l'émission d'un nucléon.
Par conséquent, la précision de la prédiction de la limite d’existence des noyaux atomiques est de 4 à 5 unités selon UN. Tout d’abord, cela s’applique à la limite où se trouvent les noyaux atomiques instables par rapport à l’émission de neutrons.
Sur la droite coin supérieur Le diagramme N – Z montre la région actuellement étudiée de manière intensive des noyaux atomiques super-lourds. L'étude des noyaux atomiques super-lourds avec Z = 109÷118 a montré que dans cette région des noyaux, les enveloppes nucléaires jouent un rôle important dans l'augmentation de leur stabilité. Un assez bon accord entre les calculs théoriques et les données expérimentales récemment obtenues permet de prédire l'existence d'un îlot de stabilité dans la région Z = 110÷116 et N = 178÷186. Les noyaux de l'îlot de stabilité devraient avoir une stabilité accrue en ce qui concerne les désintégrations α et β et la fission spontanée. Les estimations théoriques montrent que la durée de vie des noyaux situés au centre de l'îlot de stabilité peut être d'environ 10 5 ans. La difficulté de pénétrer dans l'îlot de stabilité est due au fait qu'il est difficile de sélectionner des combinaisons de noyaux appropriés, dont l'utilisation comme cible et particule incidente permettrait d'accéder au centre de l'îlot de stabilité.

Propriétés neutron libre et proton

Radioactivité

La radioactivité est la capacité d'un noyau atomique à se désintégrer spontanément en émettant des particules.
La désintégration radioactive d'un noyau est possible dans le cas où elle est énergétiquement favorable, c'est-à-dire accompagnée d'une libération d'énergie. La condition pour cela est que la masse M du noyau d'origine dépasse la somme des masses m i des produits de désintégration,

Cette condition est nécessaire mais pas toujours suffisante. La désintégration radioactive peut être interdite par d'autres lois de conservation - conservation du moment cinétique, charge électrique, charge baryonique et autres.
La désintégration radioactive est caractérisée par la durée de vie de l'isotope radioactif, le type de particules émises et leurs énergies.
Les principaux types de désintégration radioactive sont :

Désintégration α – émission noyau atomique les particules α ;

• Désintégration β - émission d'un électron et d'un antineutrino, d'un positron et d'un neutrino par un noyau atomique, capture par le noyau électron atomique avec émission de neutrinos ;

Désintégration γ – émission de quanta γ par un noyau atomique ;

• fission spontanée- la désintégration d'un noyau atomique en deux ou trois fragments de masse comparable.

Les types plus rares de désintégration radioactive comprennent :

• double désintégration β - l'émission de deux électrons et de deux antineutrinos par un noyau atomique, l'émission de deux positrons et de deux neutrinos par un noyau atomique, la capture d'un électron par un noyau atomique avec l'émission d'un positron et de deux neutrinos,
• radioactivité des amas - émission de noyaux légers de 12 C à 32 S par un noyau atomique,
• radioactivité des protons - émission de protons depuis l'état fondamental du noyau,
• radioactivité à deux protons - l'émission de deux protons depuis l'état fondamental du noyau,
• Radioactivité neutronique - l'émission de neutrons depuis l'état fondamental du noyau.

Dans tous les types de désintégration radioactive (à l'exception de la désintégration γ), la composition du noyau change : le nombre de protons Z, le nombre de masse A, ou les deux.
Les caractéristiques de la désintégration radioactive sont fortement influencées par les interactions qui provoquent la désintégration. La désintégration α est causée par forte interaction. La désintégration β est causée par une interaction faible et la désintégration gamma est causée par une interaction électromagnétique.
Il y a diverses raisons, grâce à quoi la durée de vie des noyaux instables peut varier de plusieurs ordres de grandeur.

• Faible intensité d'interaction en raison de laquelle la désintégration se produit.
• L'émission de particules lourdes chargées positivement est fortement supprimée par la barrière de potentiel.
• La durée de vie d'un noyau radioactif dépend fortement de l'énergie libérée lors de sa désintégration. Si cette énergie est faible, alors la durée de vie augmente fortement. La désintégration α et l'interaction faible sont caractérisées par une forte dépendance à l'égard de l'énergie de désintégration Q.
• La durée de vie d'un noyau radioactif dépend fortement de la différence entre les spins du noyau initial et final.

Pour caractériser le taux (probabilité) de désintégration radioactive, trois grandeurs interdépendantes sont utilisées : la constante de désintégration λ, la durée de vie moyenne τ et la demi-vie T 1/2.

Loi de la désintégration radioactive

Constante de décroissance λ est la probabilité de désintégration nucléaire par unité de temps. Si l'échantillon au temps t contient N noyaux radioactifs, alors le nombre de noyaux dN qui se sont désintégrés pendant le temps dt est proportionnel à Nλ et à l'intervalle de temps dt :

Le signe « – » signifie qu'en raison de la désintégration, le nombre de noyaux radioactifs dans l'échantillon diminue.
La loi de la désintégration radioactive a la forme :

N(t) = N 0 e −λt ,

où N 0 est le nombre de noyaux radioactifs dans l'échantillon à l'instant initial t = 0, N(t) est le nombre de noyaux radioactifs, pas rompu dans l'échantillon au temps t.
Durée de vie moyenne τ:

.

Demi-vie T 1/2 – temps pendant lequel le nombre initial de noyaux radioactifs est réduit de moitié :

T 1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2.

Activité source

L'activité source I est le nombre moyen de désintégrations des noyaux sources par unité de temps.

L'unité d'activité est considérée comme le nombre de désintégrations se produisant en 1 s dans 1 g de radium, qui est en équilibre avec les produits de désintégration. Cette unité d'activité est appelée « Curie » et est égale à 3,7·10 10 désintégrations par seconde. L'unité SI d'activité est le Becquerel, qui est égal à 1 désintégration par seconde.

1 Curie = 3,7·10 10 désintégrations par seconde.
1 Becquerel = 1 désintégration par seconde.
1 Curie = 3,7 10 10 Becquerel.

En mesurant l'activité de la source I(t), la constante de désintégration λ peut être déterminée. Pour les isotopes ayant de faibles constantes de désintégration et, par conséquent, de longues demi-vies, la relation (1.1) est utilisée. Dans ce cas, le nombre de noyaux N ne change pratiquement pas pendant la mesure et peut être déterminé par des méthodes de spectrométrie de masse. Pour les isotopes avec de grandes constantes de désintégration, la relation est utilisée

Je(t) = Je 0 e −λt .

Si nous traçons la dépendance de l'activité de la source I(t) au temps t sur une échelle semi-logarithmique ln I(t), alors l'angle d'inclinaison φ de la droite par rapport à l'axe t déterminera la valeur de λ.

Riz. 1.2. Un graphique de la désintégration d'un médicament radioactif sur une échelle semi-logarithmique. La ligne continue correspond à la loi de désintégration radioactive I(t) = I 0 e −λt.

Ce qui précède s'applique à un isotope avec un canal de désintégration. La dépendance de l'activité au temps peut être représentée par la somme de deux ou plusieurs exponentielles, c'est-à-dire

Cette dernière montre que la source contient plusieurs isotopes radioactifs ayant des demi-vies différentes. Dans ce cas, la désintégration de chacun des éléments radioactifs se produit indépendamment.
Au cas où médicament radioactif contient deux isotopes radioactifs différents qui ne sont pas liés entre eux par une chaîne de désintégrations successives

Si les demi-vies des isotopes diffèrent considérablement λ 1 >> λ 2 et que le nombre initial de noyaux radioactifs de chaque isotope est comparable, alors à petit t la relation

log(−dI/dt) ≈ log(N 1 λ 1).

En général t

ln(−dI/dt) ≈ ln(N 2 λ 2).

Sur la fig. La figure 1.3 montre sur une échelle semi-logarithmique l'évolution dans le temps de l'activité d'une source constituée de deux composants avec des constantes de désintégration différentes λ 1 et λ 2.

Fig.1.3. Evolution dans le temps de l'activité moyenne d'une source constituée de deux isotopes non liés entre eux par une chaîne de désintégrations successives. Les tangentes des angles φ 1 et φ 2 de la pente de ces droites sont respectivement égales aux constantes de désintégration λ 1 et λ 2, c'est-à-dire tgφ 1 = λ 1, tgφ 2 = λ 2.

La relation (1.2) n'est valable que si les isotopes radioactifs ne sont pas génétiquement liés. Souvent, le noyau II, résultant de la désintégration radioactive du noyau I, est également radioactif et a une constante de désintégration différente λ 2. Dans certains cas, une telle transformation séquentielle de noyaux radioactifs conduit à la formation grand nombre divers isotopes radioactifs (Fig. 1.4). Dans ce cas, la dépendance de l’activité source au temps sera plus complexe.

Riz. 1.4. Une chaîne de désintégrations β successives de noyaux isobares A = 92.

Pour deux désintégrations successives N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t), la variation du nombre de noyaux N 1 (t) et du nombre de noyaux N 2 (t) est décrite par un système de équations

Le nombre de noyaux N 1 (t) diminue en raison de leur désintégration. Le nombre de noyaux N 2 (t) diminue en raison de leur désintégration et augmente en raison de la désintégration des noyaux N 1.
Au cas où conditions initiales t = 0, N 1 (0) = N 10, N 2 (0) = 0 la solution du système d'équations (1.3) a la forme

Si λ 1 > λ 2, la courbe de désintégration aura la même forme que dans le cas de désintégration indépendante de deux isotopes de demi-vies différentes. Si λ 1< λ 2 , кривая логарифма активности будет иметь максимум (рис. 1.5). Подъём на section initiale en raison de l'accumulation de noyaux N 2. Aux temps longs (λ 1 t >> 1), la contribution de l'exponentielle avec λ 1 devient négligeable et un équilibre radioactif se produit, dans lequel les activités sont comparées, et la relation entre les nombres N 1 et N 2 devient indépendante du temps.

N 1 /N 2 = λ 2 /λ 1.

Riz. 1.5. Dépendance du logarithme d'activité sur t pour la chaîne de désintégration N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) à
λ 1< λ 2 .

Désintégrations des isotopes 36 Cl et 212 Bi, qui possèdent plusieurs canaux de désintégration.

L'isotope 36 Cl se désintègre par trois canaux différents.

• β - -désintégration avec une probabilité de 98,1%
• Désintégration β+ avec une probabilité de 1,9 %
• capture électronique avec une probabilité de 0,001 %

L'isotope 212Bi se désintègre par deux canaux différents.

• β - désintégration avec une probabilité de 64%
• Désintégration α avec une probabilité de 36 %

Équilibre séculaire

Dans le cas de plusieurs désintégrations successives

N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) → ...,

lorsque la demi-vie des noyaux N 1 dépasse de loin les demi-vies des autres noyaux

T 1/2 (N 1) >> T 1/2 (N 2), T 1/2 (N 3),...

le nombre de noyaux d'isotopes différents sont liés les uns aux autres par la relation

N 1 (t) : N 2 (t) : N 3 (t) : ... = T 1/2 (N 1) : T 1/2 (N 2) : T 1/2 (N 3) : . ..

Cet état est appelé équilibre séculaire.
Souvent isotope radioactif peut avoir plusieurs canaux de désintégration différents, par exemple, comme c'est le cas pour la désintégration de l'isotope 36 Cl. L'isotope 36 Cl se désintègre avec une probabilité de 98,1 % à la suite de la désintégration β -, avec une probabilité de 1,9 % à la suite de la désintégration β +, la capture e est de 0,001 %. Dans ce cas probabilité totale la désintégration λ se compose de probabilités de désintégration à travers divers canaux

λ = λ 1 + λ 2 + λ 3.

Probabilité relative la désintégration de ω i le long du canal i est déterminée par la relation ω i = λ i /λ.
Si pendant la mesure le nombre de noyaux isotopiques change peu, alors l'activité de la source I et les intensités partielles de désintégration dans les canaux individuels I 1, I 2, I 3 sont liées par la relation

je = λN = je 1 + je 2 + je 3 = λ 1 N + λ 2 N + λ 3 N,

dans ce cas la relation est remplie

Je 1 : Je 2 : Je 3 = λ 1 : λ 2 : λ 3.

Si l'intensité de l'isotope diminue avec le temps, l'intensité de la désintégration dans les canaux individuels I i sera décrite par la relation

Je je (t) = λ je N(t) = λ je N(0)e −λt ,

ceux. le changement de l'intensité de la désintégration le long du canal i I i (t) sera déterminé par la valeur de λ. La quantité T i = ln2/λ i est appelée demi-vie partielle.

Activation isotopique

L'activation est le processus de réception substance radioactive lorsque des noyaux stables sont irradiés avec des neutrons, des protons et d’autres types de rayonnement. Le nombre de noyaux activés dépend du nombre d'atomes dans la cible, de la durée d'irradiation et de la section efficace effective de la réaction nucléaire dans laquelle se forme l'isotope étudié.
Section efficace σ d'un processus caractérise la probabilité de l'interaction considérée d'une particule avec un noyau et est définie comme le rapport du nombre d'événements de ce genre par unité de temps par noyau cible, au flux de particules incidentes à travers une unité de surface de la cible. Si une couche de matière contenant n noyaux coupe ν particules/cm 2 s, alors le nombre d'événements d'interaction m provoqués par elles par unité de temps sera égal à

La section efficace est mesurée dans les étables : 1b = 10 -24 cm2.
Supposons qu'un flux de ν particules/cm 2 s tombe sur un échantillon contenant n noyaux, et que la section efficace efficace pour capturer les particules incidentes avec formation d'un noyau radioactif soit égale à σ. Ensuite, des noyaux radioactifs νnσ se forment dans l’échantillon par seconde. Il faut tenir compte du fait que certains des noyaux nouvellement formés se désintègrent au cours du processus d’activation. Pendant le temps dt, les noyaux νnσdt se forment et λNdt se désintègrent, où N est le nombre de noyaux activés accumulés au temps t. En conséquence, la variation du nombre de noyaux radioactifs est décrite par la relation

dN = νnσdt − λNdt, ou
dN/dt = νnσ − λN.

Pour des temps d'activation importants t > 1/λ l'augmentation du nombre de noyaux radioactifs s'arrête pratiquement (dN/dt → 0). Cela se produit lorsque le nombre de noyaux radioactifs formés est presque égal au nombre de noyaux en décomposition, c'est-à-dire lorsque le nombre de noyaux radioactifs N(t) → N n = νnσ/λ.

La quantité Nn est appelée activation de la saturation .
La dépendance de l'activation N(t) sur le temps d'irradiation t a la forme

N(t) = N n (1 − e −λt).

Riz. 1.6. Dépendance de l'activation de l'échantillon dans le temps.

La dépendance de l'activation de l'échantillon au temps est illustrée sur la figure. 1.6. La quasi-saturation est atteinte en un temps d'irradiation correspondant à 4 à 5 demi-vies. À t<< T распадом можно пренебречь. В этом случае N(t) = νnσt, c'est-à-dire qu'au début de l'irradiation, le nombre de noyaux radioactifs augmente linéairement avec le temps.
Les neutrons sont souvent utilisés pour produire des isotopes radioactifs, car ils ne subissent aucune force de répulsion électrostatique à partir du noyau. En 1935, Fermi a découvert que la radioactivité induite augmente plusieurs fois si la source de neutrons et la cible irradiée sont entourées d'une substance contenant de l'hydrogène, telle que la paraffine.
Il s'est avéré que cela est dû au fait que les neutrons, lorsqu'ils entrent en collision avec des protons de masse égale, perdent rapidement de l'énergie et se propagent dans le milieu à des vitesses thermiques. La probabilité que les neutrons thermiques soient capturés par les noyaux atomiques est inversement proportionnelle à leur vitesse et atteint sa valeur maximale. De plus, les neutrons thermiques, subissant un grand nombre de collisions dans la paraffine, se déplacent de manière chaotique et peuvent traverser plusieurs fois la cible irradiée.
Lorsqu'un neutron thermique est capturé par un noyau de numéro de masse A, un « composé » se forme : le noyau A+1 dans un état excité. Un excès d'énergie égal à l'énergie de liaison des neutrons dans le noyau A+1 (5 à 8 MeV) peut être libéré sous forme de quanta γ. De telles réactions sont appelées capture du rayonnement neutron. Ils peuvent être présentés sous forme générale comme

où B est le noyau d’origine, C* et C sont respectivement le noyau produit dans les états excité et fondamental.

Faisceaux de noyaux radioactifs

Deux méthodes principales sont utilisées pour obtenir des faisceaux de noyaux radioactifs. Ces deux méthodes se complètent et peuvent être utilisées en fonction du problème physique spécifique.
Une comparaison des méthodes ISOL et IN-FLIGHT est présentée dans la Fig. 1.7.

Riz. 1.7. Comparaison des méthodes d'obtention et de séparation des faisceaux secondaires
ISOL et EN VOL.

Des faisceaux de noyaux radioactifs riches en neutrons produits lors d'une réaction de fission peuvent également être produits à l'aide de sources de neutrons intenses - des réacteurs nucléaires - ou de deutons accélérés.

Méthode ISOL(je sotop S séparation Ô n L ine).

Cette méthode est basée sur la formation d'ions à vitesse thermique dans un milieu solide, liquide ou gazeux ; extraction, séparation, ionisation et accélération ultérieure aux énergies nécessaires à l'expérience.
À la suite du bombardement d'une cible épaisse (Thick Production Target) avec un faisceau accéléré, des noyaux radioactifs s'y forment dans une large plage de Z et A, qui restent dans le matériau cible. Les noyaux résultants sont ensuite retirés de la cible. Une fois extraits de la cible, les ions sont séparés à l’aide d’un séparateur de masse (Isotope Separator) et peuvent être utilisés dans des expériences de précision à basses énergies (10-500 keV) ou accélérés dans un deuxième accélérateur. Ainsi, la méthode ISOL utilise deux systèmes d'accélérateurs. L’un sert à recevoir le faisceau primaire (Driver Accelerator) et à créer des particules secondaires dans une cible épaisse, le second (Post Accelerator) sert à accélérer les particules secondaires. Le deuxième accélérateur fournit l'énergie du faisceau de noyaux radioactifs nécessaire à la recherche physique.
La méthode ISOL génère des faisceaux de particules secondaires de haute intensité avec des énergies allant jusqu'à 25 MeV/nucléon. Le moment de l'extraction des noyaux radioactifs de la cible dans laquelle ils se sont formés et le moment de leur transport vers l'accélérateur de faisceau secondaire déterminent la gamme de durées de vie des noyaux exotiques pouvant être étudiés par cette méthode.

Méthode en vol(méthode de fragmentation d'ions accélérés sur une cible)

La méthode In-Flight est optimale pour obtenir des faisceaux secondaires d’isotopes à vie courte d’une durée de vie de 100 ns.
Dans cette méthode, des faisceaux de noyaux radioactifs sont obtenus lors de collisions périphériques d'une particule lourde chargée avec un noyau cible léger et séparation ultérieure de ceux séparés par Z Et UN produits de fragmentation. Le faisceau primaire a une énergie comprise entre 50 MeV/nucléon et 1 GeV/nucléon. Les fragments radioactifs formés à la suite de collisions volent principalement vers l'avant dans la direction de la particule qui tombe à des vitesses d'environ 0,9 à 1,0 de la vitesse de la particule qui tombe. Cette méthode utilise des cibles minces pour produire des faisceaux radioactifs. Pour les isotopes à vie courte, l'intensité des faisceaux secondaires de la méthode In-Flight peut dépasser l'intensité des faisceaux obtenus par la méthode ISOL.
Les séparateurs électromagnétiques (Fragment Separator) sont utilisés pour séparer les isotopes et isoler certains isotopes. Les faisceaux de particules à la sortie du séparateur peuvent soit être utilisés directement dans l'expérience, soit après avoir ralenti dans un environnement gazeux (Gas Ion-Stopper), ils peuvent être divisés en faisceaux séparés le long de Au Z et accélérés à nouveau (Post-accélérateur) pour atteindre mener des expériences avec des faisceaux radioactifs accélérés.

Méthodes d'enregistrement des noyaux radioactifs

Les progrès dans l'étude de la radioactivité sont largement associés au développement de méthodes d'obtention et d'enregistrement des noyaux radioactifs et des rayonnements. Le phénomène de radioactivité a été découvert suite à l'exposition à un rayonnement sur une plaque photographique. L'enregistrement des éclairs lumineux qui se produisaient lorsque des particules α frappaient un écran recouvert de sulfure de zinc était à la base du détecteur avec lequel G. Geiger et E. Mardsen étudiaient la diffusion des particules α par les atomes d'or.
Le contenu informatif de toute expérience est déterminé par les capacités des détecteurs qui y sont utilisés. L’histoire de la physique nucléaire et des particules est essentiellement l’histoire de la création de méthodes toujours nouvelles de détection de particules et de l’amélioration des anciennes. La création de nouvelles méthodes de détection de particules a reçu à plusieurs reprises des prix Nobel.
Les détecteurs servent à la fois à enregistrer les particules et à déterminer leur énergie, leur impulsion, leur trajectoire et d'autres caractéristiques. Pour enregistrer les particules, on utilise souvent des détecteurs qui sont extrêmement sensibles à la détection d'une particule particulière et ne détectent pas le vaste arrière-plan créé par d'autres particules.
Souvent, dans les expériences, il est nécessaire d’isoler les événements « nécessaires » d’un gigantesque fond d’événements « superflus », qui peuvent être des milliards de fois plus importants. Pour ce faire, diverses combinaisons de compteurs et de méthodes d'enregistrement sont utilisées, des schémas de coïncidences ou d'anti-coïncidences sont utilisés entre les événements enregistrés par différents détecteurs, la sélection des événements en fonction de l'amplitude et de la forme des signaux, etc. Sélection des particules en fonction de la temps de vol d'une certaine distance entre les détecteurs, analyse magnétique et autres méthodes qui vous permettent d'isoler de manière fiable différentes particules.
L'un des principes de l'enregistrement des particules est le suivant. Une particule chargée, se déplaçant dans un milieu détecteur neutre (gazeux, liquide, solide, amorphe ou cristallin), provoque l'ionisation et l'excitation des atomes du milieu suite à des interactions électromagnétiques. Ainsi, des charges libres (électrons et ions) et des atomes excités apparaissent le long du trajet de la particule. Si le milieu se trouve dans un champ électrique, un courant électrique y apparaît, qui est enregistré sous la forme d'une courte impulsion électrique. Les détecteurs utilisant ce principe sont appelés ionisation.
Lorsque les atomes excités reviennent à l’état fondamental, des photons sont émis, qui peuvent être détectés comme un flash optique dans la région visible ou ultraviolette. Ce principe est utilisé dans détecteurs à scintillation .
Dans certaines conditions, la trajectoire d’une particule chargée volante peut être rendue visible. Cette méthode est mise en œuvre dans ce qu'on appelle détecteurs de traces .
Les quanta gamma sont également détectés par les particules chargées secondaires - les électrons et les positons, qui apparaissent dans le milieu en raison de l'effet photoélectrique, de l'effet Compton et de la création de paires électron-positon.
Le neutrino résultant de la réaction, en raison de la section efficace d'interaction extrêmement petite avec le milieu (≈ 10 -20 barn), n'est dans la plupart des cas pas du tout enregistré par le détecteur. Cependant, le fait de son apparition peut être établi. Le fait est qu’un neutrino qui a échappé à l’observation directe emporte avec lui une certaine énergie, une certaine impulsion, un spin et une certaine charge leptonique. Le manque est détecté en enregistrant toutes les autres particules et en utilisant les lois de conservation de l'énergie, de l'impulsion, du moment cinétique, de la charge électrique, de la charge du lepton, etc. Une telle analyse permet non seulement de s'assurer qu'un neutrino s'est réellement formé, mais également pour établir son énergie et sa direction de départ du point de réaction.
Le détecteur « n’a pas le temps » de détecter les noyaux atomiques en décomposition rapide. Dans ce cas, ils sont enregistrés par des produits de désintégration.
Les exigences générales relatives aux équipements de détection se résument à déterminer le type de particule (identification) et ses caractéristiques cinématiques (énergie, impulsion, etc.). Souvent, le type de particule est connu à l’avance et la tâche de son observation est simplifiée. De nombreuses expériences utilisent des systèmes complexes constitués d'un grand nombre de détecteurs de différents types. De tels complexes, enregistrant presque toutes les particules résultant d'une interaction, fournissent une image assez complète du phénomène étudié.
Les principales caractéristiques du détecteur sont :

• efficacité − probabilité d'enregistrement d'une particule lorsqu'elle heurte le détecteur ;
• résolution temporelle − le temps minimum pendant lequel le détecteur détecte deux particules distinctes ;
• temps mort ou temps de récupération - le temps pendant lequel le détecteur, après avoir enregistré une particule, soit perd complètement la capacité de détecter la particule suivante, soit détériore considérablement ses caractéristiques ;
• résolution énergétique − précision de la détermination de l'énergie des particules ;
• résolution spatiale − précision de la détermination des coordonnées des particules.

La désintégration radioactive est un processus statistique

Tout noyau radioactif peut se désintégrer à tout moment. Les schémas de désintégration d'un noyau atomique ne sont observés qu'en moyenne, dans le cas de la désintégration d'un nombre suffisamment grand de noyaux radioactifs.
Si une source radioactive contient N noyaux radioactifs et que leur nombre ne change pratiquement pas pendant la durée de mesure, alors la probabilité ω(n) que n noyaux radioactifs se désintègrent au temps t est décrite par la distribution de Poisson.

La valeur Nλt caractérise le nombre moyen de particules en décomposition pendant le temps t et représente le nombre moyen de coups, obtenu dans le cas de mesures répétées avec le même temps de mesure t.

En utilisant la quantité , la distribution de Poisson peut être réécrite comme