Атом, в котором электроны обращаются на более удаленной от ядра орбите, чем им дозволенной, называется возбужденным. Возбужденный атом неустойчив и время его жизни в этом состоянии: х 10>—8 с.
Из периодической системы элементов видно, что атомы различных элементов имеют различное количество слоев (орбит) электронов. Оно зависит от атомного номера, который определяет положение (период) элементов в периодической системе. Наибольшее число слоев электронной оболочки равно семи.
Исходя из того, что атом представляет собой электродинамическую систему планетарной структуры, под диаметром атома понимают диаметр воображаемой сферы, заключающей в себе атом, внутрь которой не может проникнуть другой атом из-за действия сил отталкивания, возникающих между электронными оболочками (см. рис. 1.1). Диаметр атома около 10>—8 см. Размеры атомных ядер очень малы; плотность же ядерного вещества чрезвычайно большая.
Диаметр ядра атомов различных элементов лежит в пределах 10>—13 – 10>—12 см, т. е. в 10>4 – 10>5 раз меньше диаметра атома. Радиус атомного ядра может быть определен по формуле R = 1,5 x 10>—13xA>1/3, где А – число нуклонов в ядре (массовое число).
Радиус атома приблизительно равен (2,5…5,5) х10>—11м, а радиус атомного ядра (1,5—10) х10>—16м. Так, радиус ядра атома >238>92U составляет приблизительно 0,93х10>—15м, а его объем —3,4х10>—40м>3.
Исходя из того, что масса каждого нуклона равна приблизительно 1 а.е.м. или 1,66х10>—27кг, масса ядра урана равна приблизительно 395х10>—27кг. Плотность ядерного вещества урана равна 116 000 кг/м>3. Плотность ядерного вещества других элементов примерно такая же.
Из изложенного следует, что основная часть энергии атома сосредоточена в его ядре, на электронную же оболочку остается сравнительно ничтожная ее доля. Поэтому перспективным путем получения больших количеств промышленной энергии является деление атомных ядер, в результате которого выделяется ядерная энергия.
1.1.3. Изотопы. Радиоактивность и ее закономерности
Существует много атомов, ядра которых содержат равное число протонов, но разное число нейтронов. Массовые числа у этих атомов различны, но их химические свойства одинаковы, так как они имеют один и тот же заряд ядра и, следовательно, занимают одно и то же место в таблице Менделеева. Такие атомы получили название изотопов. Изотоп – нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу.
Изотопный состав имеют многие химические элементы, некоторые из них имеют относительно большое количество изотопов. Например, водород имеет три изотопа: >1>1H – протий (легчайший изотоп водорода), >1>2D – дейтерий, >1>3T – тритий; известны: 19 изотопов йода, восемь изотопов железа, шесть изотопов урана и т. д.
Изотопы одного элемента химическими методами не могут быть разделены. Записываются изотопы элементов одинаковыми символами, отличающимися один от другого лишь массовым числом, например: изотоп углерода – от >10>6C до >14>6C; изотоп алюминия – от >26>13Al до >29>13Al; изотоп урана – от >233>92U до >239>92U и т. д.
Известно около 1500 изотопов. Одни из них устойчивые – стабильные, другие неустойчивые – радиоактивные. Стабильные изотопы – изотопы, ядра которых в течение длительного промежутка времени не претерпевают изменения. Изотопы, ядра которых со временем распадаются, называют радиоактивными или радионуклидами (РН). Радионуклид – нуклид, обладающий радиоактивностью.
