Парадоксы атомных масс

     Если сравнить относительные атом­ные массы элементов Ав таблице Менделеева, можно обнаружить неко­торые, на первый взгляд, «странности». Одна из них — разная степень точно­сти представленных данных. Напри­мер, современное значение Адля углерода содержит пять значащих цифр, для кислорода — шесть, для алюминия и фосфора — по семь, для фтора — девять, тогда как для цинка, германия, лития, селена, криптона, молибдена, никеля, свинца, стронция, титана — лишь по четы­ре. Почему?

     Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса элемента, зависит не только от тщательности измерений, но и от непо­стоянства его изотопного состава. В разных образцах соотношение изо­топов не вполне одинаковое: лёгкие изотопы могут концентрироваться в одних породах, тяжёлые — в других. Поэтому давать очень точные значения атомных масс просто не имеет смыс­ла. Кстати, по точности, с какой при­водятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «раз­деление изотопов» данного элемента, и насколько сильно.

     Вторая «странность» заключается вот в чём. Относительные атомные массы, рассчитанные по «физической кислородной шкале» и углеродной, различаются. Хотя, казалось бы, они должны быть совершенно одинаковы­ми, так как при определении единицы измерения в первом случае делили массу атома 16О (8 протонов, 8 нейтро­нов, 8 электронов) на 16, а во вто­ром — массу атома 12С (6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов). Однако в действительности всё не так: 1/12 массы атома 12С больше 1/16 массы атома 16О! При образовании ядра слиянием протонов и нейтронов выделяется огромная энергия. В соот­ветствии с уравнением Эйнштейна Е mс(с — скорость света), выделив­шаяся энергия Е «уносит» с собой часть массы т. Следовательно, масса нового атома не равна сумме масс его составляющих. Разница в массах (её назвали дефектом массы) может быть заметной — почти 1% для некоторых атомов. Больше всего «худеют» при образовании атомы с массовым числом около 50 (середина четвёртого ряда элементов в Периодической системе). До этих элементов дефект массы рас­тёт с увеличением атомного номера, после них — постепенно падает. Для 16О дефект массы больше, чем для 12С. Вот почему кислородная и углеродная единицы не совпадают.

     И наконец, остановимся ещё на одной «странности» атомных масс. Из­вестно, что природный водород пред­ставлен двумя стабильными нуклидами с массовыми числами 1 и 2 (99,984 % 1Н и 0,016 % 2Н), поэтому Аr(Н) немно­го больше 1. Гелий также представлен двумя стабильными нуклидами с массо­выми числами 3 и 4, причём 3Не в при­роде всего 0,00013 %. Однако Ar(Не) не меньше, а больше 4. С другой стороны, кислород в природе — это смесь трёх стабильных нуклидов: 16О, 17О и 18О. Но Ar(О) = 15,9994, то есть меньше 16. Всё это — проявления дефекта массы, а также следствие того факта, что массы протона и нейтрона больше 1 а.е.м.

     Для иллюстрации дефекта массы просуммируем массы покоя двух элек­тронов, двух протонов и двух нейтронов в атоме4Не: 2mp+ 2m2m2•1,00728 + 2•1,00867 + 2х 0,00055 = 4,0330. Но на самом деле из-за дефекта массы Аr(4Не) = 4,0026 — и всё же больше 4. Итак, при образова­нии атомов из отдельных частиц обыч­ная арифметика «не работает».

     Теперь не покажется удивитель­ным, что точные массы трёх изотопов кислорода в углеродных единицах со­ставляют соответственно 15,9949; 16,9991 и 17,9992 и не равны массо­вым числам (то есть 16, 17 и 18), а усред­нённая масса кислорода, рассчитанная из этих значений с учётом распростра­нённости изотопов в природе, как раз и равна 15,9994.

     Для атомов углерода дефект массы тоже существует: он больше, чем у ге­лия и меньше, чем у кислорода. Одна­ко Аr(12С) принята равной 12.

     «Парадоксальные» относительные атомные массы можно найти и у дру­гих элементов — F, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Lu, Au, Bi, U, Th. Из них только у лютеция и урана имеются два или три стабильных (или очень долгоживуших) изотопа, остальные — элементы-одиночки с единственным стабильным изотопом, и для них дефект массы выявляется наи­более наглядно. Так, атомная масса марганца меньше 55 и равна 54,9380.

     Несмотря на то, что дефект массы несколько «портит» стройную гипоте­зу Праута, вряд ли сам учёный, живи он в наши дни, был бы этим огорчён. Ско­рее наоборот: он считал бы, что его гипотеза восторжествовала. Действи­тельно, атомы (вернее ядра) любого химического элемента построены из целого числа простейших «кирпичи­ков» — протонов и нейтронов.
Источник: https://murzim.ru/nauka/himiya/19870-paradoksy-atomnyh-mass.html

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *