Беседа четвертая. Измерения в химии и ядерной физике

Проникнув в глубь вещества, Любознайкин посвящает своего друга в тайны протонов, нейтронов и других элементарных частиц, а также в тайны ядерных излучений. Сразу же после этого он переходит к датчикам, чувствительным к этим излучениям (счетчики Гейгера, ионизационные камеры, сцинтилляционные счетчики); начав разговор о частицах, наши друзья добрались и до процессов, происходящих с ионами в растворах. Незнайкин узнает, что такое рН, характеризующее кислотность раствора, его окисляющие свойства, а также какими датчиками можно измерить это число.

Измерения в химии и ядерной физике

Незнайкин — Дорогой Любознайкин, я совершенно обескуражен. Я попытался прочитать статью о «ядерных явлениях» (как ты их называешь) и был буквально подавлен лавиной таких незнакомых терминов, как бета-лучи, нейтроны, изотопы, электронвольты, бетатрон…

Любознайкин — Я не стану объяснять значения всех этих терминов, но ты сам увидишь, что все это не так ужасно, как тебе кажется. Прежде всего я попрошу тебя напомнить мне, как устроены ядра атомов. Строение атома

Н. — Это маленькие шарики, заряженные положительно и содержащие в себе почти всю массу атома

Л. — Правильно, но об атомных ядрах известно намного больше. Они состоят из частиц двух типов: протонов

ядро простого водорода
Рис. 28. Ядро простого водорода состоит только из одного протона. В ядре тяжелого изотопа водорода «дейтерия» кроме протона имеется еще один нейтрон. У атомов обоих типов водорода вокруг ядра вращается только один электрон.

мельчайших зернышек с положительным зарядом, и нейтронов — мельчайших зернышек с такой же массой, по не имеющих электрического заряда. Заряд протона равен заряду электрона, но имеет противоположный знак. Само собой разумеется, что в ядре нейтрального атома имеется столько же протонов, сколько электронов вращается вокруг этого ядра. Количество протонов называется «атомным номером». Например, наиболее простое по своему устройству ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, вокруг которого вращается один электрон.

Следовательно, атомный номер водорода 1. Но существует также и другой водород, именуемый тяжелым водородом (или дейтерием). В природе он существует в виде очень небольшой примеси к простому водороду (на 1000 атомов простого водорода не более 1 атома тяжелого). Ядро этого тяжелого водорода состоит из одного протона и одного нейтрона (рис. 28). Каждый такой атом, как и атом простого водорода, имеет только один электрон. Дейтерий имеет более высокую плотность, чем легкий водород, но обладает почти идентичными химическими свойствами. В периодической таблице элементов Менделеева легкий водород и дейтерий располагаются вместе; и именно поэтому дейтерий и легкий водород называют изотопами от греческих слов «изос» (тот же) и «топос» (место).

Существуют и другие атомы, ядра которых содержат одинаковое количество протонов (имеют один и тот же атомный номер), но могут существовать в двух формах. Эти формы отличаются одна от другой по количеству нейтронов, объединенных с протонами в ядре. Например, хлор. с атомным номером 17 (17 протонов в ядре и 17 электронов вокруг ядра) имеет два типа атомов: у одних ядро состоит из 17 протонов и 18 нейтронов (общее число частиц в ядре 35), а у других ядро состоит из 17 протонов и 20 нейтронов (общее число частиц в ядре 37). Эти два типа хлора строго идентичные с точки зрения химии и являются изотопами.