В трех томах под редакцией академика Ю. Д. Третьякова

Радиоактивный распад. Неустойчивые изотопы в отличие от стабильных под­
вергаются радиоактивному распаду.  Большинство элементов,  существующих в 
природе,  состоит  из  устойчивых  изотопов  или  смеси  устойчивых  и  радиоак­
тивных изотопов. Типы радиоактивного распада приведены в табл.  3.8.
Т а б л и ц а   3.7
Количество  устойчивых  изотопов  с  четным  и  нечетным  числом  нуклонов  в  ядре
Изотопы
Четное число протонов
Нечетное число протонов
Четное число нейтронов
166
57
Нечетное число нейтронов
53
8
Рис. 3.13. Зависимость энергии связи (на 
один  нуклон)  от  массового  числа  (А)
134

Ч
ис
ло
 
п
р
от
он
ов
 
(р
)
Ч исло  нейтронов  (л)
Рис. 3.14. Область существования устойчивых изотопов в зависимости от имеющегося у них числа протонов и нейтронов

Типы  радиоактивного  распада
Т а б л и ц а   3.8
Тип
распада
Испускаемая частица
Процесс  в ядре
Пример
Образующийся
элемент
а
а-частица — ядро 
атома гелия 24Не
Потеря ядром 
а-частицы
2268
Ra-> 222Rn + 2
4He Заряд ядра мень­
ше на 
2
,  массо­
вое число мень­
ше на 4
Р-
Электрон (е~)
оп -»  \р + 
е~ 
+ v*
14С ->  147N + 
е~
Заряд ядра боль­
ше на 
1
,  массо­
вое число то же
Р+
Позитрон (е+)
-»  \р + 
е* 
+ v*
j’gK. 
-» 
j*gAr 
+ 
е*
Заряд ядра мень­
ше на 
1
,  массо­
вое число то же
К-захват Захват ядром 
электрона
\р +  е~  ->  In
jRa + 
е 
—
> 3Li
Заряд ядра мень­
ше на 
1
,  массо­
вое число то же
Y
Электромагнитное 
излучение высокой 
энергии
Переход ядра на 
уровеньс  мень­
шей энергией
Обычно сопро­
вождает другие 
виды распада
Не вызывает из­
менения в строе­
нии ядра
*  v,  v  —  анти н ей три н о  и  н ейтр ино  —  элем ен тарны е  частицы ,  не  и м ею щ и е  заряда  и  массы 
пок оя  и  отличаю щ и еся  сп и н ом .
Как видно из рис.  3.14, радиоактивные изотопы, находящиеся выше области 
устойчивости,  распадаются  с  испусканием  позитрона  или  в  результате  К-за­
хвата,  а  изотопы,  лежащие  ниже  области устойчивости,  —  в  результате  [3~-рас- 
пада.  При больших значениях массового числа  (больших,  чем у висмута)  пре-
Количественные характеристики радиоактивности. 
Величиной, характеризую­
щей радиоактивность, является  период полураспада.  Процесс распада ядер соот­
ветствует кинетическому уравнению первого порядка (см. гл. 
2
):
N= N
0
e~k\
где  N
0
  —  число  ядер  в  момент времени  т  =  0,  а  N —  в  момент  времени  т,  к — 
константа скорости радиоактивного распада.
Для  реакций первого порядка  время,  за  которое  распадется  половина веще­
ства,  не зависит от его начального количества и равно:
х 
1/2
 = 0,693 А:.
Это  время  называют  периодом  полураспада.  Периоды  полураспада  могут со­
ставлять от долей секунды до  миллионов лет.  Например, для тория-232  период 
полураспада составляет  1,39"  Ю
10
 лет,  а для  полония-212  —  3 ■
  10
' 7
 секунды.
Абсолютная  радиоактивность  вещества  измеряется  в  единицах,  называемых 
кюри (Кю). Один кюри соответствует скорости распада 
1
 г радия-226, т.е. 3,7 •  10
7 
распадов в секунду.
136

Эрнест Резерфорд (1871 — 1937). 
Один из самых вы­
дающихся  ученых XX  в.  Он установил  наличие двух 
типов радиоактивного излучения  (а-  и  р-лучей), до­
казал, что а-частицы являются двухзарядными иона­
ми  гелия,  предложил  планетарную  модель  строения 
атома  и,  наконец,  высказал  предположение  о  суще­
ствовании протона и нейтрона. В 1908 г. Резерфорд по­
лучил  Нобелевскую  премию  за  исследования  радио­
активности.
обладает —  а-распад.  Самые тяжелые ядра способны претерпевать самопроиз­
вольное деление.
Радиоактивные ряды. Встречающиеся на Земле радиоактивные элементы явля­
ются  продуктами  распада  трех достаточно  долгоживущих  изотопов:  урана-238 
(хi
/ 2
 = 4,5 •  10
9
 лет);  урана-235  (х
1/2
 = 7 •  10
8
 лет)  и тория-232  (х
1/2
 =  1,4 •  10ю лет), 
которые являются предшественниками природных радиоактивных рядов.
На рис.  3.15 представлены два ряда, начинающиеся радиоактивными изото­
пами урана и заканчивающиеся стабильными изотопами свинца. Этот рисунок 
представляет собой увеличенный фрагмент графика, приведенного на рис.  3.14.
Поскольку радиоактивные  элементы  в  процессе  превращения  претерпева­
ют  только  а-  и  [Г-распад,  масса  ядра  изменяется  лишь  на  4  единицы.  В  ряду 
урана-238  тип  ядра  по  массе  равен  (4п  +  2),  в  ряду  урана-235  —  (4п  +  3),  а
Ч исло  нейтронов
Рис. 3.15. Ряды радиоактивного распада урана-235 и урана-238
137

тория-232  —  Ап.  Родоначальником  еще  одного  радиоактивного  ряда  с  типом 
ядра  по  массе,  равным  (4п  +  1),  является  нептуний-237.
Ядерные реакции.  При бомбардировке различных изотопов химических эле­
ментов  частицами  с  высокой  энергией  (нейтронами,  протонами,  а-частица- 
ми,  ядрами дейтерия и более тяжелыми ядрами) происходит образование ядер 
других элементов  — ядерные реакции.
В результате осуществления ядерных реакций были получены многие хими­
ческие  элементы,  не  существующие  в  природе,  в  частности,  все  элементы, 
следующие  за  ураном  в  Периодической  системе  химических  элементов.  Пер­
вым  элементом,  полученным  синтетическим  путем  в  1937  г.,  был  технеций 
(Тс),  порядковый номер 43.  Его получили облучением молибдена ядрами дей­
терия  — дейтронами1:
f 2M o + ] U ^
  9493Т с   +   0'л .
Трансурановые  элементы  (Z  >  92)  получают  бомбардировкой  тяжелыми 
ядрами.  Например,  синтез  элемента  99  —  эйнштейния  —  был осуществлен по 
реакции:
”
8
U +   14N -»  2^E s + 5
0
‘n.
К  ядерным  реакциям  относят  также  реакции  ядерного  деления  и  ядерного 
синтеза.  При  бомбардировке  нейтронами тяжелые  ядра  расщепляются  на  ос­
колки — ядра более легких элементов.  При этом выделяется громадное количе­
ство энергии.  Одним из путей деления урана-235  является ядерная реакция:
^ и  + о 'л ^ р а + Г б К г  + З,}/!.
Поскольку в  результате деления ядра урана образуется три нейтрона, даль­
нейшее развитие реакции может идти по цепному механизму (цепная ядерная 
реакция).
В реакциях ядерного синтеза происходит слияние атомных ядер легких изо­
топов.  Примером может служить синтез ядер гелия из изотопов водорода:
2Н +  ]Н ->   «Не + о'л.
Такие  процессы  сопровождаются  выделением  огромного  количества  энер­
гии,  что  привлекает к ним  большое  внимание.  Однако  эти реакции,  называе­
мые термоядерными,  протекают лишь при очень высоких температурах —  бо­
лее миллиона градусов. Такие условия осуществимы только в недрах звезд, при 
атомном взрыве или в мощном газовом разряде.  Трудности в попытках искус­
ственного осуществления термоядерных процессов связаны с проблемой кон­
центрации высокотемпературной плазмы с помощью сверхмощных магнитных 
полей.
Происхождение  элементов2.  Ядерные  реакции,  проходящие  во  Вселенной, 
привели к образованию большого числа элементов (рис.  3.16).  Если современ­
ная  точка  зрения  об  образовании  Вселенной  верна,  то  примерно  через  2  ч
1  В  уравнениях  ядерны х  реакц ий  сум м а  зарядов  и  суммы   массовы х  чисел  справа  и  слева 
равны.
2  П одр обн ее  см.  книгу  Р .Д ж .Т ей л ер .  П рои схож ден ие  хим ически х  элем ен тов.  —  М.:  Мир,
1975.
138

/К о н д ен са ц и я ^  
(  в  результате 
Х о х л а ж д е н и я у
'Г равитацион ное
Выгорание
водорода
о -
М еж звездное  вещество
| 
П ервичная  звезда
Звезда  главной 
последовательности
И спуск ание
материи
С и нтез  гелия
С и итез  гелия 
| 
Красны й  гигант
И спускание
материи
и  углерода.
С и н тез  элем ен тов
кислорода,  кремния
с 
Z <
 28
' Г
 равитационное> 
V 
сжатие 
J
Ззрыв  св ер х н о в о й ' 
звезды 
j
Белый
Н ейтронная
С и нтез  элем ен тов
карлик
звезда
с   Z > 2 8
Рис. 3.16. Происхождение химических элементов
после  Большого  взрыва температура упала настолько,  что  основная масса ма­
терии состояла из атомов водорода  (89 %) и гелия  (11  %).  Конденсация атомов 
водорода и гелия привела к образованию первичных звезд.  Коллапс этих звезд 
под  действием  гравитации  вызвал  повышение  температуры  и  плотности,  что 
привело к слиянию ядер,  т.е.  ядерному синтезу1.  Первичные ядерные реакции 
практически  идентичны  тем,  которые  изучаются  в  последнее  время  в  связи  с 
проблемой управляемого  ядерного  синтеза.
В звездах образовались элементы с атомными номерами до 26. Они являются 
продуктами  ядерных  реакций,  называемых  «ядерным  горением».  Такие  реак­
ции представляли собой сложный циклический процесс с участием ядер водо­
рода и гелия и катализируемый ядрами углерода — так называемый углеродный 
цикл:
1
1 2 ^  
1тт 
13хт 
бС  +  ]Н  -»  7N   + 
Y
13
7
N  ->^С  +  е+ + 
V
13,-, 
1тт 
14хт 
бС  +  ]Н   -»  
7N  
+ 
Y
1 7
N  +  | н   ->Чо  + у
У  4}н  -> 42Не  +  2е+ +  2v+  3Y
15
О  -»*
7
N  +  е+ +  v
+ \н  
+
 зНе
J
Более  тяжелые  элементы  образуются  в  заметных количествах,  когда  завер­
шаются  реакции  с  участием  водородных  ядер.  К  этому  времени  происходит 
увеличение  плотности  звездного  вещества  до 
1 0 8
  кг/м3,  что  в  сто  тысяч  раз 
больше  плотности воды,  и одновременно температура повышается до 
1 0 8
К.
1  Я дерны е  реакц ии  протекаю т  достаточн о  бы стро  при  температурах  в  д и а п а зо н е  5 - 
(1  М К =   106  К ).
10  М К
139

В таких чрезвычайно жестких условиях становится возможным синтез с участи­
ем  ядер  гелия.
Элементы,  более  тяжелые,  чем  железо,  образуются  в  результате  ядерных 
реакций с  захватом  свободных  нейтронов.  На ранней  стадии звездной  эволю­
ции свободных нейтронов не существовало,  они появились позже в результате 
процессов,  подобных реакции:
u jN e  +  j H e   - »   ^ M g  + 
0
'л .
Под  действием  интенсивного  потока  нейтронов,  как  в  случае  сверхновых 
звезд (взрыв звезд),  образовавшиеся ядра способны и дальше захватывать ней­
троны,  что  приводит к появлению  все  более тяжелых изотопов.
Пример  3.3.  Напишите  уравнения  ядерных  реакций  превращения  изотопа  “ Zn  в 
®Ga,  если  известно,  что  изотоп  цинка  поглощает  нейтрон,  а  затем  подвергается 
Р-распаду.
Решение.  При  поглощении  нейтрона  массовое  число  изотопа  увеличивается  на  1,  а 
при  испускании  р-частицы  (электрона)  заряд  ядра  увеличивается  на  единицу,  а  мас­
совое  число  остается  тем  же:
3
oZn  +  J/?  ->  ^ G a  + е~
В  действительности  этот  процесс  сопровождается  также  испусканием  нейтрино  и 
у-излучением,  что  не  влияет  на  массовое  число  и  заряд  образовавшегося  изотопа.
3.2.  ПЕРИОДИЧЕСКИЙ  ЗАКОН  И  ПЕРИОДИЧЕСКАЯ 
СИСТЕМА  ЭЛЕМЕНТОВ
3.2.1.  Периодический закон
Не  вдаваясь  в  историю  открытия  периодического  закона,  отметим,  что  он 
был впервые сформулирован в  1869 г. Д. И. Менделеевым,  который считал ос­
новной  фундаментальной  характеристикой  элемента  его  атомную массу.
«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов 
находятся  в  периодической  зависимости  от атомных  весов  элементов».
Дмитрий  Иванович  Менделеев (1834 — 1907).  Поис- 
тине  великий  ученый.  Нет,  кажется,  ни  одной  области 
химии,  в  которую  бы  он  не  внес  свой  вклад.  Наиболее 
известные  его  работы,  кроме  периодического  закона, 
это  открытие  «температуры  абсолю тного  кипения» 
(критической  точки),  разработка  физико-химической 
(гидратной)  теории  растворов,  формулировка  обоб­
щенного  газового  закона.  Еще  одним  главным  делом 
своей жизни Д . И. Менделеев считал  учебник  «Основы 
химии».
140

Д. И. Менделеев  представил  этот  закон  в  форме  Периодической  системы, 
руководствуясь  не  только  известными  атомными  массами  элементов,  но  и  в 
значительной степени их химическими свойствами.  Такой подход позволил:
• уточнить атомные массы многих известных Менделееву элементов,
•  предсказать существование и свойства неизвестных в то время  элементов 
германия  (экасилиций),  галлия  (экабор)  и  скандия  (экаалюминий).
Развитие  физики  в  начале  XX  в.  привело  к  открытию  сложного  строения 
атома.  Для  дальнейшего  понимания  Периодической  системы  элементов  важ­
нейшую  роль  сыграло  открытие  английского  физика  Г. Мозли.  Он,  исследуя 
частоты  рентгеновского излучения,  испускаемого элементами  при их бомбар­
дировке  электронным  пучком,  установил,  что  порядковый  номер  элемента  в 
Периодической таблице соответствует заряду ядра атома.  Идея периодичности 
свойств  химических элементов Д.И.  Менделеевым  полностью  подтвердилась, 
стали  объяснимы  перестановки  элементов  в  таблице  вопреки  последователь­
ности атомных масс  (Аг и К;  Со и Ni;  Те и  I).  Оказалось,  что  основным свой­
ством  атома любого из химических элементов является заряд ядра и,  следова­
тельно,  формулировка  периодического  закона  нуждается  в  корректировке:
Свойства  простых  вещеегв,  а  также  формы  и  свойства  соединений  эле­
ментов  находятся  в  периодической  зависимости  oi  зарила  ядра  атомов
Причина  периодичности  свойств  элементов  окончательно  стала  понятна 
только после определения электронного строения атома.  Она основана на сход­
стве  конфигураций  внешних  электронных  орбиталей  атомов  в  невозбужден­
ном состоянии  (занимающие их электроны ответственны за химические свой­
ства)  и  определяется  периодичностью  повторения  строения  внешних  элект­
ронных уровней.
Так,  элементы-галогены  (F,  С1,  Вг,  I,  At),  обладающие  похожими  хими­
ческими  свойствами,  имеют  на  внешнем  электронном  уровне  семь  электро­
нов  (ns
2
np5);  щелочные  металлы  (Li,  Na,  К,  Rb,  Cs,  Fr)  —  один  электрон 
(ns1),  элементы V,  Nb, Та — пять электронов соответствующих конфигурации 
(и  -  
1
 )d
3
ns2.
Периодическая  система  элементов  является  графическим  выражением  пе­
риодического закона.
3.2.2.  Структура  Периодической таблицы
Существует большое число вариантов Периодической таблицы химических 
элементов.  Наиболее распространены клеточные варианты Периодической таб­
лицы: с короткими (восемь групп) и длинными периодами (восемнадцать групп). 
При  описании химии  элементов нами  будет использован  в  основном длинно­
периодный  вариант,  рекомендованный  ИЮПАК
1
  и  схематически  представ­
ленный на рис.  3.17.
1  ИЮПАК  —  Международный  союз  теоретической  и  прикладной  химии  —  международная 
неправительственная  организация,  занимающаяся  разработкой  общих  принципов  и  правил  но­
менклатуры  химических  соединений,  терминологии,  символики,  а  также  структуры  Периоди­
ческой  системы  элементов.
141

_ _ _  
I I I   I V   V   V I V I I V I I I
н  —
H e 
1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8  
группы 
ЩВШИШШШШШШШ
 2
3 4 5 6 7 8 9   10  11  121
fZ-б Л О К
р -
 блок
Лантаноиды
Актиноиды
/-блок
Рис. 
3.17. 
Общая структура Периодической таблицы  (длиннопериодный вариант)
Элементы располагаются в таблице в порядке возрастания заряда ядра. Вер­
тикальные ряды  называют  группами,  а горизонтальные  —  периодами.  По типу 
валентных  орбиталей  все  элементы делятся  на  блоки:  s-блок  объединяет  эле­
менты,  имеющие  конфигурацию  внешних  орбиталей  ns
1
  и  ns2,  у  элементов 
p-блока происходит заполнение /^-подуровня,  d-  и f -блоки объединяют элемен­
ты с заполняющимися,  соответственно,  (я -   \)d - и (я -  2)/-орбиталями.  Обыч­
но /-элементы выделяют в отдельные семейства лантаноидов (4/) и актиноидов 
(5f) .  Однако  не  все  элементы  этих  семейств  являются /-элементами,  что  по­
дробно  будет обсуждаться в  III томе данного учебника.
Периоды  объединяют  элементы,  в  атомах  которых  происходит  последова­
тельное заполнение одинаковых электронных уровней.  При этом номер перио­
да  совпадает  с  главным  квантовым  числом  внешнего  электронного  уровня. 
Например,  2-й  период  объединяет  элементы,  у  которых  заполняется  второй 
уровень  (2s и  2р)  от лития  (Li  2s1)  до  аргона  (Аг  2s
2
2p6)  —  всего 
8
  элементов. 
У элементов 
6
-го периода внешним электронным уровнем является шестой (
6
s 
и 
6
р); всего в этом периоде 32 элемента,  включая лантаноиды.  Каждый период 
завершается элементом, относящимся к инертным (благородным) газам. У этих 
элементов  электронная  конфигурация  ns
2
np6,  в дальнейшем  уже  начнется за­
полнение  (я +  1) уровня.  Различие в последовательности заполнения внешних 
и  более  близких  к  ядру  электронных  уровней  объясняет  причину  различной 
длины  периодов: 
1
-й  период  содержит  только 
2
  элемента; 
2
-й  и  3-й  —  по 
8
  элементов  каждый;  4-й  и  5-й  —  по  18, 
6
-й  —  32  элемента.  Незавершенный 
7 -й период имеет пока 24 элемента.  В настоящее время последним достоверно 
известным  элементом  является дармштадтий  Ds  (Z=  110).
Группы  объединяют  атомы  элементов,  имеющих  одинаковое  количество 
электронов на внешнем уровне. В коротком варианте таблицы периоды обычно 
обозначают римскими,  а в длинном  —  арабскими цифрами.
В  коротком  варианте  Периодической  таблицы,  представленном  на первом 
форзаце этого тома,  номер группы для s-  и р-элементов соответствует общему 
числу электронов внешнего уровня. Например, у элементов группы V на внеш­
нем уровне  пять электронов:  азот  2s
2
2p},  фосфор  3s
2
3/>3,  мышьяк 4s24р ъ,  вис­
мут 
6
s
26
p 3.  Элементы  s-  и /ьблоков  объединяются  в  главные  подгруппы.  Для 
й?-элементов  номер  группы  в  общем  случае  (для  первых 
6
  элементов  каждого 
семейства ^/-элементов) равен общему числу электронов на (я -   \)d- и яз-уровне.
142

Например,  у  атома  скандия  (Sc  3d
1
4s2,  группа  III)  —  три  электрона;  у  атома 
хрома (Сг 3d
5
4sl,  группа VI)  —  шесть электронов,  а у атома железа (Fe  3d
6
4s2, 
группа  VIII)  —  восемь.  Цинк  (Zn),  кадмий  (Cd)  и  ртуть  (Hg),  у  которых  d- 
уровень  завершен,  и  внешними  являются  «л
2
-электроны,  находятся  в  группе
II.  По той же причине элементы медь (Си),  серебро  (Ag)  и золото  (Au),  имею­
щие  за  счет  «проскока»  электронов  конфигурацию  (я  -   l ) d l
0
nsl,  относят  к 
группе  I.  Кобальт  (Со),  никель (Ni),  родий  (Rh),  палладий  (Pd),  иридий  (1г)  и 
платину (Pt) обычно помещают вместе с Fe,  Ru,  Os в группу VIII.  Все */-элемен­
ты  образуют побочные подгруппы.  Лантаноиды и  актиноиды также  как и  La 
(5d '
6
s2)  и  Ac  (6dx7s2)  помещают  в  побочную  подгруппу  группы  III.
3.2.3.  Периодичность изменения  свойств элементов
К числу важнейших свойств элементов,  определяемых электронным строе­
нием  атома,  относятся  радиусы  (г),  потенциалы  ионизации  (/),  сродство  к 
электрону (Ае), электроотрицательность (%), степени окисления элементов.  Все 
они закономерно меняются  по  периодам  и группам.
На рис.  3.18  представлена зависимость  величин  радиусов  атомов  от заряда 
ядра. Для атомов металлов приведены металлические радиусы,  а для неметал­
лов —  ковалентные.  Как видно из рисунка,  изменение радиусов носит перио­
дический  характер.  Основная  тенденция  в  периодах  —  уменьшение  радиусов 
атомов,  а в группах  —  их увеличение.  Подобное изменение  атомных радиусов 
обусловлено увеличением в периоде эффективного заряда ядра,  стремящегося 
«сжать»  атомные  орбитали.  Действительно,  для  каждого  главного  квантового 
числа  я степень экранирования валентных электронов увеличивается с возра­
станием  значения  орбитального  квантового  числа: / >   d >  р  >  s,  см.  разд. 
1 . 2  
этой  главы.  У d-  и /-элементов  по  этой же  причине  происходит  менее  резкое 
изменение радиусов,  что приводит к появлению  на кривой локальных макси­
мумов.
Изменение  радиусов в группах меньше  изменения их в периодах и оно не­
равномерно  (рис  3.19),  что  связано  со  значительным  уменьшением  радиусов 
при заполнении  d-  и /-орбиталей  (d-  и /-сжатие).