Страница 349 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Существуют ли изотопы у бария, относительная атомная масса которого 137,34?

1. Нет, изотопа бария с относительной атомной массой 137,34 не существует. Это значение является средней относительной атомной массой химического элемента бария, которая указывается в Периодической системе химических элементов, а не массой отдельного атома.

Массовое число ($A$) любого изотопа определяется как сумма числа протонов ($Z$) и нейтронов ($N$) в его ядре ($A = Z + N$). Так как $Z$ и $N$ — целые числа, массовое число также всегда является целым числом. Относительная атомная масса отдельного изотопа очень близка к его целочисленному массовому числу. Например, у изотопа барий-138 ($^{138}\text{Ba}$) массовое число равно 138, а его точная атомная масса — 137,905 а.е.м.

Дробное значение 137,34, которое приводится для бария, получается в результате усреднения масс всех его природных изотопов с учётом их распространённости. Природный барий — это смесь семи стабильных изотопов: $^{130}\text{Ba}$, $^{132}\text{Ba}$, $^{134}\text{Ba}$, $^{135}\text{Ba}$, $^{136}\text{Ba}$, $^{137}\text{Ba}$ и $^{138}\text{Ba}$.

Средняя относительная атомная масса ($A_r$) элемента вычисляется по формуле средневзвешенного:
$A_r(\text{Элемент}) = \omega_1 \cdot A_r(\text{Изотоп 1}) + \omega_2 \cdot A_r(\text{Изотоп 2}) + \dots$
где $\omega$ — доля (распространенность) изотопа в природной смеси, а $A_r(\text{Изотоп})$ — его относительная атомная масса.

Таким образом, ни один отдельный атом бария не обладает массой 137,34 а.е.м. Это статистическая величина, характеризующая природную смесь изотопов бария.

Ответ: Нет, изотопа бария с относительной атомной массой 137,34 не существует. Это значение является средней относительной атомной массой элемента бария, которая рассчитывается как средневзвешенное значение масс всех его природных изотопов. Масса каждого отдельного изотопа всегда близка к целому числу (его массовому числу).

2. Что такое радиоактивные изотопы и как их используют?

Что такое радиоактивные изотопы

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре (и, следовательно, одинаковый заряд ядра и порядковый номер), но разное число нейтронов. Из-за этого у изотопов одинаковые химические свойства, но разная атомная масса.

Радиоактивные изотопы (или радионуклиды) — это изотопы, ядра которых являются нестабильными. Из-за избытка энергии в ядре они самопроизвольно распадаются, превращаясь в ядра других элементов. Этот процесс, называемый радиоактивным распадом, сопровождается испусканием различных видов ионизирующего излучения: альфа-частиц (ядер гелия), бета-частиц (электронов или позитронов) и/или гамма-квантов (высокоэнергетического электромагнитного излучения).

Например, у углерода есть несколько изотопов. Самый распространенный — стабильный углерод-12 ($^{12}_{6}\text{C}$). Однако существует и радиоактивный изотоп углерод-14 ($^{14}_{6}\text{C}$), ядро которого содержит на два нейтрона больше. Он нестабилен и со временем распадается. Период полураспада $^{14}\text{C}$ составляет около 5730 лет.

Ответ: Радиоактивные изотопы — это нестабильные разновидности атомов химических элементов, ядра которых самопроизвольно распадаются, испуская ионизирующее излучение и превращаясь в другие, более стабильные ядра.

Как их используют

Благодаря своим свойствам — способности испускать излучение, которое можно обнаружить, и участвовать в химических реакциях так же, как и стабильные изотопы — радионуклиды нашли широкое применение в различных областях:

• Медицина:
  • Диагностика: Радиоизотопы (например, технеций-99m, фтор-18) вводят в организм в качестве «меченых атомов» или радиофармпрепаратов. Они накапливаются в определенных органах или тканях. Излучение от них регистрируется специальными приборами (гамма-камерами, ПЭТ-сканерами), что позволяет получить изображение органа, оценить его функцию и выявить патологии (например, опухоли или нарушения кровообращения).
  • Терапия (лучевая терапия): Мощное излучение от таких изотопов, как кобальт-60 ($^{60}\text{Co}$) или иод-131 ($^{131}\text{I}$), используется для уничтожения раковых клеток и лечения онкологических заболеваний.
• Наука:
  • Радиометрическое датирование: Изотоп углерод-14 ($^{14}\text{C}$) используется для определения возраста археологических находок органического происхождения (дерево, кости, ткани) возрастом до 50-60 тысяч лет. Для датировки более древних геологических пород применяют уран-свинцовый или калий-аргоновый методы.
  • Метод меченых атомов: В биологии и химии радиоактивные изотопы (например, фосфор-32, тритий) позволяют отслеживать пути метаболизма веществ в живых организмах, изучать механизмы химических реакций и процессы в окружающей среде.
• Промышленность и техника:
  • Дефектоскопия: Гамма-излучение от изотопов иридий-192 или кобальт-60 используется для контроля качества сварных швов, литых деталей и трубопроводов на наличие внутренних дефектов (трещин, пустот).
  • Контрольно-измерительные приборы: Радиоизотопные датчики применяются для измерения толщины материалов (например, бумаги или металлического листа), плотности жидкостей и сыпучих веществ, уровня заполнения емкостей.
  • Стерилизация: Гамма-облучение (часто от $^{60}\text{Co}$) используется для стерилизации медицинских инструментов, материалов одноразового использования, а также для обработки пищевых продуктов с целью увеличения срока их хранения.
  • Датчики дыма: В ионизационных детекторах дыма используется небольшое количество америция-241 ($^{241}\text{Am}$) для ионизации воздуха в камере; попадание частиц дыма нарушает этот процесс, что приводит к срабатыванию сигнализации.
• Энергетика:
  • Атомные электростанции (АЭС): Энергия, выделяющаяся при цепной реакции деления ядер тяжелых изотопов, таких как уран-235 ($^{235}\text{U}$) или плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$), используется для производства электроэнергии.
  • Автономные источники энергии: В радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГах) тепловая энергия, выделяющаяся при распаде изотопов (например, плутония-238), напрямую преобразуется в электричество. РИТЭГи применяются для энергоснабжения космических аппаратов (например, «Вояджер», «Кьюриосити») и удаленных автономных объектов на Земле.

Ответ: Радиоактивные изотопы используются в медицине для диагностики и лечения заболеваний, в науке для датировки и исследований, в промышленности для контроля качества и стерилизации, а также в энергетике для производства электроэнергии на АЭС и в автономных источниках питания.