Цель: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Задача:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ход урока

I . Мотивация.

II . Актуализация знаний. (слайд 2-3)

III . Решение задач (слайд 4)

а)7р+7 n ; б)18р + 22 n ; в) 33р + 42 n ; г) 84р + 126 n .

(азот N , аргон Ar , мышьяк As , полоний Po )

IV. Изучение нового материала

(слайд 5) На основе протонно-нейтронной модели строения атомных ядер было дано объяснение интересным экспериментальным фактам , открытым в первые два десятилетия XX в .

Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью.

В это время многие ученые занимались исследованием свойств радиоактивных элементов. В ходе этой работы проводились различные опыты, в том числе измерялись массы атомных ядер. (Вернее, измерялись массы ионов, но в данном случае массу ядра, иона и атома можно считать одинаковой, поскольку масса всех электронов в атоме пренебрежимо мала по сравнению с массой ядра.)

В зависимости от значений Z , A , N различают:

Изотопы

Изобары

Изотоны

Ядра с одинаковым Z ,

но разными A

Ядра с одинаковыми A , но разными Z

Ядра с одинаковым числом нейтронов N

Более подробно рассмотрим изотопы. При исследовании свойств радиоактивных элементов обнаружилось, что у одного и того же химического элемента встречаются атомы с различными по массе ядрами. Так, например, было найдено несколько разновидностей атомов урана: с массами ядер, приблизительно равными 234 а. е. м., 235 а. е. м., 238 а. е. м. и 239 а. е. м. Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами. Они одинаковым образом вступали в химические реакции, образуя одни и те же соединения.

Наличие одних и тех же химических свойств означает, что все эти атомы имеют одинаковое число электронов в электронной оболочке , а значит, и одинаковые заряды ядер .

Если заряды ядер атомов одинаковы, значит, эти атомы действительно принадлежат одному и тому же химическому элементу (несмотря на различия в их массах) и имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева, т. е. занимают в этой таблице одну и ту же клетку, одно и то же место. Отсюда и произошло название всех разновидностей одного химического элемента: изотопы (от греческих слов isos - одинаковый и topos - место).

Изотопы - это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

Благодаря созданию протонно-нейтронной модели ядра (т. е. примерно через два десятилетия после открытия изотопов), удалось объяснить, почему атомные ядра с одним и тем же зарядом обладают разными массами. Очевидно, ядра атомов изотопов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов. Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы. Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов - урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого - водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

(слайд 6) Существует три изотопа водорода: (протий), (дейтерий) и (тритий). Ядро изотопа вообще не имеет нейтронов - оно представляет собой один протон. Соответственно его заряд равен элементарному электрическому заряду (цифра внизу), а масса приблизительно равна 1 а. е. м. (цифра вверху). В состав ядра дейтерия () входят две частицы: протон и нейтрон. Поэтому масса дейтерия приблизительно равна 2 а. е. м. Ядро трития состоит из трех частиц: одного протона и двух нейтронов. Поэтому масса трития приблизительно равна 3 а. е. м.

Существование изотопов является причиной того, что относительные атомные массы большинства химических элементов в таблице Д. И. Менделеева выражены дробным числом. Поскольку химические элементы обычно состоят из смеси нескольких изотопов, то приходится указывать среднее значение массы ядер атомов всех изотопов данного элемента . А это среднее значение чаще всего оказывается дробным числом. Например, в среднем на 100 атомов хлора С l приходится 75 атомов с массой 35 а. е. м. и 25 атомов с массой 37 а. е. м. (массы взяты с точностью до целых чисел). Среднее значение массы атома в данном случае вычисляется следующим образом:

В атомной индустрии всевозрастающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы.

(слайд 7) Радиоактивные изотопы получают в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц.

Химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов, но они являются источниками радиоактивного излучения.

Элементы, не существующие в природе. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номерами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. Так, например, элемент с порядковым номером 43, названный технецием, имеет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет.

С помощью ядерных реакций получены также трансурановые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знаете. Кроме них, получены еще следующие элементы: америций ( Z = 95), кюрий ( Z = 96), берклий ( Z = 97), калифорний ( Z = 98), эйнштейний ( Z = 99), фермий ( Z = 100), менделевий ( Z = 101), нобелий ( Z = 102), лоуренсий ( Z = 103), резерфордий ( Z = 104), дубний ( Z = 105), сиборгий ( Z = 106), борий ( Z = 107), хассий ( Z = 108), мейтнерий ( Z = 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 104, впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии.

Меченые атомы. В настоящее время, как в науке, так и в производстве все более широко используются радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение имеет метод меченых атомов.

Метод основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов.

Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень просто - по их излучению. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т. д.

Радиоактивные изотопы - источники излучений . Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, медицине и технике как компактные источники γ-лучей. Главным образом используется радиоактивный кобальт .

(слайд 8) Радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми.

Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом.

Если не существует достаточно долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа было установлено, что свободный кислород, выделяющийся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.

Радиоактивные изотопы применяются в медицине, как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.

Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения.

Йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни.

Интенсивное γ-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).

Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное γ-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами γ-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности.

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Широкое применение получили меченые атомы в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором . Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Радиоактивные изотопы в археологии . Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется β-радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т= 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи).

Соединяясь с кислородом, этот изотоп углерода образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати β-частиц в секунду.

После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50 000 и даже до 100 000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

V . Закрепление изученного материала

Что такое изотопы?

В чем состоит сходство ядер атомов изотопов?

Как с точки зрения протонно-нейтронной модели ядра объясняется существование ядер с одинаковыми зарядами и различными массами?

Расскажите об изотопах водорода.

Почему масса атомов большинства химических элементов в таблице Менделеева выражена дробным числом? Приведите пример.

VI. Домашнее задание

В атомной индустрии всевозрастающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы. Изотопы - разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1910 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos - одинаковый и topos - место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Но всегда существуют исключения. Такие химические элементы, которые имеют место под номером в таблице Д.И. Менделеева: 43, 61, 85 и 87 не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. С помощью ядерных реакций получены трансурановые элементы: нептуний, плутоний. Кроме них, получены еще следующие элементы: америций (Z = 95), кюрий (Z = 96), берклий (Z = 97), калифорний (Z = 98), эйнштейний (Z = 99), фермий (Z = 100), менделевий (Z = 101), нобелий (Z = 102), лоуренсий (Z = 103), ре-зерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), хассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 104, впервые синтезировафны либо в подмосковной Дубне, либо в Германии. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко используются радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение имеет метод меченых атомов. Этот метод использует тот факт, что по химическим и многим физическим свойствам радиоактивный изотоп неотличим от устойчивых изотопов того же элемента. В то же время радиоактивный изотоп легко может быть опознан по своему излучению (с помощью, например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуемому элементу радиоактивный изотоп и улавливая в дальнейшем его излучение, мы можем проследить путь этого элемента в организме, в химической реакции, при плавке металла и т. д. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т. д. Радиоактивные изотопы — изотопы любого элемента периодической системы Д. И. Менделеева, атомы которых имеют неустойчивые ядра и переходят в устойчивое состояние путем радиоактивного распада, сопровождающегося излучением. Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения, йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни. Интенсивное гамма-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка). Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить способ контроля износа колец в поршне двигателя внутреннего сгорания. Благодаря радиоактивным изотопам определяют различного рода дефекты в металлических конструкциях. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Радиоактивные изотопы используются в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами -лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Примерами являются новые сорта фасоли, пшеницы. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Радиоактивные изотопы применяются в археологии, антропологии и геологии. Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 г. Наилучшие результаты получаются при определении возраста шерсти, семян, ракушек и костей. Для определения возраста образца измеряют активность р-излучения (число распадов в минуту) в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет установить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада для изотопа. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

1 слайд

2 слайд

Определение Изото пы (от др.-греч. ισος - «равный», «одинаковый», и τόπος - «место») - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N).

3 слайд

Открытие изотопов Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906-1907 годах выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Содди с 1910 г. стали называть изотопами.

4 слайд

Изотопы в природе Считается, что изотопный состав большинства элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер - продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии. Особое значение имеют процессы образования изотопов углерода в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения. Эти изотопы распределяются в атмосфере и гидросфере планеты, вовлекаются в оборот углерода живыми существами (животными и растениями). Изучение распределения изотопов углерода лежит в основе радиоуглеродного анализа.

5 слайд

Получение радиоактивных изотопов. Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности.

6 слайд

Применение в биологии и медицине Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом. Если не существует достаточно долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа было установлено, что свободный кислород, выделяюнщйся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.

7 слайд

Применение в промышленности Одним из примеров может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное -излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

8 слайд

Изотопы в сельском хозяйстве Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами -лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

9 слайд

Изотопы в археологии Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется -радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т = 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи).