Страница 22 из 54
Однако даже при таком представлении о ядре концы с концами все равно не сходились. Например, получалось так, будто в ядре атома гелия шесть отдельных частиц — четыре протона и два электрона, а это противоречило другим уже известным из опытов фактам. Физики почесывали затылки и уныло перешептывались.
И вот в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и в конце концов оказалось, что с теорией все в порядке. Нейтрон равен (вернее, почти равен) по своей массе протону, но заряда не имеет. Теперь можно было считать, что в ядре атома гелия два протона и два нейтрона. Положительный заряд и, следовательно, атомный номер равен двум, а атомный вес — четырем. Все четыре частицы ядра атома гелия оказались на своем месте, и теперь концы с концами сходились.
А как же влияет на химические свойства элементов присутствие нейтронов в ядре атома? Никак или по крайней мере незаметно.
Возьмем для примера атом меди. Он имеет атомный номер 29, и поэтому у каждого атома меди есть 29 протонов в ядре и 29 электронов, вращающихся вокруг ядра. Но атомный вес меди равен (приблизительно) 63, и поэтому ядро меди должно содержать, кроме 29 протонов, еще и 34 нейтрона. У нейтронов нет электрического заряда, который надо было бы нейтрализовать. 29 электронов уравновешивают 29 протонов; что касается нейтронов, то в этом плане их можно сбросить со счетов.
Теперь предположим интереса ради, что атом меди обладает ядром, в котором 29 протонов и 36 нейтронов, то есть на два нейтрона больше, чем предполагалось ранее. Такому ядру по-прежнему требовалось бы всего 29 электронов, чтобы сбалансировать электрический заряд, а его химические свойства, которые, как известно, зависят только от количества электронов, оставались бы такими же.
Другими словами, если судить только по химическим свойствам, то не все атомы элемента непременно должны быть тождественны. Число нейтронов в ядре может изменяться, и с химической точки зрения это не имеет никакого значения. Так как периодическая таблица опирается на химическую общность элементов, которые определяют по присущим им химическим свойствам, то каждое место в периодической таблице может занимать целая группа разнообразных атомов с различным числом нейтронов, но при условии, что число протонов во всех этих атомах будет одинаковым.
Как же это может повлиять на атомный вес?
Обе упомянутые разновидности атомов меди, естественно, должны были полностью перемешаться за все время существования Земли. Имея одинаковые химические свойства, они должны были бы пройти один и тот же путь в геохимических процессах; в равной мере взаимодействовать со средой, в одно и то же время и в одинаковой степени растворяться и выпадать из растворов. Оба вида атомов были неотделимы — и в результате любой образец элемента, взятый в природе или полученный лабораторным путем, должен содержать одинаковую смесь этих двух изотопов меди.
Таким образом, определяя атомный вес, химики XIX столетия получали средний атомный вес этого элемента. Средний вес был всегда одинаков, но это не означало, что каждый атом в точности похож на другой.
Что же нарушилось в столь удобной для химиков схеме, когда была открыта радиоактивность?
А вот что. Радиоактивный распад — процесс ядерный, и сама возможность его возникновения, скорость и характер протекания — все это зависит от расположения частиц в ядре и не имеет ничего общего с электронами, находящимися вне ядра. Следовательно, два атома, в ядрах которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, должны обладать одинаковыми химическими, но разными ядерными свойствами. Именно благодаря общности химических свойств они стоят в одной и той же клетке периодической таблицы. (Разные ядерные свойства тут не играют роли.)
Но в первом десятилетии нашего века, когда еще не знали о разнице между химическими и ядерными свойствами, началась общая паника: многим казалось, что периодическая система элементов терпит крах.
Было бы легко различить два изотопа (которые, как мы теперь знаем, являются двумя атомами с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядрах), если бы все решала радиоактивность. А что, если ни один изотоп не радиоактивен? Может ли существовать не один, а несколько нерадиоактивных изотопов каждого данного элемента?
Что ж, если бы существовало множество нерадиоактивных изотопов, то они отличались бы друг от друга только по массе. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имел бы массовое число 63, а с 29 протонами и 36 нейтронами — 65. (Выражение атомный вес остается для средних масс встречающихся в природе смесей изотопов каждого данного элемента.)
В 1919 году английский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф, в котором атомы в ионизированном виде (то есть с одним или несколькими выбитыми электронами, так что каждый атом имеет положительный заряд) можно было прогонять через магнитное поле. При этом ионы отклоняются и проходят по кривым, кривизна которых зависит от массы того или иного иона. Следы изотопов, имеющих различные массы, исчезают в разных местах фотопластинки, а по интенсивности следов можно определять соотношения количеств отдельных изотопов. Например, атомы меди с 34 нейтронами составляют 70 процентов всех атомов меди, а атомы с 36 нейтронами — остальные 30 процентов. Вот поэтому атомный вес меди равен не точно 63, а 63,54.
Чтобы различать изотопы, химики пользуются массовыми числами. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имеет массовое число 63 (29 + 34 = 63) и поэтому может быть назван «медью-63», а атом с 29 протонами и 36 нейтронами соответствует «меди-65». Эти числа ставятся за символами, в индексе, например: Cu63, Cu65.
По такой системе мы узнаем только общее число протонов и нейтронов. Химики не пользуются ею, ибо, помня атомный номер каждого элемента наизусть (или украдкой заглядывая в периодическую таблицу, когда никого из посторонних нет поблизости), они знают и число протонов в ядре. Вычитая атомный номер из массового числа, они получают число нейтронов.
Но для наших целей я собираюсь обозначать изотопы иначе — ясно указывая как число протонов, так и число нейтронов. Например, медь-29/34 и медь-29/36. Если мне захочется назвать сразу оба изотопа, то я напишу: медь-29/34,36. Думаю, что такая система вам придется по душе.
Приняв на вооружение все вышеизложенное, мы можем теперь присмотреться к изотопам более внимательно. Давайте, например, разделим их на три разновидности. Во-первых, есть радиоактивные изотопы, которые распадаются так быстро (не более нескольких миллионов лет), что все они существуют, появившись на свет сравнительно недавно, в результате какой-нибудь ядерной реакции — либо в природных условиях, либо в лаборатории. Назовем их нестабильными изотопами. Хотя их известно более тысячи, каждый из них существует в таких фантастически малых количествах (если они вообще существуют), что они дают о себе знать только физикам-ядерщикам, вооруженным специальными приборами.
Во-вторых, есть изотопы, которые радиоактивны, но распадаются так медленно (по меньшей мере сотни миллионов лет), что те, которые мы обнаруживаем сегодня, существовали и при образовании Земли. Каждый из них, несмотря на медленный распад, находится в природе в таких количествах, что их можно обнаружить даже допотопными химическими методами XIX века. Назовем их полустабильными изотопами.
И, наконец, есть изотопы, которые вообще нерадиоактивны или настолько слабо радиоактивны, что даже самые чувствительные приборы не могут этого обнаружить. Назовем их стабильными изотопами.
В этой главе речь пойдет только о полустабильных и стабильных изотопах.
Не менее 20 из 103 известных сегодня элементов обладают только нестабильными изотопами и потому существуют в природе в незначительном количестве. Перечислим их в таблице.