Недавно меня попросили написать статью о применении радиоактивных изотопов в промышленности. Когда я писал ее, мне стало как-то грустно от того, что приходилось иметь дело только с практическим использованием изотопов. В изотопах есть много такого, что не находит применения на практике, но о чем стоило бы поговорить.

Каждому элементу — свое место, каждому месту — свой элемент

Путь, по которому слово «изотоп» пришло в научный лексикон, довольно извилист.

За два тысячелетия большинство элемен­тов было с трудом выделено и опознано. В 1869 году русский химик Дмитрий Менде­леев выстроил известные элементы в поряд­ке возрастания атомного веса и составил таб­лицу, в которой элементы, имеющие близкие свойства, попали в одну колонку.

К XX веку периодическая таблица стала обожествляемым помощником химиков. В таблице каждый элемент имел свое ме­сто — и почти каждое место имело свой эле­мент. Разумеется, были места и без элементов, но это никого не беспокоило, так как все знали, что список известных элементов неполон. В конце концов, у химиков появи­лась уверенность, что для каждого свободно­го места в таблице будет найден элемент. Они были правы. Последняя «вакансия» за­полнилась в 1948 году, и затем список эле­ментов, известных Менделееву, был продол­жен.

Атомы без места

Однако после 1900 года возникло серьез­ное противоречие. Среди радиоактивных про­дуктов распада урана и тория были найдены вещества, которые по правилам девятнадца­того века надо было отнести к новым элемен­там, так как их свойства не были похожи на свойства других элементов… но места для них в периодической таблице не оказалось.

В конце концов, несколько ученых, и прежде всего английский физик Фредерик Содди, решили помещать сразу по два, а то и по три элемента в одну клетку. В 1913 году Содди предложил назвать такие элементы «изотопами», что в переводе с греческого оз­начает «то же место».

Реабилитация периодической таблицы

В дальнейшем периодическая таблица была реабилитирована.

Английский физик Эрнест Резерфорд уже в 1906 году доказал, что атом состоит из крохотного центрального ядра, содержащего положительно заряженные протоны, и боль­шого внешнего района, где вращаются отри­цательно заряженные электроны. Число протонов в центре равно числу электронов на периферии, и так как величина положитель­ного электрического заряда протона (произвольно принятая за +1) в точности равна величине электрического заряда электрона (которая, естественно, равна -1), то атом в целом электрически нейтрален.

Следующий шаг сделал молодой англий­ский физик Генри Мозли. Изучая длины волн рентгеновского излучения различных элементов в определенных условиях, он пришел к выводу, что общий положительный заряд ядра каждого элемента имеет характерную величину. Она была названа «атомным номе­ром». Например, атом хрома имеет ядро с положительным зарядом 24, атом марганца — ядро с положительным зарядом 25, атом же­леза — 26. Таким образом, можно сказать, что эти элементы имеют атомные номера 24, 25, 26. Более того, раз положительный заряд полностью соответствует числу протонов в ядре, то можно сказать, что каждый из этих трех элементов имеет в ядре соответственно по 24, 25 и 26 протонов, а вокруг ядра вра­щаются 24, 25 и 26 электронов.

В течение девятнадцатого столетия счи­тали, что все атомы элемента одинаковы. Это было только предположение, но так легче всего объяснялся тот факт, что все образцы элемента имеют одинаковые химические свойства и одинаковый атомный вес.

Такая точка зрения господствовала в те времена, когда атомы считались твердыми, неделимыми шариками. Но в XX веке это объяснение уже не вязалось с новыми пред­ставлениями, согласно которым атомы — сложные сочетания мельчайших частиц.

Обработка данных рентгеновского излу­чения показала, что атомный номер элемен­та отражает его абсолютное единообразие. Все атомы определенного элемента имеют одинаковое число протонов в ядре, а следо­вательно, и одинаковое число электронов в наружных слоях. В двадцатые годы нашего века было доказано, что химические свой­ства элемента зависят от числа электронов, и потому все атомы данного элемента обла­дают одинаковыми химическими свойствами. Объяснение удовлетворяло всех.

Концы с концами не сходятся

Но с атомным весом дело обстояло не так просто. С первых же дней возникновения тео­рии атомного ядра было известно, что в ядре, кроме протонов, должно быть что-то еще. На­пример, ядро атома водорода легче ядер ато­мов всех прочих элементов, и оно несет положительный заряд, равный единице. Поэто­му с полным основанием (и даже неизбежно) можно было предположить, что ядро атома водорода состоит из одного единственного протона. Его атомный вес принято было (впрочем, совершенно произвольно) считать равным единице еще задолго до того, как решился вопрос о строении атома, и это ока­залось вполне обоснованным.

С другой стороны, атомный вес гелия счи­тался равным четырем, так как было извест­но, что его атом в четыре раза массивнее атома водорода. Невольно напрашивался вы­вод, что в ядре гелия четыре протона. Одна­ко его атомный номер, определяемый положительным зарядом ядра, был равен всего двум, а это, в свою очередь, наталкивало на мысль, что в ядре должно быть всего два протона.

С этими двумя различными, но законо­мерными выводами надо было что-то делать.

Единственной другой субатомной части­цей, известной в первые десятилетия XX ве­ка, был электрон. Если предположить, что в ядре атома гелия имеется четыре протона и два электрона, то его атомный вес оказы­вается равным четырем, потому что вес элек­тронов ничтожен по сравнению с весом ядра. И атомный номер будет равен двум, так как положительный заряд двух протонов ока­жется компенсированным отрицательным за­рядом двух электронов.

Получалось, будто у ядра атома гелия шесть отдельных частиц — четыре протона и два электрона, а это противоречило другим, уже известным из опыта фактам. Физики по­кусывали карандаши и вели тихие, унылые разговоры.

Положение спасает нейтрон

Но вот в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и, в конце концов, оказалось, что с теорией — все в по­рядке. Нейтрон равен по своей массе про­тону, но заряда не имеет. Теперь, как видите, 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 нашли свое место, и концы с концами, наконец, сошлись.

Влияют ли нейтроны на химические свойства?

Но как присутствие нейтронов в ядре ато­ма воздействует на химические свойства? Ни­как или, по крайней мере, незаметно.

Возьмем для примера атом меди. Он имеет атомный номер 29, и поэтому каждый атом меди имеет двадцать девять протонов в ядре и двадцать девять электронов, вращающихся вокруг ядра. Но атомный вес меди равен (приблизительно) 63, и поэтому ядро атома меди должно содержать, кроме двадцати де­вяти протонов, еще и тридцать четыре ней­трона. У нейтронов нет электрического заря­да, который следовало бы уравновесить. Двад­цать девять электронов уравновешивают двадцать девять протонов, а что касается нейтронов, то их можно сбросить со счетов.

Ну, тогда предположим интереса ради, что атом меди обладает ядром, в котором двадцать девять протонов и тридцать шесть нейтронов, то есть на два нейтрона больше, чем было предположено нами раньше. Тако­му ядру по-прежнему требовалось бы всего двадцать девять электронов, чтобы уравно­весить электрический заряд; и химические свойства, которые зависят только от электро­нов, оставались бы теми же.

Другими словами, если брать в расчет только химические свойства, то не все атомы элемента непременно должны быть одинако­выми. Число нейтронов в ядре может варьи­ровать, и с химической точки зрения это не имеет никакого значения. Так как периодическая таблица опирается на химическую общность каждого элемента, а элементы опре­деляются по их химическим свойствам, то это значит, что каждое место в периодической таблице может занимать целая группа раз­нообразных атомов с различным числом ней­тронов, однако при условии, что число протонов во всех этих атомах будет постоян­ным.

…А на атомный вес?

Два различных вида атомов меди, естест­венно, могут существовать в смеси всегда.

А почему бы и нет? Имея одинаковые хими­ческие свойства, они проделали бы одинако­вый путь в геохимических процессах; одинаково реагировали бы на среду, растворялись бы и выпадали из растворов в одно и то же время и в одинаковой степени. Они были бы неразделимы; и, наконец, любой образец эле­мента, существующий в природе или приго­товленный в лаборатории, содержал бы все ту же одинаковую смесь двух изотопов меди.

Следовательно, определяя атомный вес элемента, химики девятнадцатого столетия получали средний вес атомов этого эле­мента. Средний вес был всегда одинаков, что бы химики пи делали; но это не означало, что каждый атом точно похож на другой.

Что нарушала радиоактивность?

Что же нарушилось в этой удобной схе­ме, когда была открыта радиоактивность?

А вот что. Радиоактивный распад — про­цесс ядерный, и сама возможность этого процесса, скорость и характер его 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 име­ется одинаковое число протонов, но раз­ное число нейтронов, должны обладать оди­наковыми химическими свойствами, но ядерные свойства у них разные. Именно химические свойства ставят их в одну и ту же клетку в периодической таблице. Разные ядерные свойства никакого отношения к периодической таблице элементов не имеют. Но в первое десятилетие двадцатого века, когда разницы между химическими и ядерными свойствами еще не знали, был период всеобщей паники, и казалось, что периоди­ческая таблица терпит крах.

Было бы легко различить два изотопа (ко­торые, как мы теперь знаем, различаются тем, что их атомы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов), если бы один из них непременно был радиоактив­ным, а другой пет. А что если ни один из изотопов не радиоактивен? Возможно ли су­ществование не одного, а нескольких нера­диоактивных изотопов каждого данного элемента?

Масс-спектрограф взвешивает изотопы

Если может существовать множество не­радиоактивных изотопов, то они должны от­личаться друг от друга по массе. Например, атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами должен иметь «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, такие, из которых «вышиблены» один или несколько электронов) можно было про­пускать через магнитное поле. При этом ионы шли по кривой, крутизна которой зави­села от массы того или иного иона. Следы изотопов, имеющих разные массы, обрыва­ются в разных местах фотографической пла­стинки, а по интенсивности следа можно определять соотношения количеств отдель­ных изотопов. Например, атомы меди с 34 нейтронами составляют 70 процентов всех атомов меди, а атомы меди с 36 нейтрона­ми — остальные 30 процентов. Поэтому атом­ный вес меди — не ровно 63, а 63,54.

Для того чтобы различать изотопы, хи­мики пользуются массовыми числами. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имеет массовое число 63, то есть 29 плюс 34. и по­этому может быть назван «медью-63», а атом меди с 29 протонами и 36 нейтронами — «медью-65». При написании эти числа стано­вятся за символами в индексе: Сu⁶³ и Сu⁶⁵.

При такой системе дается только общее число протонов и нейтронов. Химики знают атомный номер каждого элемента наизусть (или украдкой заглянув в таблицу), и это дает им число протонов в ядре. Вычитая атомный номер из массового числа, они полу­чают число нейтронов.

Но для наших целей я собираюсь изобра­жать изотопы, ясно обозначая как число про­тонов, так и число нейтронов. Например, «медь-29/34» и «медь-29/36». Если мне захо­чется сослаться сразу на оба изотопа, то я напишу: «медь-29/34, 36». Неплохо придума­но, верно?

Присмотримся внимательнее

С таким багажом мы можем теперь при­смотреться к изотопам более внимательно. Например, можно разделить их на три разновидности.

Во-первых, есть радиоактивные изотопы, которые распадаются так быстро (за какие-то несколько миллионов лет), что все они существуют сравнительно недавно, появившись на свет в результате какой-нибудь ядерной реакции, произошедшей либо в природных условиях, либо в лаборатории. Назовем их «нестабильными». Хотя их известно более тысячи, каждый из них существует в таких фантастически малых количествах (если вообще существует), что они дают о себе знать только физикам с их приборами.

Во-вторых, есть изотопы, которые радио­активны, но распадаются так медленно, что те, которые существуют сегодня, существова­ли и при образовании Земли. Каждый из них, несмотря на медленный распад, присутствует в природе в таких количествах, что их можно обнаружить даже допотопными химическими методами девятнадцатого века. Назовем их «полустабильными» изотопами.

И, наконец, есть изотопы, которые вооб­ще не радиоактивны или настолько слабо радиоактивны, что даже самые чувствитель­ные приборы не могут этого обнаружить. На­зовем их «стабильными» изотопами.

Нестабильные

Не менее двадцати из 103 известных се­годня элементов обладают только нестабиль­ными изотопами и потому существуют в при­роде в незначительном количестве.

Элементы, не имеющие стабильных или полустабильных изотопов

Заметьте, что почти все эти элементы сто­ят в самом конце списка периодической си­стемы и имеют атомный вес от 84 до 103. Причем в этом промежутке не хватает толь­ко двух элементов — номер 90 (торий) и но­мер 92 (уран), каждый из которых имеет четный атомный номер. С другой стороны, два элемента, которые начинают список и не входят в «сплошной ряд», имеют атомные номера 43 (технеций) и 61 (прометий), т. е. оба — нечетные.

Это означает, что есть ровно 83 элемента, которые обладают, по крайней мере, одним стабильным или полустабильным изотопом и поэтому встречаются на земле в достаточ­ном количестве, причем некоторые из этих элементов обладают двумя, тремя и даже большим числом таких изотопов.

С одним стабильным изотопом

И странное дело, хотя во всех учебниках химии, которые я когда-либо читал, всегда перечисляются элементы, ни в одном из них нет систематизированного перечисления изо­топов. Например, я никогда не видел полно­го списка всех тех элементов, которые обла­дают только одним стабильным или полу­стабильным изотопом. Я составил этот список. (Полустабильные изотопы в этом и последующих списках отмечены звездоч­кой.)

Элементы с одним стабильным или полустабильным изотопом

Тут двадцать один элемент с одним ста­бильным или полустабильным изотопом. Лег­ко заметить, что во всех случаях, кроме двух (бериллий и торий — первый и последний в списке), одиночные изотопы имеют нечетное число протонов в ядре и четное число нейтронов. Назовем их изотопами «нечет/чет».

С двумя стабильными изотопами

Теперь давайте перечислим элементы, ко­торые обладают двумя стабильными или полустабильными изотопами. В этот список вхо­дят двадцать три элемента, из которых двад­цать обладают нечетным числом протонов.

Элементы с двумя стабильными или полустабильными изотопами

«Нечет/чет» и «нечет/нечет»

Если вы взглянете на все три списка, то увидите, что из 52 известных элементов с не­четными атомными номерами 12 не обладают стабильными или полустабильными изотопами, 19 обладают только одним стабильным или полустабильным изотопом и 20 — только двумя. Всего получается пятьдесят один элемент.

Есть один единственный элемент с нечет­ный атомным номером, который нами еще не упоминался, — элемент № 19 — калий. Ка­лий имеет три стабильных или полустабильных изотопа, и я приведу его отдельно: ка­лий-19/20,21*,22. На десять тысяч атомов калия встречается всего лишь один атом полустабильного калия-19/21* (легчайшего из всех полустабильных изотопов).

52 элемента с нечетными атомными но­мерами имеют 62 различных (перечисленных нами) стабильных и полустабильных изото­па, из которых у 53 — четное число нейтро­нов; поэтому существует всего 53 стабиль­ных и полустабильных изотопа «нечет/чет». 53 изотопа могут быть разделены на пятьде­сят стабильных и три полустабильных (рубидий-37/50*, индий-49/66* и рений-75/112*).

Существуют только девять стабильных и полустабильных изотопов атомов с нечетным атомным номером, которые имеют также и нечетное число нейтронов.

Стабильные или полустабильные изотопы «нечет/нечет»

Как видите, из этих девяти изотопов це­лых пять — полустабильные. Это означает, что в мире существует только четыре пол­ностью стабильных изотопа «нечет/нечет». Из них: водорода-1/1 — «нечет/нечет» — в де­сять раз меньше, чем водорода-1/0 «нечет/чет» (с вашего позволения, я буду считать ноль четным числом); лития-3/3 — «нечет/не­чет» — в тринадцать раз меньше лития-3/4 — «нечет/чет» и бора-5/5 — «нечет/нечет» — в четыре раза меньше, чем бора-5/6 — «нечет/ чет». Поэтому из четырех стабильных изо­топов «нечет/нечет» три составляют мень­шинство даже в собственных элементах.

Остается азот-7/7 — «нечет/нечет», кото­рый не только совершенно стабилен, но и со­ставляет 99,635 процента всех атомов азота. В этом отношении он самый нечетный из всех «нечет/нечетов».

Четные

А что сказать об элементах с четным атом­ным номером?

Здесь положение обратное. Только восемь элементов с четным атомным номером не имеют стабильных или полустабильных изо­топов, и все они располагаются за атомным номером 83, где не существует ни одного полностью стабильного элемента и почти нет полустабильных. Более того, все три полу­стабильных изотопа, оказавшиеся в этой ча­сти таблицы, принадлежат к элементам с чет­ным атомным номером.

Имеется два других элемента с четными атомными номерами, у которых лишь по од­ному стабильному или полустабильному изо­топу, и три элемента, у которых только но два стабильных изотопа. Вы можете прове­рить меня по уже приводившимся спискам.

Получается, что из 51 элемента с четны­ми номерами 39 обладают более чем двумя стабильными изотопами. Один из них — оло­во имеет более десятка стабильных изотопов. Я не буду сводить эти элементы в подробные таблицы. Вместо этого укажу, что есть две разновидности изотопов, имеющих отношение к элементам с четными атомными номерами. Есть изотопы с нечетным числом нейтронов («чет/нечет») и с четным их числом («чет/ чет»).

Подведем итоги

Сведения о стабильных и полустабильных изотопах собраны в следующей таблице.

В общем числе изотопов преобладает груп­па «чет/чет», составляющая 60 процентов. Если учитывать их массу, то преобладание еще увеличивается.

Среди 43 элементов с четными атомными номерами, которые обладают стабильными и полустабильными изотопами, только у одного нет изотопа «чет/чет». Это бериллий, кото­рый имеет один стабильный или полустабильный изотоп — бериллий-4/5, то есть «чет/нечет».

Среди других 42 элементов нет случая, чтобы изотопы «чет/чет» не составляли боль­шинства атомов. Изотопом «чет/нечет», кото­рый наиболее распространен в пределах соб­ственного элемента, является платина-78/117, составляющая одну треть всех атомов плати­ны. Там, где элемент с четным атомным номером имеет более одного изотопа «чет/не­чет» (олово имеет три), все вместе они иног­да оказываются в еще лучшем положении. Рекорд ставят ксенон-54/75 и ксенон-54/77, которые вместе составляют почти 48 процен­тов всех атомов ксенона. Но ни в одном слу­чае, за исключением, конечно, бериллия, со­держание изотопов «чет/нечет» не превыша­ет пятидесяти процентов.

Более того, изотопы «чет/нечет» особенно процветают именно в тех элементах, кото­рые распространены меньше всех. Платина и ксенон относятся к самым редким элемен­там со стабильными и полустабильными изо­топами.

Любовь к «чет/чету»

А вот в самых распространенных элемен­тах господствую изотопы «чет/чет».

Это наглядно проявляется при рассмотре­нии состава земной коры. Как-то я подсчи­тал, какие разновидности изотопов входят в нее, и вот результат:

«чет/чет»                85,63%

«нечет/чет»            13,11%

«чет/нечет»            1,25%

«нечет/нечет»        0,01%

Почти 87 процентов земной коры состоит из элементов с четными атомными номерами. А если взять Землю целиком, то положение будет еще более разительным. Шесть элемен­тов составляют 98 процентов земного шара — это железо, кислород, магний, кремнии, сера и никель. Каждый из них имеет четный атом­ный номер. Мне думается, что наш земной шар на девяносто шесть процентов «чет/чет».

Это, пожалуй, безобразие. Как давний эн­тузиаст научной фантастики и активный про­тивник существующего порядка вещей, я всегда питал необъяснимую симпатию к «нечет/нечету», так же как и ко всему не­обычному.

Профессор А. Азимов