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