За полвека, прошедшие с тех пор, как было открыто существование изотопов, их тщательно изучали с разных точек зрения ученые различных специальностей — физики, химики, геохимики.
Детальные исследования изотопного состава вещества земной коры и космических пришельцев — метеоритов показали, что для большинства элементов соотношение различных изотопов удивительно постоянно, в каком бы виде и где бы ни встречались эти элементы. Это обстоятельство — одно из самых убедительных доказательств единства происхождения всех тел Солнечной системы.
С другой стороны, — некоторые редкие элементы — гелий, неон, аргон, ванадий и др., находимые в составе метеоритов, значительно отличаются по изотопному составу от тех же элементов, входящих в состав вещества земной коры. Это различие объясняется тем, что метеориты длительное время подвергаются действию космического излучения, которое вызывает в их веществе различные ядерные процессы. Следы такого воздействия и «записаны» в метеоритах в виде необычного изотопного состава элементов. Подобные изотопы — самые чувствительные индикаторы многих космических событий, и поэтому сейчас их изучению уделяется чрезвычайно большое внимание.
В распространенности отдельных изотопов в природе удивительным образом проявляется структура и состав атомных ядер, которые обусловливают их устойчивость. Об этом говорят основные закономерности в распространенности изотопов — на некоторые из них и указывает профессор А. Азимов.
Во-первых, изотопы с четным порядковым номером (то есть с четным числом протонов в ядре) более распространены, чем изотопы с нечетным номером. Особенно четко эта закономерность проявляется в веществе метеоритов, которое прошло более простую термическую историю, чем вещество земной коры: протекавшие при ее образовании интенсивные процессы расплавления, дегазации и действия воды существенно изменили первоначальную картину распространения элементов.
Профессор А. Азимов обращает внимание на то, что элементы с четным порядковым номером имеют значительно большее число стабильных изотопов, чем элементы с нечетным номером.
У нечетных элементов не бывает больше двух стабильных изотопов, а технеций (№ 43) и прометий (№ 61) стабильных изотопов вообще не имеют. Объяснить это можно тем, что четное число протонов в ядре способно удерживать больше нейтронов, чем нечетное число протонов.
Исследования распространенности изотопов показали, что изотопы, содержащие в своих ядрах по 2, 8, 20, 50, 82 и 126 протонов или нейтронов, наиболее распространены и наиболее устойчивы. Эти числа получили название «магических». По аналогии с электронными оболочками атомов (они наиболее устойчивы в химическом отношении в тех случаях, когда их электронные оболочки замкнуты — содержат определенное максимально возможное для каждой оболочки число электронов), было высказано предположение, что «магические числа» — это не что иное как максимально возможные количества протонов и нейтронов в каких-то ядерных оболочках. Если ядерные оболочки оказываются замкнутыми, то ядро наиболее стабильно.
В связи с этим любопытно, что самый тяжелый стабильный изотоп — изотоп свинца, имеющий в своем составе 82 протона и 126 нейтронов (дважды магическое ядро). Все более тяжелые изотопы нестабильны.
Наконец, изучение распространенности изотопов позволило установить еще одну закономерность: у элементов с порядковым номером до 35-го наиболее распространены легкие изотопы, а у элементов с большим номером, наоборот, — самые тяжелые.
Все эти закономерности, несомненно, должны иметь какое-то объяснение. Они лежат в основе высказываемых сейчас гипотез о происхождении элементов; исходя из них делаются попытки создать систематику изотопов, подобную периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Однако окончательного ответа на все вопросы, связанные с распространением и стабильностью изотопов, пока нет.
Доктор химических наук, профессор А. К. Лаврухина