Айзек Азимов - Вид с высоты

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: Cu 63, Cu 65.

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.

Элемент / Атомный номер

Технеций … 43

Прометий … 61

Полоний … 84

Астатин … 85

Радон … 86

Франций … 87

Радий … 88

Актиний … 89

Протактиний … 91

Нептуний … 93

Плутоний … 94

Америций … 95

Кюрий … 96

Берклий … 97

Калифорний … 98

Эйнштейний … 99

Фермий … 100

Менделеевий … 101

Нобелий … 102

Лоуренсий … 103

Заметьте, что все эти элементы, кроме двух, стоят в самом конце известного перечня элементов и имеют атомные номера от 84 до 103. Здесь не хватает только двух элементов, а именно элемента с атомным номером 90 (торий) и с номером 92 (уран); оба номера, как видите, четные. С другой стороны, в начале нашей таблицы приведены два элемента с нечетными атомными номерами — 43 (технеций) и 61 (прометий). Остальные 83 элемента обладают по крайней мере одним стабильным или полустабильным изотопом и поэтому встречаются на Земле в достаточном количестве. (Нет таких стабильных или полустабильных изотопов, которые бы не встречались в природе в достаточном количестве.) Некоторые из этих элементов обладают только одним таким изотопом, другие — двумя, тремя и даже большим числом.

Мне кажется весьма странным, что, хотя во всех учебниках химии, которые я когда-либо читал, всегда перечисляются элементы, ни в одном из них не дается систематизированного перечисления изотопов.

Например, я никогда не встречал полного перечня всех тех элементов, которые обладают только одним стабильным или полустабильным изотопом. Дабы заполнить этот пробел, привожу здесь такой перечень (звездочками здесь и в последующих таблицах помечены полустабильные изотопы).

Элемент / Протон/нейтрон

Бериллий … 4/5

Фтор … 9/10

Натрий … 11/12

Алюминий … 13/14

Фосфор … 15/16

Скандий … 21/24

Марганец … 25/30

Кобальт … 27/32

Мышьяк … 33/42

Иттрий … 39/50

Ниобий … 41/52

Родий … 45/58

Йод … 53/74

Цезий … 55/78

Празеодим … 59/82

Тербий … 65/94

Гольмий … 67/98

Тулий … 69/100

Золото … 79/118

Висмут … 83/126

Торий … 90/142*

Имеется 21 элемент с одним стабильным или полустабильным изотопом, и заметьте, 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».

Теперь давайте перечислим элементы, которые обладают двумя стабильными или полустабильными изотопами.

Элемент / Протон/нейтроны

Водород … 1/0, 1

Гелий … 2/1, 2

Литий … 3/3, 4

Бор … 5/5, 6

Углерод … 6/6, 7

Азот … 7/7, 8

Хлор … 17/18, 20

Ванадий … 23/27*, 28

Медь … 29/34, 36

Галлий … 31/38, 40