Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В какой-то мере самым необычным из всех стабильных изотопов является водород–2, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, в отличие от ядра водорода–1, которое состоит только из одного протона. Соотношение разницы массы у этих двух элементов намного больше, чем у двух любых стабильных изотопов любого другого элемента.

Например, масса урана–238 в 238/235, или 1,013, раза больше массы урана–235, олова–124 (самый тяжелый изотоп этого элемента) — в 1,107 раза больше массы олова–112 (самого легкого). Масса кислорода–18 в 1,125 раза больше массы кислорода–16. А масса водорода–2 в 2 раза больше массы водорода–1.

Эта огромная разница относительной массы двух изотопов водорода говорит о том, что по физическим и химическим свойствам эти два элемента отличаются друг от друга сильнее, чем изотопы других веществ. Точка кипения обычного водорода 20,38 °К, а у водорода–2 («тяжелый водород») — 23,50 °К.

Опять-таки плотность обычной воды — 1000 граммов на кубический сантиметр, а температура замерзания 273,1 °K (0 °С), в то время как у воды, молекулы которой состоят из водорода–2 («тяжелой воды»), плотность 1,108 грамма на кубический сантиметр, а температура замерзания — 276,9 °К (3,8 °С).

Учитывая все особенности водорода–2, ему дали особое название — дейтерий (от греч. «второй»). Его символ — D, и формула тяжелого водорода выглядит как D 2, а тяжелой воды — D 2O.

Физики предположили возможность существования дейтерия еще в самые первые годы изучения изотопов, так как атомный вес водорода был немного выше, чем он должен быть.

Калий–40 … 1 300 000 000

Рубидий–87 … 47 000 000 000

Лантан–138 … 110 000 000 000

Самарий–146 … 106 000 000 000

Лютеций–176 … 36 000 000 000

Рений–187 … 70 000 000 000

Платина–190 … 700 000 000 000

Как показали подсчеты, энергетические уровни единственного электрона водорода–1 и водорода–2 распределены немного по-разному, поэтому в спектре водорода должны присутствовать слабые линии водорода–2. Однако этого не наблюдается, да и масс-спектрографом водород–2 обнаружен не был. Возможно, причина кроется в том, что водород–2 в природе встречается довольно редко: из 7000 атомов водорода только один является атомом водорода–2.

В 1931 году американский химик Гарольд Юри (1893–1981) решил провести следующий эксперимент. Он оставил 4 литра водорода испаряться до 1 куб. см, полагая, что поскольку водород–2 испаряется медленнее, то он сконцентрируется в этой «последней капле». Юри оказался прав. В спектре последней капли он обнаружил линии дейтерия точно там, где они, по расчетам, и должны были быть.

Люди, особо любящие порядок во всем, могут попытаться «поделить» атом между химиками и физиками, отдав первым электроны, а вторым — ядро.

Однако с научной точки зрения этого делать нельзя. Поэтому, несмотря на то что изучение структуры ядра резко отличается от изучения обычных химических реакций, химики должны интересоваться структурой ядра, хотя бы потому, что от нее зависит базовая величина химии — атомный вес.

В конце XIX века считали, что с атомным весом все было ясно и понятно. Как казалось химикам, атомный вес каждого элемента уникален и в будущем нужно лишь уточнить его значения до четвертого и пятого разряда десятичной дроби.

Открытие изотопов поставило под сомнение уникальность атомного веса. Оказалось, что идея Дальтона о том, что масса всех атомов одного и того же элемента одинакова, а следовательно, одинаков и атомный вес этих атомов, в корне неверна, так как большинство элементов состоят из двух и более типов атомов разной массы. Атомный вес — лишь среднее взвешенное масс атомов изотопов.

Раз «атомный вес» — это среднее взвешенное масс изотопов элемента, значит, нельзя говорить об «атомном весе» изотопа.

Для обозначения относительной массы изотопа лучше использовать термин массовое число.

Таким образом, мы можем сказать, что неон состоит из трех изотопов, массовые числа которых 20, 21 и 22. Неон–20 составляет около 9/ 10всех атомов неона, в то время как большая часть оставшейся 1/ 10состоит из атомов неона–22. Так как концентрация неона–21 слишком мала, чтобы иметь хоть какое-то влияние, то можем ею пренебречь и считать, что из 10 атомов неона 9 имеют массу 20, а I — массу 22. Вместе получается 20,2, что приблизительно равно атомному весу неона.

Хлор состоит из двух изотопов, массовые числа которых 35 и 37, причем хлор–35 составляет ¾, а хлор–37 — ¼ всех атомов хлора. Средняя масса четырех атомов, три из которых имеют массу 35, а один — 37, равна 35,5, что также приблизительно равно атомному весу хлора.

Гипотеза Прута (см. гл. 2) о том, что атомные веса всех элементов были кратными целыми веса водорода, в XIX веке подвергалась жесткой критике. Однако в XX веке выяснилось, что действительно, массовые числа всех без исключения изотопов являются практически точными кратными массы атома водорода. Это и возродило гипотезу Прута в более сложной интерпретации. Хотя химические элементы и не состоят из атомов водорода, но (не учитывая практически невесомых электронов) все они состоят из нескольких нуклонов практически одинаковой массы, а атом водорода состоит из одного такого нуклона. Атомные веса некоторых элементов являются целыми или близкими к целым числам потому, что эти элементы состоят из одного изотопа, как, например, алюминий, или же один из изотопов этого элемента наиболее распространен, как, например, кальций. Кальций состоит из 6 стабильных изотопов, массовые числа которых 40, 42, 43, 44, 46 и 48, но атомы кальция–40 составляют 97% всех атомов кальция. К этим двум классам принадлежат большинство элементов, поэтому Прут и сделал такие выводы. Именно из-за этого «дисбаланса» изотопов некоторые элементы занимают «не свои места» в периодической таблице. Например, кобальт, атомное число которого 27, состоит из единственного изотопа с массовым числом 59. Таким образом, его атомный вес примерно 58,9. [133] А почему не точно? См. гл. II По идее у никеля, атомное число которого больше (28), и атомный вес должен быть выше. Никель состоит из 5 изотопов, массовые числа которых 58, 60, 61, 62 и 64, и неудивительно, что массовые числа четырех из них выше, чем у оставшегося изотопа никеля. Однако именно этот самый легкий изотоп, никель–58, в природе наиболее распространен. Атомов никеля–58 в два раза больше, чем атомов всех остальных изотопов никеля, вместе взятых. Поэтому атомный вес никеля около 58,7, что ниже, чем у кобальта.

Таким образом, оказывается, что значение атомного веса вовсе не носит фундаментального характера и не может являться характеристикой элемента. А казался он таковым исключительно потому, что свойства всех изотопов одного и того же элемента практически идентичны. Процессы, благодаря которым соединения элементов сконцентрировались на тех или иных участках земной поверхности или же благодаря которым ученым удалось выделить тот или иной элемент в лаборатории, действуют на все изотопы одного и того же вещества одинаково. Таким образом, два образца любого вещества, независимо от того, как они были получены, содержат изотопы практически в одинаковых пропорциях, и поэтому атомный вес этих веществ одинаков, то есть является характерным для этого вещества.