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

Впрочем, существуют и исключения, лучшим примером которых является свинец. Все радиоактивные ряды (см. гл. 8) заканчиваются определенным изотопом свинца. Ряды, начинающиеся с урана–238 и урана–235, заканчиваются свинцом–206 и свинцом–207, причем свинца–206 образуется гораздо больше, так как атомов урана–238 намного больше, чем урана–235. Ториевый же ряд заканчивается свинцом–208.

Атомный вес обычного свинца, содержащегося в нерадиоактивных рудах, равен примерно 207,2. В урановых рудах, где в течение многих геологических периодов образовывался свинец–206, его атомный вес должен быть немного ниже, а атомный вес свинца, содержащегося в ториевых рудах, немного выше. В 1914 году американский химик Теодор Ричарде (1868–1928) провел измерения их атомных весов и обнаружил, что действительно атомный вес свинца, содержащегося в урановых рудах, равен 206,1, а атомный вес свинца, содержащегося в ториевых рудах, — 207,9.

Среди нерадиоактивных элементов таких вариаций атомного веса обычно не наблюдается. Однако обнаружено, что атомный вес некоторых легких элементов зависит от условий, при которых этот элемент был получен. Например, соотношение кислорода–16 и кислорода–18 в карбонате кальция (СаСO 3), из которого состоит морская раковина, зависит от температуры воды, в которой находился образовавший раковину организм. С помощью точных измерений соотношений содержания этих изотопов в окаменелых морских раковинах можно определить, какова была температура воды Мирового океана в различные геологические периоды.

Обнаружение изотопов кислорода привело к некоторой неразберихе с атомными весами. Еще при Берцелиусе за эталон атомного веса был принят атомный вес кислорода, равный 16. Однако в 1929 американский химик Уильям Джиок (1895–1982) обнаружил, что кислород состоит из трех изотопов — кислорода–16, кислорода–17 и кислорода–18, а его атомный вес равен среднему арифметическому массовых чисел этих изотопов.

С другой стороны, кислороде 6 составляет почти 99,759% всего кислорода, и поэтому можно считать, что кислород состоит всего лишь из одного изотопа. Химики еще в течение целого поколения предпочитали игнорировать существование других изотопов и пользовались прежними атомными весами, получившими название химические.

Физики же предпочли принять за 16 массовое число кислорода–16 и вычислять массовые числа остальных элементов относительно этого изотопа. В качестве аргументов они приводили следующее: массовое число изотопа постоянно и не меняется, в то время как атомный вес элемента, состоящего из нескольких изотопов, будет меняться в зависимости от относительного содержания этих изотопов в конкретном образце данного элемента.

Исходя из того, что массовое число кислорода–16 равно 16, физики составили новую таблицу атомных весов, на этот раз уже физических. Согласно этой новой таблице, атомный вес кислорода равен 16,0044 (за счет кислорода–17 и кислорода–18), что на 0,027% больше, чем химический атомный вес кислорода, равный 16. Атомный вес любого элемента по таблице физиков на 0,027 больше атомного веса того же элемента по таблице химиков, а так как разница невелика, то она лишь создает ненужные сложности при точных расчетах.

В 1961 году физики и химики пришли к компромиссу, приняв за массовое число углерода–12 величину 12 и высчитав атомные веса всех остальных элементов относительно углерода–12. Как и хотели физики, отныне атомные веса были привязаны к массовому числу, то есть к постоянной величине. Более того, величины атомных весов элементов по новой системе практически не отличались от их химических атомных весов. Например, по новой системе атомный вес кислорода равнялся 15,9994, что всего лишь на 0,0037% меньше химического атомного веса кислорода. Атомные веса, приведенные в табл. 2, гл. 1, высчитаны относительно углерода–12.

Так как атомный вес является средним взвешенным массовых чисел встречающихся в природе изотопов, то можно говорить лишь об атомном весе примордиальных элементов, тех элементов, которые были на Земле с самого момента ее образования, то есть появились одновременно. Таких элементов всего 83, из них 81 стабильный элемент (с атомным весом от 1 до 83, исключая элементы с атомным весом 43 и 61) и два относительно стабильных элемента — уран и торий.

Элементы, образующиеся из урана и тория, являются изотопами, значение массовых чисел которых зависит от того, содержатся эти элементы в урановой или в ториевой руде. Высчитать среднее арифметическое таких чисел невозможно, поэтому нельзя определить и атомное число. В результате за атомный вес этих элементов (и других нестабильных элементов, речь о которых пойдет в следующей главе) принято считать массовое число изотопа с самым длительным периодом полураспада. В таблицах такие массовые числа обычно пишут в квадратных скобках, как, например, в табл. 10. Из приведенных в этой таблице изотопов радон и радий являются дочерними элементами уранового ряда, а франций, актиний и протактиний — актиниевого ряда. Эти 5 элементов встречаются в природе, в то время как полоний–209 и астатин–210 получены искусственным путем.

Изотопы свинца поменяли не только представления химиков об атомных весах, но и представления геологов об истории Земли.

В 1907 году американский физик Бертрам Борден Болтвуд (1870–1927) предложил вычислять возраст полезных ископаемых по радиоактивным рядам.

Предположим, что столько-то лет назад под действием морской седиментации или вулканической активности на поверхности земли сформировался слой застывшей породы, содержащей уран или торий. Атомы урана или тория оказались внутри этого слоя «в ловушке». Атомы свинца, образующиеся в результате распада урана и тория, также окажутся «в ловушке».

На протяжении всего времени с момента отвердевания слоя породы атомы урана или тория будут распадаться, а содержание свинца соответственно увеличиваться. То есть со временем соотношение уран/свинец и торий/свинец в слое будет увеличиваться.

К этому времени Резерфорд уже разработал концепцию полураспада, поэтому стало ясно, что это соотношение будет увеличиваться с известной скоростью. Таким образом, зная величину соотношения урана/свинца или же тория/свинца в любой произвольный момент времени (например, в настоящий), можно вычислить, сколько прошло времени с момента застывания породы. А поскольку периоды полураспада урана–238 и тория–232 чрезвычайно длинные, можно определить возраст до нескольких миллиардов лет.