Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Стабильные изотопы

Обратив внимание на элементы трех радиоактивных рядов, представленных в табл. 5, 6, 7, можно заметить, что радиоактивные изотопы существуют и у устойчивых элементов. Например, у висмута таких изотопов пять — с атомным весом 210, 211, 212, 214 и 215, соответственно, у таллия — четыре — с атомным весом 206, 207, 208 и 210 и у свинца также четыре — с атомным весом 210, 211, 212 и 214. Так как все эти элементы содержатся в почве в больших количествах и не радиоактивны, у каждого из них должен быть хотя бы один стабильный изотоп.

Тем не менее все эти изотопы, как стабильные, так и нестабильные, являются радиоактивными. Напрашивается вопрос: а имеют ли изотопы нерадиоактивные элементы? Если имеют, то доказать это будет очень сложно, так как обычными лабораторными методами невозможно выделить изотопы (кроме некоторых исключительных случаев), да и радиоактивного излучения они не испускают.

Давайте предположим, что атомы элемента ионизированы, как в случае образования позитивных лучей (см. гл. 7). Тогда, так как в каждом атоме станет на один электрон меньше, их заряд будет равняться +1. Однако, если элемент состоит из двух и более изотопов, образуется несколько групп ионов, различающихся массой.

Если пропустить поток таких положительных ионов через магнитное поле, то они будут лететь по кривой траектории, причем степень крутизны будет зависеть от заряда и массы отдельных частиц. В данном случае заряд всех ионов одинаков, но масса-то различна! Чем легче частица, тем больше угол кривизны траектории ее полета. Теперь, если у всех ионов потока масса одинакова, то на фотопластинке они образуют одно пятно, однако если же поток электронов состоит из групп ионов с разными массами, то на пластинке будет уже несколько пятен, причем более тяжелые ионы образуют более темное и большее по размерам пятно.

В 1912 году Дж.Дж. Томсон, первооткрыватель электрона, проделал подобный эксперименте неоном. Положительные лучи из неона оставляли на фотопластинке два пятна, по всей видимости ионов неона–20 и неона–22. Первое пятно было почти в 10 раз больше второго. Это говорило о том, что неон состоит из двух изотопов, неона–20 и неона–22, в пропорции примерно 1/10. (Позднее было обнаружено присутствие и третьего изотопа, неона–21. Его содержание настолько мало, что из 1000 атомов неона 909 являются атомами неона–20, 88 — неона–22 и только 3 — атомами неона–21.)

В 1919 году работавший вместе с Томсоном английский физик Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) сконструировал более совершенное устройство для анализа положительных лучей. В этом устройстве положительные лучи определенной массы не просто оставляли отпечаток на фотопластинке; они особым образом отклонялись, и при этом повышалось разрешение. В результате пучок ионов одного элемента отпечатывался на фотопластинке в виде последовательности точек («массовый» спектр вместо оптического). По положению точек можно оценить массу отдельных изотопов, а по степени затемнения можно определить, с какой частотой эти изотопы встречаются в данном веществе (то есть относительное содержание). Устройство получило название масс-спектрограф.

С помощью масс-спектрографа ученые определили, что большинство устойчивых элементов состоят из двух и более стабильных изотопов. Полный список этих стабильных изотопов[132] приведен в табл. 8.

По данным таблицы можно сделать следующие выводы. Во-первых, несмотря на то что большинство из 81 устойчивого элемента имеют два и более стабильных изотопа (а у олова их целых 10), из них 20 элементов имеют всего один изотоп. (Более того, у двух элементов с атомным числом менее 84 вообще нет стабильных изотопов. Эти два элемента с атомными числами 43 и 61 подробно описаны в гл. 10.)

По правде говоря, элемент не может иметь «один изотоп», так как изотопы по определению являются двумя и более элементами, занимающими одну и ту же ячейку периодической системы. В данном случае элемент имеет «одного близнеца», и правильнее называть их нуклидами, то есть элементами с определенной структурой ядра. Тем не менее термин «изотоп» настолько прижился, что я буду продолжать говорить об «одном изотопе».

Не все из 282 приведенных в табл. 7 нуклидов действительно стабильны. 18 из них являются радиоактивными, однако их период полураспада настолько велик, что радиоактивное излучение у них очень слабое. Периоды полураспада некоторых из них достигают квадриллионов лет, поэтому их радиоактивностью можно просто пренебречь. Однако 7 из них очень радиоактивны, поэтому я и привел их в табл. 9.

Таблица 8.

СТАБИЛЬНЫЕ ИЗОТОПЫ

(Атомное число. Химический элемент … Изотопы)

1. Водород … 1, 2

2. Гелий … 3, 4

3. Литий … 6, 7

4. Бериллий … 9

5. Бор … 10, 11

6. Углерод … 12, 13

7. Азот … 14, 15

8. Кислород … 16, 17, 18

9. Фтор … 19

10. Неон … 20, 21, 22

11. Натрий … 23

12. Магний … 24, 25, 26

13. Алюминий … 27

14. Кремний … 28, 29, 30

15. Фосфор … 31

16. Сера … 32, 33, 34, 36

17. Хлор … 35, 37

18. Аргон … 36, 38, 40

19. Калий … 39, 40, 41

20. Кальций … 40, 42, 43, 44, 46, 48

21. Скандий … 45

22. Титан … 46, 47, 48, 49, 50

23. Ванадий … 50, 51

24. Хром … 50, 52, 53, 54

25. Марганец … 55

26. Железо … 54, 56, 57, 58

27. Кобальт … 59

28. Никель … 58, 60, 61, 62, 64

29. Медь … 63, 65

30. Цинк … 64, 66, 67, 68, 70

31. Галлий … 69, 71

32. Германий … 70, 72, 73, 74, 76

33. Мышьяк … 75

34. Селен … 74, 76, 77, 78, 80, 82

35. Бром … 79, 81

36. Криптон … 78, 80, 82, 83, 84, 86

37. Рубидий … 85, 87

38. Стронций … 84, 86, 87, 88

39. Иттрий … 89

40. Цирконий … 90, 91, 92, 94, 96

41. Ниобий … 93

42. Молибден … 92, 94, 95, 96, 97, 98

44. Рутений … 86, 98, 99, 100, 101, 102, 104

45. Родий … 103

46. Палладий … 102 104, 105, 106, 108, 110

47. Серебро … 107 109

48. Кадмий … 106 108, 110, 111, 112, 113, 114, 116

49. Индий … 113 115

50. Олово … 112 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122, 124