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

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 9/10 всех атомов неона, в то время как большая часть оставшейся 1/10 состоит 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] 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.

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 (СаСO3), 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.