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

51. Сурьма … 121 123

52. Теллур … 120 122, 123, 124, 125, 126, 128, 130

53. Йод … 127

54. Ксенон … 124 126, 128, 129, 130, 131, 132, 134, 136

55. Цезий … 133

56. Барий … 130 132, 134, 135, 136, 137, 138

57. Лантан … 138 139

58. Церий … 136 138, 140, 142

59. Празеодим … 141

60. Неодим … 142 143, 144, 145, 146, 148, 150

62. Самарий … 144 147, 148, 149, 150, 152, 154

63. Европий … 151 153

64. Гадолиний … 152 154, 155, 156, 157, 158, 160

65. Тербий … 159

66. Диспрозий … 156, 158, 160, 161. 162, 163, 164

67. Гольмий … 165

68. Эрбий … 162, 164, 166, 167, 168, 170

69. Тулий … 169

70. Иттербий … 168, 170, 171, 172, 173, 174, 176

71. Лютеций … 175, 176

72. Гафний … 174, 176, 177, 178, 179, 180

73. Тантал … 180, 181

74. Вольфрам … 180, 182, 183, 184, 186

75. Рений … 185, 187

76. Осмий … 184, 186, 187, 188, 189, 190, 192

77. Иридий … 191, 193

78. Платина … 190, 192, 194, 195, 196, 198

79. Золото … 197

80. Ртуть … 196, 198, 199, 200, 201, 202, 204

81. Таллий … 203, 205

82. Свинец … 204, 206, 207, 208

83. Висмут … 209 

Может показаться странным, что радиоактивность не была обнаружена ранее, особенно на примере калия–40, так как калий — вполне обычный химический элемент, а у калия–40 (входит в список элементов табл. 9) период полураспада короче, чем у урана–238 и урана–232, поэтому он и более радиоактивный.

На то есть две причины. Во-первых, в природе калий–40 встречается довольно редко: из 10 000 атомов калия только 1 является атомом калия–40. Во-вторых, хотя и уран, и торий являются родителями ряда очень радиоактивных элементов, именно их дочерние элементы порождают явления, которые наблюдали Беккерель и Кюри.

Ни один из радиоактивных элементов с длинным периодом полураспада, являющийся изотопом более легких элементов, не может быть родителем радиоактивного ряда. Они испускают бета-частицу и тут же становятся стабильными изотопами элемента с атомным числом, больше на 1. Таким образом, рубидий–87 становится устойчивым стронцием–87, лантан–138 становится устойчивым церием–138 и т. д.

У калия–40 все немного по-другому. Около 89% всех распадающихся атомов калия–40 действительно излучают бета-частицу и превращаются в устойчивый кальций–40. Ядра оставшихся 11% атомов поглощают электрон К-оболочки (см. гл. 5), и этот процесс получил название К-захват. Этот захваченный электрон нейтрализует положительный заряд протона, и в итоге в ядре появляется еще один нейтрон. При этом количество нуклонов не меняется, а следовательно, и атомный вес остается прежним, но вот атомное число уменьшается на 1. Путем К-захвата калий–40 (атомное число 19) становится устойчивым аргоном–40 (атомное число 18).

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 D₂, а тяжелой воды — D₂O.

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

Таблица 9.

ЛЕГКИЕ РАДИОАКТИВНЫЕ НУКЛИДЫ

(Нуклид … Период полураспада (лет))

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.