§ 38. Изотопы

Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие, вообще говоря, из многих частиц. Этими составными частями ядра являются протоны — ядра атома водорода и так называемые нейтроны — частицы с массой, почти совпадающей с массой протона, но отличающиеся от протона отсутствием электрического заряда. Общее число протонов и нейтронов, в ядре называется массовым числом. Поскольку заряд ядра определяется содержащимися в нем протонами, то, будучи выражен в элементарных зарядах е, он равен числу протонов; другими словами, число протонов в ядре совпадает с атомным номером Z. Остальную долю частиц в ядре составляют нейтроны.

Частицы в ядре удерживаются вместе специфическими силами неэлектрической природы. Это взаимодействие чрезвычайно сильно, и энергии связи частиц в ядре измеряются десятками миллионов электрон-вольт, т. е. огромны по сравнению с энергиями связи электронов в атоме. По этой причине во всех явлениях, не имеющих специально ядерного происхождения, атомные ядра не подвергаются никаким внутренним изменениям и проявляют себя просто как частицы с определенными массами и зарядами.

Мы уже указывали, что свойства атома определяются в основном зарядом ядра. Масса же ядра играет сравнительно второстепенную роль. Это обстоятельство ярко проявляется в атомах, имеющих одинаковый атомный номер, но различные массы ядер.

Оказывается, что атомы каждого химического элемента не все одинаковы; обладая одинаковым числом электронов, они могут иметь различные ядра, отличающиеся своей массой при одинаковом заряде. Такие разновидности одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента химически тождественны, а также очень близки по своим физическим свойствам. Число изотопов, существующих в естественном виде у различных элементов, различно; оно меняется от одного (у Be, F, Na, А1 и др.) до десяти у олова *).

Те элементы, с которыми мы имеем дело на Земле, представляют собой смеси различных изотопов в определенных отношениях. Обычно фигурирующие в таблице химических элементов атомные веса являются средними весами атомов этих смесей (о них часто говорят как о химических атомных весах), а не точными весами какого-либо определенного изотопа. Атомные веса изотопов очень близки к целым числам — массовым номерам, отличаясь от них на сотые или даже тысячные доли единицы. Средние же (химические) атомные веса могут, конечно, любым образом отличаться от целых чисел.

В связи с этим надо уточнить данное в предыдущем параграфе определение единицы атомного веса как 1/16 части атомного веса кислорода. Кислород имеет три изотопа: О16, О17 и О18 (атомный вес — точнее, массовое число — изотопа принято указывать в виде верхнего индекса у химического символа элемента). Наиболее распространенным из этих изотопов является О16, изотопы же О17 и О18 присутствуют в естественной смеси всего в количествах соответственно 0,04 и 0,2%. Хотя эти количества сравнительно незначительны, но они существенны при точном определении атомных весов.

Средние атомные веса естественных смесей изотопов принято определять по отношению к атомному весу естественного кислорода, принимаемому равным точно 16 (такую шкалу атомных весов иногда называют химической). Для определения же точных атомных весов отдельных изотопов в ядерной физике естественно исходить из атомного веса какого-либо определенного изотопа: принимают равным 16 атомный вес изотопа О16; единица этой шкалы (которую называют физической) на 0,027% меньше химической.

Использование двух шкал атомных весов связано с определенными неудобствами. В связи с этим в настоящее время рекомендовано перейти на новую единую шкалу,, в которой атомные веса определялись бы по отношению к атомному весу изотопа углерода С12, принимаемому равным 12. Переход к этой шкале связан лишь с очень незначительным изменением (увеличением на 0,0043%) обычных, химических, атомных весов.

Первый элемент периодической системы — водород — имеет два естественных изотопа: наряду с основным изотопом с атомным весом 1 существует еще изотоп с весом 2. В естественном водороде имеется всего по одному атому 112 на примерно 6000 атомов Н1. «Тяжелый» изотоп водорода обычно обозначают особым химическим символом D и называют дейтерием; ядро атома этого изотопа называют дейтроном. Поскольку отношение масс двух изотопов водорода равно 2, т. е. сравнительно велико, то разница между их физическими свойствами более значительна, чем у изотопов других элементов, где относительная разница в массах атомов значительно меньше. Так, «тяжелая вода» D20, в состав которой входит тяжелый изотоп водорода, замерзает при 3,8е С вместо 0° С, а кипит при 101,4° С вместо 100° С.

Укажем также, что следующий элемент — гелий — тоже имеет два изотопа: Не3 и Не4. Из них обычным, наиболее распространенным, является изотоп Не4. Атомы же Не3 встречаются в естественном гелии лишь в количестве примерно 1 на 10е атомов Не4. Изотоп Не3 может быть, однако, получен в больших количествах искусственно с помощью методов ядерной физики.