Текст книги "Вид с высоты"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 17 страниц)
7. Четные берут верх
Недавно меня попросили написать статью о применении радиоактивных изотопов в промышленности. Когда я писал, мне стало как-то грустно оттого, что приходилось иметь дело только с практическим использованием изотопов.
В изотопах есть много такого, что не находит применения на практике, но о чем стоило бы поговорить.
* * *
Путь, по которому термин «изотоп» вошел в научный лексикон, был довольно извилистым. За два тысячелетия большинство элементов было выделено и идентифицировано. В 1869 году русский химик Д. И. Менделеев расположил известные элементы в порядке возрастания атомного веса и показал, что можно составить таблицу, в которой элементы (в указанном порядке) располагаются так, что вещества, имеющие близкие свойства, попадают в одну колонку.
К 1900 году периодическая таблица стала святыней химиков. Каждый элемент имел свое место в таблице, и почти все клетки в ней были заполнены. Правда, были еще и пустые места, но это уже никого не беспокоило, так как все знали, что список известных элементов неполон. Со временем химики уверились в том, что каждое свободное место в таблице займет вновь открытый элемент. И они не ошиблись. Последний «пробел» был заполнен в 1948 году, а список элементов, известных Менделееву, был продолжен. В настоящее время известно 103 различных элемента[5]5
Недавно группой советских ученых, возглавляемой Г. Флеровым, был открыт 104-й элемент. Атомный вес этого нового трансуранового элемента равен 260. – Прим. ред.
[Закрыть].
Однако после 1900 года возникло серьезное противоречие. Среди радиоактивных продуктов распада урана и тория были найдены вещества, которые по правилам XIX века следовало бы отнести к новым элементам, так как их свойства не были похожи на свойства ни одного из других элементов… но места для них в периодической таблице не оказалось.
Тогда несколько ученых решили помещать сразу по два, а то и по три элемента в одну клетку таблицы. В 1913 году английский физик Фредерик Содди предложил назвать такие элементы изотопами, что в переводе с греческого означает «то же место».
Последующие открытия реабилитировали периодическую таблицу. Английский физик Эрнест Резефорд уже в 1906 году показал, что атом состоит из крохотной центральной части, содержащей положительно заряженные протоны, и сравнительно большой внешней области, где обращаются отрицательно заряженные электроны. Число протонов в центре равно числу электронов на периферии, и так как величина положительного электрического заряда протона (произвольно принятая за +1) в точности равна величине электрического заряда электрона (которая, естественно, равна –1), то атом в целом электрически нейтрален.
Следующий шаг сделал молодой английский физик Генри Гвин-Джефрис Мозли. Изучая длину волн рентгеновского излучения различных элементов, он сделал вывод, что общий положительный заряд ядра каждого элемента имеет характерную величину. Она была названа атомным номером.
Например, атом хрома имеет ядро с положительным зарядом 24, атом марганца – ядро с положительным зарядом 25, атом железа – 26. Теперь можно сказать, что эти элементы имеют атомные номера 24, 25, 26. Далее, раз положительный заряд точно соответствует числу протонов в ядре, то каждый из этих трех элементов имеет соответственно по 24, 25 и 26 протонов в ядре, вокруг которого вращаются 24, 25 и 26 электронов.
В XIX столетии считали, что все атомы элемента тождественны. Это было лишь предположение, но оно лучше всего объясняло тот факт, что все образцы элемента имеют одинаковые химические свойства и одинаковый атомный вес.
Та же точка зрения господствовала и во времена, когда атомы считались твердыми, неделимыми, похожими один на другой шариками.
Но в XX веке такое объяснение уже никак не вязалось с новыми представлениями, согласно которым атомы – это сложные сочетания мельчайших частиц.
Обработка результатов рентгеновского анализа показала, что атомный номер элемента сообразуется с общей для каждого элемента закономерностью, то есть все его атомы имеют одинаковое число протонов в ядре, а следовательно, и одинаковое число электронов в наружных слоях. В период с 20-го по 30-й годы было доказано, что химические свойства элемента зависят от числа электронов в атоме и, следовательно, все атомы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами. На первых порах такое объяснение удовлетворяло всех.
Что касается атомного веса, дело обстояло не так просто. С самого начала возникновения теории атомного ядра было известно, что, кроме протонов, в ядре должны быть какие-то другие частицы. Например, ядро атома водорода легче ядер атомов всех прочих элементов, и оно несет положительный заряд, равный 1. Поэтому было естественно предположить, что ядро атома водорода состоит из одного-единственного протона. Атомный вес водорода принято было считать равным единице еще задолго до того, как решился вопрос о строении атома, и это оказалось вполне обоснованным.
С другой стороны, атомный вес гелия считался равным 4, так как было известно, что его ядро в 4 раза массивнее ядра атома водорода. Невольно напрашивался вывод, что в ядре гелия должно быть четыре протона. Однако его атомный номер, определяемый положительным зарядом ядра, был равен всего двум, а это в свою очередь наталкивало на мысль, что в ядре должно быть всего два протона.
С этими двумя различными, но вполне закономерными выводами что-то надо было делать. Единственной другой субатомной частицей, известной в первые десятилетия нашего века, был электрон. Если предположить, что в ядре атома гелия имеется четыре протона и два электрона, то его атомный вес оказывается равным четырем, потому что вес электронов ничтожен по сравнению с весом ядра. Атомный номер тогда был бы равен двум, так как положительный заряд двух протонов оказался бы компенсированным отрицательным зарядом двух электронов.
Однако даже при таком представлении о ядре концы с концами все равно не сходились. Например, получалось так, будто в ядре атома гелия шесть отдельных частиц – четыре протона и два электрона, а это противоречило другим уже известным из опытов фактам. Физики почесывали затылки и уныло перешептывались.
И вот в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и в конце концов оказалось, что с теорией все в порядке. Нейтрон равен (вернее, почти равен) по своей массе протону, но заряда не имеет. Теперь можно было считать, что в ядре атома гелия два протона и два нейтрона. Положительный заряд и, следовательно, атомный номер равен двум, а атомный вес – четырем. Все четыре частицы ядра атома гелия оказались на своем месте, и теперь концы с концами сходились.
А как же влияет на химические свойства элементов присутствие нейтронов в ядре атома? Никак или по крайней мере незаметно.
Возьмем для примера атом меди. Он имеет атомный номер 29, и поэтому у каждого атома меди есть 29 протонов в ядре и 29 электронов, вращающихся вокруг ядра. Но атомный вес меди равен (приблизительно) 63, и поэтому ядро меди должно содержать, кроме 29 протонов, еще и 34 нейтрона. У нейтронов нет электрического заряда, который надо было бы нейтрализовать. 29 электронов уравновешивают 29 протонов; что касается нейтронов, то в этом плане их можно сбросить со счетов.
Теперь предположим интереса ради, что атом меди обладает ядром, в котором 29 протонов и 36 нейтронов, то есть на два нейтрона больше, чем предполагалось ранее. Такому ядру по-прежнему требовалось бы всего 29 электронов, чтобы сбалансировать электрический заряд, а его химические свойства, которые, как известно, зависят только от количества электронов, оставались бы такими же.
Другими словами, если судить только по химическим свойствам, то не все атомы элемента непременно должны быть тождественны. Число нейтронов в ядре может изменяться, и с химической точки зрения это не имеет никакого значения. Так как периодическая таблица опирается на химическую общность элементов, которые определяют по присущим им химическим свойствам, то каждое место в периодической таблице может занимать целая группа разнообразных атомов с различным числом нейтронов, но при условии, что число протонов во всех этих атомах будет одинаковым.
Как же это может повлиять на атомный вес?
Обе упомянутые разновидности атомов меди, естественно, должны были полностью перемешаться за все время существования Земли. Имея одинаковые химические свойства, они должны были бы пройти один и тот же путь в геохимических процессах; в равной мере взаимодействовать со средой, в одно и то же время и в одинаковой степени растворяться и выпадать из растворов. Оба вида атомов были неотделимы – и в результате любой образец элемента, взятый в природе или полученный лабораторным путем, должен содержать одинаковую смесь этих двух изотопов меди.
Таким образом, определяя атомный вес, химики XIX столетия получали средний атомный вес этого элемента. Средний вес был всегда одинаков, но это не означало, что каждый атом в точности похож на другой.
Что же нарушилось в столь удобной для химиков схеме, когда была открыта радиоактивность?
А вот что. Радиоактивный распад – процесс ядерный, и сама возможность его возникновения, скорость и характер протекания – все это зависит от расположения частиц в ядре и не имеет ничего общего с электронами, находящимися вне ядра. Следовательно, два атома, в ядрах которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, должны обладать одинаковыми химическими, но разными ядерными свойствами. Именно благодаря общности химических свойств они стоят в одной и той же клетке периодической таблицы. (Разные ядерные свойства тут не играют роли.)
Но в первом десятилетии нашего века, когда еще не знали о разнице между химическими и ядерными свойствами, началась общая паника: многим казалось, что периодическая система элементов терпит крах.
Было бы легко различить два изотопа (которые, как мы теперь знаем, являются двумя атомами с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядрах), если бы все решала радиоактивность. А что, если ни один изотоп не радиоактивен? Может ли существовать не один, а несколько нерадиоактивных изотопов каждого данного элемента?
Что ж, если бы существовало множество нерадиоактивных изотопов, то они отличались бы друг от друга только по массе. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имел бы массовое число 63, а с 29 протонами и 36 нейтронами – 65. (Выражение атомный вес остается для средних масс встречающихся в природе смесей изотопов каждого данного элемента.)
В 1919 году английский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф, в котором атомы в ионизированном виде (то есть с одним или несколькими выбитыми электронами, так что каждый атом имеет положительный заряд) можно было прогонять через магнитное поле. При этом ионы отклоняются и проходят по кривым, кривизна которых зависит от массы того или иного иона. Следы изотопов, имеющих различные массы, исчезают в разных местах фотопластинки, а по интенсивности следов можно определять соотношения количеств отдельных изотопов. Например, атомы меди с 34 нейтронами составляют 70 процентов всех атомов меди, а атомы с 36 нейтронами – остальные 30 процентов. Вот поэтому атомный вес меди равен не точно 63, а 63,54.
Чтобы различать изотопы, химики пользуются массовыми числами. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имеет массовое число 63 (29 + 34 = 63) и поэтому может быть назван «медью-63», а атом с 29 протонами и 36 нейтронами соответствует «меди-65». Эти числа ставятся за символами, в индексе, например: Cu63, Cu65.
По такой системе мы узнаем только общее число протонов и нейтронов. Химики не пользуются ею, ибо, помня атомный номер каждого элемента наизусть (или украдкой заглядывая в периодическую таблицу, когда никого из посторонних нет поблизости), они знают и число протонов в ядре. Вычитая атомный номер из массового числа, они получают число нейтронов.
Но для наших целей я собираюсь обозначать изотопы иначе – ясно указывая как число протонов, так и число нейтронов. Например, медь-29/34 и медь-29/36. Если мне захочется назвать сразу оба изотопа, то я напишу: медь-29/34,36. Думаю, что такая система вам придется по душе.
* * *
Приняв на вооружение все вышеизложенное, мы можем теперь присмотреться к изотопам более внимательно. Давайте, например, разделим их на три разновидности. Во-первых, есть радиоактивные изотопы, которые распадаются так быстро (не более нескольких миллионов лет), что все они существуют, появившись на свет сравнительно недавно, в результате какой-нибудь ядерной реакции – либо в природных условиях, либо в лаборатории. Назовем их нестабильными изотопами. Хотя их известно более тысячи, каждый из них существует в таких фантастически малых количествах (если они вообще существуют), что они дают о себе знать только физикам-ядерщикам, вооруженным специальными приборами.
Во-вторых, есть изотопы, которые радиоактивны, но распадаются так медленно (по меньшей мере сотни миллионов лет), что те, которые мы обнаруживаем сегодня, существовали и при образовании Земли. Каждый из них, несмотря на медленный распад, находится в природе в таких количествах, что их можно обнаружить даже допотопными химическими методами XIX века. Назовем их полустабильными изотопами.
И, наконец, есть изотопы, которые вообще нерадиоактивны или настолько слабо радиоактивны, что даже самые чувствительные приборы не могут этого обнаружить. Назовем их стабильными изотопами.
В этой главе речь пойдет только о полустабильных и стабильных изотопах.
* * *
Не менее 20 из 103 известных сегодня элементов обладают только нестабильными изотопами и потому существуют в природе в незначительном количестве. Перечислим их в таблице.
Элемент / Атомный номер
Технеций … 43
Прометий … 61
Полоний … 84
Астатин … 85
Радон … 86
Франций … 87
Радий … 88
Актиний … 89
Протактиний … 91
Нептуний … 93
Плутоний … 94
Америций … 95
Кюрий … 96
Берклий … 97
Калифорний … 98
Эйнштейний … 99
Фермий … 100
Менделеевий … 101
Нобелий … 102
Лоуренсий … 103
Заметьте, что все эти элементы, кроме двух, стоят в самом конце известного перечня элементов и имеют атомные номера от 84 до 103. Здесь не хватает только двух элементов, а именно элемента с атомным номером 90 (торий) и с номером 92 (уран); оба номера, как видите, четные. С другой стороны, в начале нашей таблицы приведены два элемента с нечетными атомными номерами – 43 (технеций) и 61 (прометий). Остальные 83 элемента обладают по крайней мере одним стабильным или полустабильным изотопом и поэтому встречаются на Земле в достаточном количестве. (Нет таких стабильных или полустабильных изотопов, которые бы не встречались в природе в достаточном количестве.) Некоторые из этих элементов обладают только одним таким изотопом, другие – двумя, тремя и даже большим числом.
Мне кажется весьма странным, что, хотя во всех учебниках химии, которые я когда-либо читал, всегда перечисляются элементы, ни в одном из них не дается систематизированного перечисления изотопов.
Например, я никогда не встречал полного перечня всех тех элементов, которые обладают только одним стабильным или полустабильным изотопом. Дабы заполнить этот пробел, привожу здесь такой перечень (звездочками здесь и в последующих таблицах помечены полустабильные изотопы).
Элемент / Протон/нейтрон
Бериллий … 4/5
Фтор … 9/10
Натрий … 11/12
Алюминий … 13/14
Фосфор … 15/16
Скандий … 21/24
Марганец … 25/30
Кобальт … 27/32
Мышьяк … 33/42
Иттрий … 39/50
Ниобий … 41/52
Родий … 45/58
Йод … 53/74
Цезий … 55/78
Празеодим … 59/82
Тербий … 65/94
Гольмий … 67/98
Тулий … 69/100
Золото … 79/118
Висмут … 83/126
Торий … 90/142*
Имеется 21 элемент с одним стабильным или полустабильным изотопом, и заметьте, что во всех случаях, кроме двух (бериллий и торий – первый и последний в списке), одиночные изотопы имеют нечетное число протонов в ядре и четное число нейтронов. Назовем их изотопами «нечет/чет».
Теперь давайте перечислим элементы, которые обладают двумя стабильными или полустабильными изотопами.
Элемент / Протон/нейтроны
Водород … 1/0, 1
Гелий … 2/1, 2
Литий … 3/3, 4
Бор … 5/5, 6
Углерод … 6/6, 7
Азот … 7/7, 8
Хлор … 17/18, 20
Ванадий … 23/27*, 28
Медь … 29/34, 36
Галлий … 31/38, 40
Бром … 35/44, 46
Рубидий … 37/48, 50*
Серебро … 47/60, 62
Индий … 49/64, 66*
Сурьма … 51/70, 72
Лантан … 57/61*, 62
Европий … 63/88, 90
Лютеций … 71/104, 105*
Тантал … 73/107*, 108
Рений … 75/110, 112*
Иридий … 77/114, 116
Таллий … 81/122, 124
Уран … 92/143*, 145*
Как видите, таких элементов 23, из них 20 обладают нечетным числом протонов.
Если вы взглянете на эти таблицы, то увидите, что из 52 известных элементов с нечетными атомными номерами 12 не обладают стабильными или полустабильными изотопами, 19 обладают только одним стабильным или полустабильным изотопом и 20 – только двумя. Всего получается 51 элемент.
Есть один-единственный элемент с нечетным атомным номером, который нами еще не упоминался; и если вы просмотрите список, то установите, что пропущенный элемент имеет атомный номер 19 – это калий. У него три стабильных или полустабильных изотопа. Привожу его данные отдельно, не занося в таблицу: калий-19, 20, 21*, 22. (Напоминаю: звездочка у числа нейтронов означает, что это полустабильный изотоп.)
На 10 000 атомов калия приходится всего лишь 1 атом полустабильного калия-19/21* (самого легкого из всех полустабильных изотопов), так что этот элемент едва ли имеет больше двух изотопов.
Пятьдесят два элемента с нечетными атомными номерами имеют 62 различных (перечисленных нами) стабильных и полустабильных изотопа. Из них 53 имеют четное число нейтронов, и поэтому существует всего 53 стабильных и полустабильных изотопа «нечет/чет». 53 изотопа можно разделить на 50 стабильных и 3 полустабильных (рубидий-37/50*, индий-49/66* и рений-75/112*).
Есть всего девять стабильных и полустабильных изотопов атомов с нечетным атомным номером, которые имеют также и нечетное число нейтронов. Вот полный список существующих стабильных или полустабильных изотопов «нечет/нечет»:
Элемент / Протон/нейтрон
Водород … 1/1
Литий … 3/3
Бор … 5/5
Азот … 7/7
Калий … 19/21*
Ванадий … 23/27*
Лантан … 57/61*
Лютеций … 71/105*
Тантал … 73/107*
Как видите, из этих девяти изотопов пять полустабильных. Это означает, что в мире существует только четыре полностью стабильных изотопа «нечет/нечет». Из них водорода-1/1 «нечет/нечет» в 10 000 раз меньше, чем водорода-1/0 «нечет/чет» (я буду считать 0 четным числом). Лития-3/3 «нечет/нечет» в 13 раз меньше лития-3/4 «нечет/чет» и бора-5/5 «нечет/нечет» в 4 раза меньше, чем бора-5/6 «нечет/чет». Итак, из четырех стабильных изотопов «нечет/чет» три составляют меньшинство в собственных элементах.
Остается азот-7/7, изотоп «нечет/нечет», который не только совершенно стабилен, но и составляет 99,635 процента всех атомов азота. В этом отношении он самый нечетный из всех «нечет/нечетов».
* * *
А что можно сказать об элементах с четным атомным номером?
Здесь положение обратное. Только восемь элементов с четным атомным номером не имеют стабильных или полустабильных изотопов, и все они располагаются за атомным номером 83, где не существует ни одного полностью стабильного изотопа и почти нет полустабильных изотопов. Более того, все три полустабильных изотопа, оказавшиеся в этой части таблицы, принадлежат к элементам с четным атомным номером.
Есть еще два элемента с четными атомными номерами, которые имеют лишь по одному стабильному или полустабильному изотопу, и три элемента, у которых только по два стабильных изотопа. Вы можете убедиться в этом, просмотрев приведенные выше таблицы.
Получается, что из 51 элемента с четными атомными номерами 39 обладают более чем двумя стабильными изотопами. Один из них, олово, имеет не менее десяти стабильных изотопов. Я не буду сводить эти элементы в подробные таблицы.
Вместо этого укажу, что существует две разновидности изотопов, имеющих отношение к элементам с четными атомными номерами. Есть изотопы с нечетным числом нейтронов («чет/нечет») и с четным числом («чет/чет»).
Сведения о стабильных и полустабильных изотопах приведены в следующей таблице:
Среди изотопов преобладает группа «чет/чет», составляющая 60 процентов. Если же для сравнения взять за основу массу, то преобладание этой группы становится еще значительнее.
Среди 43 элементов с четными атомными номерами, которые обладают стабильными и полустабильными изотопами, только у одного нет изотопа «чет/чет». Это бериллий, который имеет всего один стабильный или полустабильный изотоп, – бериллий-4/5, то есть «чет/нечет».
Среди 42 других изотопов изотопы «чет/нечет» неизменно составляют большинство атомов. Изотопом «чет/нечет», который наиболее распространен в пределах собственного элемента, является платина-78/117, составляющая 1/3 всех атомов платины. Там, где элемент с четным атомным номером имеет более одного изотопа «чет/нечет» (у олова их три), все вместе они иногда оказываются в еще лучшем положении. Рекорд ставят ксенон-54/75 и ксенон-54/77, которые вместе составляют почти 48 процентов всех атомов ксенона. Но ни в одном случае (за исключением, конечно, бериллия) содержание изотопов «чет/нечет» не превышает 50 процентов.
Более того, изотопы «чет/нечет» господствуют именно в наименее распространенных элементах. Платина и ксенон относятся к самым редким элементам со стабильными и полустабильными изотопами. А вот в самых распространенных элементах превалируют изотопы «чет/чет».
Это наглядно проявляется при рассмотрении процентного состава земной коры. Как-то я подсчитал, какие разновидности изотопов в нее входят, и вот результат:
«Чет/чет» … 85,63
«Нечет/чет» … 13,11
«Чет/нечет» … 1,25
«Нечет/нечет» … 0,01
Почти 87 процентов земной коры состоит из элементов с четными атомными номерами. А если взять весь земной шар, то этот процент еще увеличится. Из главы 14 вы узнаете, что шесть элементов составляют 98 процентов земного шара: это железо, кислород, магний, кремний, сера и никель. Каждый из них имеет четный атомный номер. Мне думается, что наш земной шар на 96 процентов «чет/чет».
Это, пожалуй, безобразие. Как давний энтузиаст научной фантастики и активный противник существующего порядка вещей, я всегда питал необъяснимую симпатию к «нечет/нечету» в той же мере, как и ко всему необычному.
