12. Изотопия

В 1816 г. английский врач Уильям Праут высказал предположение, что все вещества имеют общее материальное основание; Праут предполагал, что атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Но вскоре гипотеза эта была опровергнута: если бы это было так, атомные веса должны были бы быть целыми числами, однако, даже самые точные исследования этого не доказали. Только теперь электронная теория показала, что хотя все элементы и имеют общую основу, но это не атомы водорода, а элементарные частицы материи. Электронная теория ответила также на вопрос, почему атомные веса некоторых элементов числа целые, а других элементов не целые.

Уже объяснялось, что атомное ядро состоит из практически одинаковых частиц: протонов (с положительным зарядом) и нейтронов (без заряда). Число протонов, т. е. весь заряд ядра (он уравновешен отрицательным зарядом электронной оболочки и равняется числу электронов, вращающихся вокруг ядра), показывает так наз. атомное или порядковое число, которое можно определить экспериментальным путем (напр. рентгеновским спектром) и которое является основным свойством элемента. Следовательно, химические свойства элемента зависят от атомного числа; поэтому теперь элементы и распределяются по атомным числам (см. таблицу периодической системы элементов).

Было установлено, что элементы не состоят из одинаковых атомов, но что большинство элементов состоит из атомов разных видов, обладающих одинаковым атомным числом, но различным атомным весом. Это явление было названо изотопией, а элементы с одинаковыми атомными числами называются изотопами.^* Их существование объясняется тем, что разные изотопы одного элемента содержат в ядре одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

^*(От греческого - изос = одинаковый, топос = место.)

Напр. было определено, что хлор, атомный вес которого 35,457, является смесью двух изотопов ³⁵Сl и ³⁷Сl, атомные веса которых 35 и 37. Точным измерением было установлено, что хлор всегда содержит 75,4% ³⁵Сl и 26,6% ³⁷Сl. Значит, атомный вес хлора есть средняя величина атомных весов обоих изотопов. Так как атомное число хлора равно 17, то ядро ³⁵Сl содержит 17 протонов и 18 нейтронов; ядро же ³⁷Сl содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Как правило мы обозначаем изотопы так: к символу элемента приписываем вверху с левой стороны массу атома изотопа, а внизу его атомное число. Значит изотопы хлора обозначаем так: ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl.

Ввиду того, что число протонов (заряженных положительно) в ядре характеризует химические свойства элемента, - изотопы данного элемента имеют одинаковые химические свойства (одинаковое число протонов) и их невозможно химическим путем ни различить, ни отделить. Делить их можно только физическими методами (напр. диффузией, на основании хотя бы незначительной разницы их плотностей). Почти все элементы имеют два и более изотопов (напр. водород - два, кислород - три, калий - три, кальций - шесть, железо - четыре, ртуть - семь и т. д.). Только около 24 элементов являются "чистыми", монотипическими, (состоят только из одного вида атомов), как напр. Be, F, Na, Al, Р, Мn, Со, As, J, Au, Bi и т. д. Как видно из таблицы элементов, их атомные веса приближаются к целым числам.

Теперь удалось произвести и искусственный распад атомных ядер, напр. воздействием быстро летящих незначительных частиц материи, т. е. протонов или нейтронов, энергия которых повышается под действием электрического поля высокого напряжения (так наз. бомбардировка) или обстрел. Удалось получить искусственным путем некоторые элементы, даже такие, атомное число которых больше чем у урана (трансураны). Результаты этих ценных научных открытий, дающих новые возможности более глубокого изучения материи, были во время последней войны употреблены для изготовления разрушительной атомной бомбы.

В связи с новыми представлениями о строении материи неизбежно изменились и наши прежние воззрения на химические ее изменения. Необходимо различать два вида химических изменений:

а) химические реакции, связанные с изменением электронного слоя (обыкновенные химические реакции, в которых участвуют только электроны внешних слоев, а элементы остаются без изменений),

б) химические реакции, связанные с изменением атомного ядра, или так наз. превращение элементов. Различают превращение естественное, т. е. непрерывный распад радиоактивных элементов, напр. распад радия, который можно выразить следующим уравнением:

или искусственное, напр. переход одного элемента в другой. Напр. азот под действием быстро летящих частиц (обстрела) превращается в кислород и водород согласно уравнению:

В последнее время было установлено, что под действием быстро летящих нейтронов из обыкновенных элементов можно получать сильно радиоактивные элементы, которые имеют большое значение в исследовательской деятельности (напр. радиофосфор в медицине для наблюдения за жизненными процессами или радиокобальт в технике при испытании материала).