Изотопы и изобары

Согласно протонно-нейтронной теории ядер, изотопами называют разновидности атомов с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов в ядрах; изобарами - разновидности атомов с различным числом протонов и нейтронов, но одинаковым числом нуклонов. (Такие атомы следовало бы, по предложению С. А. Щукарева, называть изонуклонами, так как при одинаковом массовом числе истинные массы двух изобаров не равны друг другу.)

В 1906 г. были открыты первые радиоактивные изотопы ²³⁰₉₀Тh и ²³²₉₀Тh, в 1919 г. удалось экспериментально доказать наличие устойчивых изотопов у неона - ²⁰₁₀Ne и ²²₁₀Ne. С каждым годом число открытых изотопов возрастало: в 1921 г. их было известно уже 243, а в настоящее время - свыше 1500 (из которых только 272 являются устойчивыми или стабильными изотопами).

В соответствии с числом протонов, входящих в состав ядра, все элементы можно разделить на четные и нечетные по Z (Z_чет и Z_нечет). Так как в состав ядер входят также нейтроны, а число их равно или больше числа протонов, т. е. оно может быть также четным или нечетным, то, следовательно, и массовые числа А( = Z + N) могут принимать четные и нечетные значения. Отсюда следует, что возможны четыре варианта ядер атомов:

Так возникло представление о четных типах ядер. Оказалось, что наиболее устойчивыми являются ядра с Z4eT и особенно те, для которых Z_чет и А_чет - это так называемые четно-четные ядра (с четным Z и четным N). Менее прочными являются ядра с A_нечет. Это четно-нечетные ядра (с четным Z и нечетным N) и нечетно-четные (с нечетным Z и четным N). Наименьшей прочностью обладают нечетно-нечетные ядра (с нечетным Z и нечетным N). Известно всего 4 устойчивых нечетно-нечетных ядра: ²₁Н, ⁶₃Li, ¹⁰₅B и ¹⁴₇N.

Из 42 нечетных по Z элементов (до 83-го включительно) два не имеют устойчивых изотопов (₄₃Тс, ₆₁Pm), четырнадцать имеют по два устойчивых изотопа, а все остальные - только по одному устойчивому изотопу, причем все устойчивые изотопы характеризуются нечетным массовым числом, кроме четырех изотопов: ²Н, ⁶Li, ¹⁰B и ¹⁴N. Таким образом, нечетные Z элементы являются в основном моноизотопными, состоящими из одного устойчивого изотопа.

Для 41 четного по Z элемента (до 82) известно 213 устойчивых изотопа, причем только один элемент моноизотопен (⁹Ве), а все остальные - полиизотопны и имеют от 2 до 10 изотопов (например, у ₅₀Sn десять устойчивых изотопов с А = 112 ÷ 124). Элементы с четным А имеют 162 устойчивых изотопа, с нечетным - 51.

Устойчивость изотопов определяется отношением квадрата порядкового номера к массовому числу Z²/A. Если (Z²/A) > 33, то у элемента нет ни одного устойчивого изотопа. Таковыми являются элементы с Z = 84 ÷ 105; у них все изотопы радиоактивны. Последний элемент, для которого еще известен устойчивый изотоп, - это элемент с Z = 83, т. е. висмут - ²⁰⁹₈₃Вi.

Для каждого отдельного элемента существует оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов  
при котором возможно существование устойчивых изотопов: за пределами этого отношения при избытке протонов и недостатке нейтронов известны β⁺-радиоактивные изотопы, а при избытке нейтронов и недостатке протонов - β^--радиоактивные изотопы. Например, для кислорода известны семь изотопов:

Природный кислород представляет собой смесь - плеяду из трех устойчивых изотопов: ¹⁶₈O (99,759%), ¹⁷₈O (0,037%) и ¹⁸₈O (0,204%), в которой больше всего легкого изотопа, содержащего в ядре равное число нейтронов и протонов: Σn / Σр = 8:8 = 1. Это отношение является характерным для наиболее устойчивых изотопов всех четных по Z элементов до ⁴⁰₂₀Са включительно. В ядрах изотопов последующих элементов с Z = 21 ÷ 83 в связи с возрастающим числом протонов электростатические силы отталкивания между ними увеличиваются, и ядра стабилизируются за счет "вхождения" большего числа нейтронов. Отношение Σn / Σр постепенно растет, доходя у ²⁰⁹₈₃Вi до 1,518.

Из диаграммы устойчивости ядер всех изотопов (рис. 18), составленной в координатах Z - N, видно, что легкие ядра до ⁴⁰₂₀Са группируются вдоль прямой линии N = Z, отвечающей отношению Σn / Σр = 1. Для последующих ядер это отношение возрастает вследствие увеличения числа нейтронов, но остается меньше 2 (прямая N = 2Z). В вертикальном направлении расположены изотопы элементов: черными кружками обозначены - устойчивые, белыми кружками - β^-- и β⁺³ радиоактивные.

Рис. 18. Диаграмма устойчивости ядер изотопов элементов в координатах Z - N

Изотопы нередко являются изобарами различных элементов. Известны группы, состоящие из двух или трех изобаров, например:

В настоящее время насчитывается 59 пар и 6 триад изобаров. В этих группах устойчивых изобаров порядковые номера отличаются на две единицы. Если встречаются изобары двух соседних элементов, отличающихся по порядковому номеру на единицу, то один из изобаров должен быть радиоактивным. Например, изотоп ⁹⁹₄₄Ru - устойчив, а его изобар ⁹⁹₄₃Тс - радиоактивен (у технеция нет устойчивых изотопов).