Изотопы

Для обозначения изотопов пользуются обычными символами соответствующих элементов, добавляют к ним слева вверху индекс, указывающий относительную атомную массу, то есть общее число протонов и нейтронов, и нижний индекс, соответствующий зарядовому числу. Из всех известных изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Дейтерий и тритий обозначаются соответственно D и T. Свойства этих изотопов заметно отличаются. В обычном водороде количество дейтерия составляет около 0, 017%. Тритий получают искусственно при ядерных реакциях.

В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные — радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером меньшим или равным 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Подавляющее большинство искусственных радиоизотопов имеют малые периоды полураспада, измеряемые долями секунды или секундами. Хотя известны также и изотопы с большими периодами полураспада, например, период полураспада ²³⁶U — 2, 4^.10⁷ лет, ⁹²Nb — 3, 3^.10⁷ лет, ²⁶Al — 7, 4^.10⁵ лет. Радиоактивными, хотя и в очень слабой степени, оказались и некоторые стабильные изотопы: ⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ¹¹⁵In, ¹⁸⁷Re. Продолжительность их жизни столь велика, что их можно считать стабильными.

У четных (по Z) элементов число стабильных изотопов может достигать 10, например, у олова имеется 10 изотопов, 9 изотопов — у ксенона, 8 — у кадмия и теллура, 4 — у железа, 7 изотопов у ртути. Элементы с нечетным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах четное, и, следовательно, массовое число А — нечетное. Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Такие широкие вариации в числе стабильных изотопов у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия связи ядра и его устойчивость по отношению к различным типам распада меняются. При добавлении нейтронов ядро становится неустойчивым по отношению к испусканию электрона.

Установлено, что в природе каждый элемент существует в виде смеси изотопов. Именно этим обстоятельством объясняется дробное значение атомных масс элементов. Так, природный хлор на 75, 53% состоит из изотопа ³⁵Cl и на 24, 47% из изотопа ³⁷Cl; в результате средняя относительная атомная масса хлора равна 35^. 0, 7553 + 37^. 0, 2447 = 35, 453.

Благодаря существованию изотопов становится понятно также, почему в некоторых случаях у элементов с большим порядковым номером атомная масса меньше, чем у элементов с меньшим порядковым номером. Например, в случае аргона Аr и калия К, теллура Те и йода J. Йод состоит из одного изотопа — йода 127 — J, у теллура 6 изотопов, из них преобладают наиболее тяжелые (около 66%) — теллур 128 и теллур 130. Поэтому и относительная атомная масса у теллура больше, чем у йода. Элемент калий состоит из более легких, а элемент аргон из более тяжелых изотопов. Среди изотопов встречаются устойчивые и неустойчивые (радиоактивные). Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Содержание отдельных изотопов в их естественной смеси может незначительно колебаться.

Таким образом, для изотопов характерно следующее: 1) Место в периодической системе элементов изотопов определяется их порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или числу протонов, содержащихся в атомном ядре. 2) Изотопы имеют одинаковый атомный номер Z. 3) Изотопы данного химического элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов (N). Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определенных пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2 или 4 нейтрона. 4) Изотопы имеют различные массовые числа А= Z + N. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Массы атомов М, выраженные в атомных единицах массы, лишь немного отличаются от целых чисел. Поэтому разность М - А всегда правильная дробь, по абсолютной величине меньше Ѕ, и таким образом массовое число А есть ближайшее к массе атома М целое число. Знание массы атома определяет полную энергию E связи всех нуклонов в ядре.

По своим ядерным свойствам — спектр энергетических уровней, способность вступать в те или иные ядерные реакции — изотопы, как правило, сильно различаются. Химические свойства данного элемента совершенно одинаковы, поскольку идентично строение их электронных оболочек. Поэтому разделение изотопов — чрезвычайно сложная задача (см. Изотопов разделение). Для ее решения было предложено и развито несколько сложных и дорогостоящих методов, основанных на зависимости скорости диффузии, траектории движения в магнитном поле и некоторых других свойств от массы ядра.

Все стабильные изотопы на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдаленные времена, и их распространенность зависит от свойств ядер и от первоначальных условий, в которых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается значительным изменениям в химических и физических процессах, протекающих на Земле.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Возможность примешивать к природным химическим элементам их радиоактивные изотопы позволяет следить за различными химическими и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью детекторов радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое применение. Иногда примешивают стабильные изотопы, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами (см. Изотопные индикаторы).

Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906-10 гг. при изучении свойств радиоактивных превращений атомов тяжелых элементов. В 1906-07 гг. было обнаружено, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того: все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. По предложению английского ученого Ф. Содди, такие вещества стали называть изотопами.

После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона и Ф. Астона. Томсон в 1913 г. обнаружил стабильные изотопы у неона. Астон, проводивший исследования с помощью сконструированного им прибора, названного масс-спектрографом (или масс-спектрометром), используя метод масс-спектрометрии, доказал, что и многие другие стабильные химические элементы имеют изотопы. В 1919 г. он получил доказательства существования двух изотопов ²⁰Ne и ²²Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп ²¹Ne с распространенностью 0, 26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов.

Масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан А.Дж. Демпстером. В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей была составлена почти полная таблица изотопных составов. В 1932 г. был открыт нейтрон — частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода — протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное определение понятия изотопов: изотопы — это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Примерно к 1940 г. изотопный анализ был проведен для всех известных к тому времени химических элементов.

При изучении радиоактивности было открыто около 40 природных радиоактивных веществ. Они были объединены в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана. К природным относятся все стабильные разновидности атомов (их около 280) и все естественно радиоактивные, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Все остальные изотопы получены в результате ядерных реакций.

Впервые в 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри получили искусственным путем радиоактивные изотоп азота (¹³N), кремния (²⁸Si) и фосфора (³⁰P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. Среди известных в настоящее время искусственных радиоизотопов более 150 принадлежат трансурановым элементам, не встречающимся на Земле. Теоретически допускается, что число разновидностей изотопов, способных к существованию, может достигать порядка 6000.