18 февраля исполняется 113 лет с тех пор, как английский физик Фредерик Содди предложил слово «изотоп» для обозначения атомов одного и того же элемента, имеющих разную массу. Сейчас этот термин стал символом радиофобии. Однако на самом деле не знать об их существовании было бы гораздо хуже.
Атомы
Слово «изотоп» в переводе с греческого означает «в том же месте» и это место — одна и та же ячейка периодической таблицы химических элементов. Необычно в этом определении то, что атомы разных изотопов имеют разную атомную массу.
Последнее может сильно удивить тех, кому в школе пришлось заучивать те массы из учебника, но на самом деле более внимательные помнят, что на самом деле они были указаны в табличке с точностью до десятых и до сотых. На самом деле это были средние значения от суммы масс всех атомов определенного элемента в единице объема.
На этом месте очень хочется спросить, кто это все придумал. Краткий ответ — британский физик Фредерик Содди ровно 113 лет назад. Но на самом деле все немного сложнее и для объяснения следует начать рассказ немного раньше.
Издавна существовала теория, что все, что есть в этом мире состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов. По сути, греческое слово «атом» и означает «неделимый». Что собой представляют атомы, сколько их в целом и как в конечном количестве их разновидностей вместить все обилие материалов и химических превращений вокруг нас оставалось для ученых тайной. Например, вот в этой статье можно прочесть, как атомы связаны с четырьмя стихиями и правильными многоугольниками.
Однако уже на рубеже XVIII-XIX веков благодаря трудам Антуана Лавуазье и Джона Дальтона воцарилась атомно-молекулярная теория, согласно которой лишь несколько десятков разновидностей атомов могут объединяться в самые разные молекулы и кристаллические решетки, а те определяют физические и химические свойства веществ.
Во второй половине XIX века была создана периодическая таблица, соединившая массу и заряд атомов с количеством электронов и некоторыми химическими свойствами. На первый взгляд, была построена исчерпывающая модель превращения вещества.
Атомный распад
И все было здорово, пока в 1896 году Анри Беккериль не решил поэкспериментировать с солями урана, демонстрировавшими признаки люминесценции. Опыты показали, что из них выходит что-то, что по своей способности засвечивать фотобумагу напоминает только что открытые рентгеновские лучи.
Проблема была лишь в том, что рентгеновские лучи рождались в лампе особой конструкции, когда на нее подаётся высокое напряжение. А то, что видел Беккериль, появлялось прямо из куска камня.
На первый взгляд, это открытие никакого отношения к атомной теории не имело. Однако им заинтересовались Пьер и Мария Кюри. Прошло несколько лет и они сообщили миру об открытии нового явления радиоактивности, которое наблюдается не только у всех соединений урана, а также для тория и открытых ими радия и полония.
Появился вопрос, откуда берется вся эта энергия, и в исследованиях Кюри был совершенно неожиданный ответ на него, уран превращается в торий, а торий в радий. Было понятно, что при этом атомная масса элемента каким-то образом уменьшается и оттуда берется энергия для излучения. При этом ни представления об эквивалентности массы и энергии, ни о том, что внутри атома вообще что-либо может находиться в первые годы ХХ века еще не существовало.
Для физиков большим шоком было уже то, что атом неожиданно оказался отнюдь не неделимым. Одна за другой стали появляться разные модели его строения, очень быстро приближаясь к тому, что мы знаем сейчас.
Изотопы
По состоянию на начало 1913 года физики уже составили представление о ядре атома, вокруг которого вращается облако электронов, которое и определяет большинство химических свойств. Но при радиоактивном распаде что-то происходило внутри самого автономного ядра и это бросало вызов с такими усилиями построенной картине устройства вещества из конечного количества хорошо систематизированных элементов.
Ибо, например, в результате распада тория-232 образовывалось нечто, получившее название «мезоторий», имевшее атомный вес 228 а.е.м. Но изучение его химических свойств показало, что он сначала ведет себя так, как радий, а потом как совсем другой элемент — актиний. При этом в результате других реакций распада могли образовываться другие варианты этих элементов, которые имели другие массы, но при этом вели себя точно как разные варианты мезотория.
Встал вопрос о том, как не запутаться во всех этих вариантах ядер, существующих в районе 85-92 номеров периодической таблицы. Думал над этим и английский физик Фредерик Содди, являвшийся учеником самого основателя теории о строении атома Эрнеста Резерфорда. Он и сам много экспериментировал с радиоактивными материалами и по собственному опыту убедился, насколько там все непросто.
В начале 1913 года он переписывался со своим знакомым, шотландским врачом Маргарет Тодд. Они обсуждали проблему с атомными ядрами и именно Тодд предложила термин изотоп, помогавший разобраться с путаницей. Элементов в периодической таблице оставалось столько, сколько и мало было, только каждый из них мог иметь разные изотопы.
Законы распада
Вооружившись этим знанием, Содди в том же 1913 году сформулировал законы атомного распада: при альфа-распаде номер элемента уменьшается на два, а масса — на четыре, при бета-распаде — номер увеличивается на один, а масса остается неизменной.
Интересно, что одновременно с Содди в Германии к тем же выводам пришел физик польско-еврейского происхождения Казимир Фаянс. Многое в законах радиоактивности действительно было очевидным. Содди в 1921 году за исследование изотопов и законов радиоактивности получил Нобелевскую премию. Однако окончательно вся головоломка, стоящая за сформулированными им законами, сложилась только в 1932 году, когда был открыт нейтрон.
Ядро атома состоит из тяжелых частиц двух видов: нейтронов и протонов. Масса каждого из них равна одной атомной единице массы. Разница в том, что протон — заряженная частица, а нейтрон — нейтральная.
При этом любой нейтральный атом — это ядро плюс электронная оболочка. Отсюда вывод, что самый простой атом — это один протон, вокруг которого вращается электрон (согласно современной теории он даже не вращается, а существует в виде определенной области, в пределах которой он с определенной вероятностью может быть зафиксирован как нечто имеющее заряд и массу, но для простоты можно считать, что он ведет себя как планета).
Если добавить к протону нейтрон, образуется тяжелый изотоп водорода — дейтерий, но на количество электронов, которые могут его окружать, это никак не повлияет. И даже второй нейтрон, который доведет массу до трех, никак не повлияет на тот факт, что это так же будет водород, хотя называться он будет тритием.
Но если к тритию добавить еще один протон, то он получит еще одну орбиталь для электронов и станет гелием с порядковым номером 2. Который в свою очередь в случае потери одного нейтрона просто превратится в собственный более легкий электрон.
Так добавляя протоны и нейтроны, можно создавать все новые и новые атомы. До тех пор, пока масса не достигнет 200 атомных единиц. Здесь атомы становятся нестабильными и начинают действовать законы Содди и Фаянса. Если из ядра вырывается два нейтрона и два протона (альфа-частица, она же — ядро гелия-4) происходит альфа-распад. Если из нейтрона вырывается электрон и он преобразуется в протон — бета-распад. Ко всему этому следует добавить, что распадаться по этим законам могут даже легкие атомы, если им помочь мощными источниками излучения.
Страшны ли изотопы
Из всего вышенаписанного можно заключить, что изотопы — это что-то, обязательно связанное с радиацией, а значит — опасное. Однако это не совсем так. Действительно, большинство изотопов нестабильны. Но это лишь означает, что у них есть период полураспада — время, за которое половина атомов в определенном объеме превращается в нечто другое.
А он может составлять тысячи и миллионы лет. И обычно чем он больше, тем ниже уровень радиации. Именно поэтому большинство изотопов с большим периодом полураспада не представляют большой угрозы здоровью человека.
При этом люди часто забывают, что даже стабильные разновидности атомов тоже являются их изотопами. То есть в самом этом слове нет ничего ужасного. Взять для примера углерод. Главный элемент жизни на Земле. У него на самом деле два стабильных изотопа: углерод-12, 1/12 массы которого и является эталоном одной атомной единицы массы и углерод-13, который составляет лишь 1,07% всего углерода в природе.
Однако у углерода существует еще 13 нестабильных изотопов от углерода-8 до углерода-21. Но у всех них кроме одного периода полураспада не превышает нескольких минут. То есть, они очень радиоактивны, но существовать долго просто не могут. Так что за пределами лаборатории их встретить невозможно.
Зато углерод-14 — настоящий подарок для ученых. Его период полураспада составляет 5700 лет. Он радиоактивен, но не очень сильно. Важно другое — он хорошо хранится в органических остатках и распадается ровно настолько быстро, насколько нужно для того, чтобы использовать его для датировки событий, произошедших от 2 до 200 тыс. лет назад. То есть они рассказывают нам о нашей собственной истории.
У других элементов также немало изотопов с длительными периодами полураспада. Ученые внимательно изучают химические реакции, в процессе которых какая-то доля атомов вещества теряет или приобретает нейтроны. В этом случае найдя где-нибудь подходящие изотопы можно узнать о том, что происходило очень давно и очень далеко отсюда.
«Остров стабильности»
С изотопами также связана одна любопытная загадка. По мере того как порядковые номера элементов в периодической таблице увеличиваются, растет и среднее количество нейтронов, приходящихся на один протон в разных их элементах.
В конце концов, это приводит к тому, что после урана элементы не только не имеют стабильных изотопов, но и периоды полураспада нестабильных становятся все короче. К примеру, самый стабильный изотоп плутония имеет период полураспада в 80,8 млн лет, у следующего за ним америцию — 7370 лет.
Далее — еще несколько элементов, наиболее стабильные изотопы которых имеют период полураспада в несколько сотен или тысяч лет, но уже в эйнштейнии, элемента номер 99 самый стабильный изотоп имеет период полураспада всего в 20 дней, а далее эта величина падает до секунд и микросекунд.
Однако ученые считают, что дальше может существовать так называемый «остров стабильности» — зона, где периоды полураспада начнут увеличиваться. Теоретически это может произойти из-за того, что существует такая вещь, как магические числа: определенное количество электронов, соответствующее полностью заполненной орбитали, и в районе 114 элемента должна сложиться именно такая ситуация. И во флеровые периоды полураспада действительно выше, чем у элементов перед ним. Однако все равно они измеряются считанными секундами. Однако ученые не останавливаются и продолжают искать новые изотопы, мечтая обрести настоящий «остров стабильности».
