18 лютого виповнюється 113 років відтоді, як англійський фізик Фредерік Содді запропонував слово «ізотоп» для позначення атомів одного й того самого елемента, що мають різну масу. Зараз цей термін став символом радіофобії. Однак насправді не знати про їхнє існування було б набагато гірше.
Атоми
Слово «ізотоп» в перекладі з грецької означає «в тому ж місці» і це місце — одна й та сама клітинка періодичної таблиці хімічних елементів. Незвичне у цьому визначенні те, що атоми різних ізотопів мають різну атомну масу.
Останнє може сильно здивувати тих, кому в школі довелося заучувати ті маси з підручника, але насправді більш уважні пам’ятають, що в табличці вони були вказані з точністю до десятих і до сотих. Але ж це були середні значення, від суми мас усіх атомів певного елемента в одиниці об’єму.
На цьому місці дуже хочеться запитати, хто усе це придумав. Коротка відповідь — британський фізик Фредерік Содді рівно 113 років тому. Але насправді все трохи складніше і для пояснення треба почати розповідь трохи раніше.
З давніх-давен існувала теорія, що усе, що є в цьому світі складається з найдрібніших неділимих частинок — атомів. Власне, грецьке слово «атом» і означає «неділимий». Що собою являють атоми, скільки їх загалом є і як у скінченну кількість їх різновидів умістити все різноманіття матеріалів і хімічних перетворень навколо нас, залишалося для вчених таємницею. Наприклад, ось у цій статті можна прочитати, як атоми пов’язані із чотирма стихіями та правильними багатокутниками.
Однак вже на межі XVIII-XIX століть завдяки працям Антуана Лавуазьє та Джона Дальтона запанувала атомно-молекулярна теорія, згідно з якою лише кілька десятків різновидів атомів можуть об’єднуватися у найрізноманітніші молекули та кристалічні решітки, а вже ті визначають фізичні та хімічні властивості речовин.
У другій половині XIX століття було створено періодичну таблицю, яка поєднала масу та заряд атомів із кількістю електронів і деякими хімічними властивостями. На перший погляд, було побудовано вичерпну модель перетворення речовини.
Атомний розпад
І все було чудово, поки у 1896 році Анрі Беккериль не вирішив поекспериментувати з солями урану, які демонстрували ознаки люмінесценції. Досліди показали, з них виходить щось, що за своєю здатністю засвічувати фотопапір нагадує щойно відкриті рентгенівські промені.
Проблема була лише в тому, що рентгенівські промені народжувалися у лампі особливої конструкції, коли на неї подається висока напруга. А те, що бачив Беккериль з’являлося просто зі шматка каменю.
На перший погляд, це відкриття ніякого відношення до атомної теорії не мало. Проте ним зацікавилися П’єр та Марія Кюрі. Минуло кілька років і вони повідомили світу про відкриття нового явища радіоактивності, яке спостерігається не тільки в усіх з’єднань урану, а також для торію і відкритих ними радію та полонію.
З’явилося питання, звідки береться уся ця енергія, і у дослідженнях Кюрі була абсолютно несподівана відповідь на нього, уран перетворюється на торій, а торій — в радій. Було зрозуміло, що при цьому атомна маса елементу якимось чином зменшується і саме звідти береться енергія для випромінювання. При цьому ані уявлення про еквівалентність маси та енергії, ані про те, що всередині атома взагалі щось може знаходитися в перші роки ХХ століття ще не існувало.
Для фізиків великим шоком було вже те, що атом несподівано виявився зовсім не неділимим. Одна за одною почали з’являтися різноманітні моделі його будови, дуже швидко наближаючись до того, що ми знаємо зараз.
Ізотопи
Станом на початок 1913 року фізики вже склали уявлення про ядро атома, навколо якого обертається хмара електронів, яка і визначає більшість хімічних властивостей. Але при радіоактивному розпаді щось відбувалося всередині самого автономного ядра і це щось кидало виклик з такими зусиллями побудованій картині влаштування речовини з кінцевої кількості добре систематизованих елементів.
Бо, наприклад, в результаті розпаду торія-232 утворювалося щось, що отримало назву «мезоторій», що мало атомну вагу 228 а.о.м. Але вивчення його хімічних властивостей, показало, що він спочатку поводився так, як радій, а потім — як зовсім інший елемент — актиній. При цьому в результаті інших реакцій розпаду могли утворюватися інші варіанти цих елементів, які мали інші маси, але при цьому поводилися точно як різні варіанти мезоторію.
Постало питання про те, як не заплутатися в усіх цих варіантах ядер, що існують в районі 85-92 номерів періодичної таблиці. Думав над цим і англійський фізик Фредерік Содді, який був учнем самого засновника теорії про будову атома Ернеста Резерфорда. Він і сам багато експериментував із радіоактивними матеріалами й на власному досвіді переконався, наскільки там все непросто.
На початку 1913 року він переписувався зі своєю знайомою, шотландською лікаркою Маргарет Тодд. Вони обговорювали проблему з атомними ядрами і саме Тодд запропонувала термін ізотоп, який допомагав розібратися з плутаниною. Елементів у періодичній таблиці лишалося стільки, скільки й мало було, тільки кожен з них міг мати різні ізотопи.
Закони розпаду
Озброївшись цим знанням Содді у тому ж таки 1913 році сформулював закони атомного розпаду: при альфа-розпаді номер елементу зменшується на два, а маса — на чотири, при бета-розпаді — номер збільшується на один, а маса лишається незмінною.
Цікаво, що одночасно із Содді у Німеччині до тих самих висновків дійшов фізик польсько-єврейського походження Казимір Фаянс. Багато що у законах радіоактивності дійсно було очевидним. Содді у 1921 році за дослідження ізотопів і законів радіоактивності отримав Нобелівську премію. Однак остаточно уся головоломка, яка стоїть за сформульованими ним законами склалася тільки у 1932 році, коли було відкрито нейтрон.
Ядро атома складається з важких частинок двох видів: нейтронів і протонів. Маса кожного з них дорівнює одній атомній одиниці маси. Різниця в тому, що протон — заряджена частинка, а нейтрон — нейтральна.
При цьому будь-який нейтральний атом — це ядро плюс електронна оболонка. Звідси висновок, що найпростіший атом — це один протон, навколо якого обертається електрон (згідно з сучасною теорією він навіть не обертається, а існує у вигляді певної області, у межах якої він із певною вірогідністю може бути зафіксований як щось, що має заряд і масу, але для простоти можна вважати, що він поводить себе як планета).
Якщо додати до протона нейтрон, утвориться важкий ізотоп водню — дейтерій, але на кількість електронів, які можуть його оточувати це ніяк не вплине. І навіть другий нейтрон, який доведе масу до трьох ніяк не вплине на той факт, що це так само буде водень, хоча називатися він буде тритієм.
Але якщо до тритію додати ще один протон, то він отримає ще одну орбіталь для електронів і стане гелієм із порядковим номером 2. Який, своєю чергою в разі втрати одного нейтрона просто перетвориться на власний легший електрон.
Так додаючи протони та нейтрони можна створювати все нові й нові атоми. Аж доти, доки маса не сягне 200 атомних одиниць. Ось тут атоми стають нестабільними та починають діяти закони Содді та Фаянса. Якщо з ядра виривається два нейтрони і два протони (альфа-частинка, вона ж — ядро гелію-4) відбувається альфа-розпад. Якщо з нейтрона виривається електрон й він перетворюється на протон — бета-розпад. До всього цього треба додати, що розпадатися за цими законами можуть навіть легкі атоми, якщо їм допомогти потужними джерелами випромінювання.
Чи страшні ізотопи
З усього вищенаписаного можна зробити висновок, що ізотопи — це щось, обов’язково пов’язане із радіацією, а значить — небезпечне. Однак це не зовсім так. Дійсно, більшість ізотопів нестабільні. Але це лише означає, що вони мають певний період напіврозпаду — час, за який половина атомів у певному об’ємі перетворюється на щось інше.
А він може складати тисячі й мільйони років. І зазвичай чим він більше, тим нижче рівень радіації. Саме тому більшість ізотопів із великим періодом напіврозпаду не становлять великої загрози для здоров’я людини.
При цьому люди часто забувають, що навіть стабільні різновиди атомів також є їхніми ізотопами. Тобто в самому цьому слові немає нічого страшного. Взяти для прикладу вуглець. Головний елемент для життя на Землі. У нього насправді аж два стабільних ізотопи: вуглець-12, 1/12 маси якого і є еталоном одної атомної одиниці маси та вуглець-13, який становить лише 1,07% усього вуглецю в природі.
Однак у вуглецю існує ще 13 нестабільних ізотопів від вуглецю-8 до вуглецю-21. Але в усіх них крім одного період напіврозпаду не перевищує кількох хвилин. Тобто вони дуже радіоактивні, але існувати довго просто не можуть. Тож за межами лабораторії їх зустріти неможливо.
Зате вуглець-14 — справжній подарунок для вчених. Його період напіврозпаду складає 5700 років. Він радіоактивний, але не дуже сильно. Важливо інше — він добре зберігається в органічних рештках і розпадається рівно настільки швидко, наскільки треба для того, аби використовувати його для датування подій, що сталися від 2 до 200 тис. років тому. Тобто вони розповідають нам про нашу власну історію.
У інших елементів також є чимало ізотопів із тривалими періодами напіврозпаду. Вчені уважно вивчають хімічні реакції, в процесі яких якась частка атомів речовини втрачає чи набуває нейтрони. В цьому випадку знайшовши десь відповідні ізотопи можна дізнатися про те, що відбувалося дуже давно і дуже далеко звідси.
«Острів стабільності»
З ізотопами також пов’язана одна цікава загадка. В міру того, як порядкові номери елементів у періодичній таблиці збільшуються, зростає й середня кількість нейтронів, які припадають на один протон у різних їх елементах.
Зрештою це призводить до того, що після урану елементи не тільки не мають стабільних ізотопів, але й періоди напіврозпаду нестабільних стають все коротшими. Наприклад, найстабільніший ізотоп плутонію має період напіврозпаду 80,8 млн років, у наступного за ним америцію — 7370 років.
Далі — ще кілька елементів, найстабільніші ізотопи яких мають період напіврозпаду у кілька сотень чи тисяч років, але вже в ейнштейнія, елемента номер 99 найстабільніший ізотоп має період напіврозпаду лише у 20 днів, а далі ця величина падає до секунд і мікросекунд.
Проте вчені вважають, що десь далі може існувати так званий «острів стабільності» — зона, де періоди напіврозпаду почнуть збільшуватися. Теоретично це може статися через те, що існує така річ, як магічні числа: певна кількість електронів, яка відповідає повністю заповненій орбіталі й в районі 114 елемента мала скластися саме така ситуація. І у флеровія періоди напіврозпаду дійсно вищі, ніж в елементів перед ним. Однак все одно вони вимірюються ліченими секундами. Однак вчені не зупиняються і продовжують шукати нові ізотопи, мріючи знайти справжній «острів стабільності».
