Изотопы

Изотопы (от изо... и греч. tópos — место), разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома (см. Атом). Место химического элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или, что то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А = Z + N называется массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный дипольный момент, электрический квадрупольный момент ядра и некоторые другие его свойства (см. Ядро атомное). Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также называются изотопами. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.

  Массовое число изотопов приводится сверху слева от химического символа элемента. Например, изотопы гелия обозначаются: 3He, 4He, 6He, 8He. Более развёрнутые обозначения: 12Не3, 22He4, 42Не6, 62He8, где нижний индекс указывает число протонов Z, верхний левый индекс — число нейтронов N, а верхний правый — массовое число. При обозначении изотопов без применения символа элемента массовое число А даётся после наименования элемента: гелий-3, гелий-4 и т. п.

  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 1/2, 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. Эта энергия выражается соотношением E = DMc2, где с — скорость света в вакууме, DМ — разность между суммарной массой всех входящих в ядро нуклонов в свободном состоянии и массой ядра, которая равна массе нейтрального атома без массы всех электронов.

  Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—07 выяснилось, 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, как было обнаружено позднее, все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди, стали называть изотопами.

  После того как изотопы были обнаружены у тяжёлых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. В 1913 английский физик Дж. Томсон обнаружил изотопы у неона. Разработанный им метод парабол позволял определить отношение массы иона к его заряду по отклонению в параллельно направленных электрическом и магнитном полях тонкого пучка положительных ионов, получаемых в высоковольтном электрическом разряде (см. Масс-спектрометры). Наряду с атомами 20Ne Томсон наблюдал небольшую примесь более тяжёлых атомов. Однако убедительных доказательств того, что вторая компонента более тяжёлых атомов является изотопом неона, получено не было. Лишь с помощью первого масс-спектрографа, построенного в 1919 английским физиком Ф. Астоном, были получены надёжные доказательства существования двух изотопов 20Ne и 22Ne, относительное содержание (распространённость) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп 21Ne с распространённостью 0,26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов. Примерно к 1940 изотопный анализ был осуществлен для всех существующих на Земле элементов. В результате этого были выявлены и идентифицированы практически все стабильные и долгоживущие радиоактивные изотопы природных элементов.

  В 1934 И. Кюри и Ф. Жолио получили искусственным путём радиоактивные изотопы азота (13N), кремния (28Si) и фосфора (30P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. В последующие годы с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных заряженных частиц было синтезировано большое число радиоактивных изотопов известных элементов, а также получено около 20 новых элементов. Известно 276 стабильных изотопов, принадлежащих 81 природному элементу, и около 1500 радиоактивных изотопов 105 природных и синтезированных элементов.

  Анализ соотношений между числами нейтронов и протонов для различных изотопов одного и того же элемента показывает, что ядра стабильных изотопов и радиоактивных изотопов, устойчивых по отношению к бета-распаду, содержат на каждый протон не менее одного нейтрона. Исключение из этого правила составляют лишь два нуклида1H и 3He. По мере перехода ко всё более тяжёлым ядрам отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре растет и достигает 1,6 для урана и трансурановых элементов.

  Элементы с нечётным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах чётное, и, следовательно, массовое число А — нечётное. Большинство элементов с чётным Z имеет несколько стабильных изотопов, из которых не более двух с нечётным А. Наибольшее число изотопов (10) имеет олово, 9 изотопов — у ксенона, 8 — у кадмия и теллура. Многие элементы имеют 7 изотопов.

  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 с превращением одного нейтрона в ядре в протон (см. Ядро атомное). Поэтому нейтронообогащённые изотопы всех элементов b -активны (см. Бета-распад). Наоборот, при обеднении нейтронами ядро получает возможность или захватить электрон из оболочки атома, или испустить позитрон. При этом один протон превращается в нейтрон и оптимальное соотношение между числом протонов и нейтронов в ядре восстанавливается. Нейтронообеднённые изотопы всех элементов испытывают или электронный захват или позитронный распад. У тяжёлых ядер наблюдаются также альфа-распад и самопроизвольное (спонтанное) деление ядер. Получение нейтроноизбыточных изотопов элементов возможно несколькими способами. Один из них — реакция захвата нейтронов ядрами стабильных изотопов. Другой — деление тяжёлых ядер под действием нейтронов или заряженных частиц, в результате которого из одного тяжёлого ядра с большим относительным содержанием нейтронов образуются два нейтронообогащённых ядра. Нейтронообогащённые изотопы лёгких элементов эффективно образуются в реакциях многонуклонного обмена при взаимодействии ускоренных тяжёлых ионов с веществом. Синтез нейтроно-дефицитных изотопов осуществляется в ядерных реакциях под действием ускоренных заряженных лёгких частиц или тяжёлых ионов.

  Все стабильные изотопы на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдалённые времена, и их распространённость 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. Однако небольшие колебания в относительной распространённости изотопов всё же наблюдаются для лёгких элементов, у которых различие в массах атомов изотопов относительно велико. Эти колебания обусловлены изменением изотопного состава элементов (фракционированием изотопов), происходящим в результате диффузии, изменения агрегатного состояния вещества, при некоторых химических реакциях и других процессах, непрерывно протекающих в атмосфере и земной коре (см. Изотопов разделение, Изотопные методы в геологии, Изотопный обмен). Изменение изотопного состава элементов, интенсивно мигрирующих в биосфере (Н, С, N, О, S), связано и с деятельностью живых организмов.

  Для нуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада, например для изотопов свинца, различное содержание изотопов в разных образцах обусловлено разным первоначальным содержанием их родоначальников (U или Th) и разным геологическим возрастом образцов (см. Геохронология, Масс-спектроскопия, Радиоактивность).

  Единство образования тел Солнечной системы позволяет думать, что изотопный состав элементов земных образцов характерен для всей Солнечной системы в целом (при наличии известных колебаний). Метеоры и глубокие слои земной коры показывают примерно одинаковое отношение 16O/18O. Астрофизические исследования обнаруживают отклонения изотопного состава элементов, составляющих звёздное вещество и межзвёздную среду, от земного. Например, для углеродных R-звёзд отношение 12C/13C изменяется от 4—5 до земного значения.

  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 в биологии, химии, медицине, а также в технике. Иногда примешивают стабильные изотопы, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами (см. Изотопные индикаторы).

  Важной проблемой является выделение отдельных изотопов из их природной или искусственно полученной смеси или обогащение этой смеси каким-либо изотопом.

 

  Лит.: Астон Ф. В., Масс-спектры и изотопы, пер. с англ., М., 1948; Кравцов В. А., Массы атомов и энергии связи ядер, М., 1965; Lederer С. М., Hollander J. М., Periman I., Table of isotopes, 6 ed., N. Y. — [a. o.], 1967.

  Н. И. Тарантин.


ПраймКемикалсГрупп