Изотопы

Изотопы (далее И) (от изо... и греч. tópos - место), разновидности одного элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов но отличающиеся массами свойства т. е. принадлежность к тому или иному элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке (см. Атом). Место элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке или, что то же самое, числу протонов, содержащихся в ядре. Кроме протонов, в ядро входят нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов в ядре с данным Z может быть различным, но в определенных пределах. Например, в ядре (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов в ядре (называется общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего Это число А = Z + называется массовым числом От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, дипольный момент, электрический квадрупольный момент ядра и некоторые другие его свойства (см. Ядро атомное). Таким образом, с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов обладают идентичными свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности также называются И Для обозначения любых разновидностей независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.   Массовое число И приводится сверху слева от символа элемента. Например, И обозначаются: 3, 4, 6, 8. Более развернутые обозначения: 12Не3, 224, 42Не6, 628, где нижний индекс указывает число протонов Z, верхний левый индекс - число нейтронов , а верхний правый - массовое число. При обозначении И без применения символа элемента массовое число А дается после наименования элемента: и т. п.   Массы 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 М целое число. Знание массы 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 без массы всех электронов.   Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений тяжелых элементов. В 1906-07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же свойства, что и однако отличаются от последнего массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того, как было обнаружено позднее, все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по свойствам, но различные по массе и некоторым физическим свойствам, по предложению английского ученого Ф. Содди, стали называть И   После того как И были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски И у стабильных элементов. В 1913 английский физик Дж. Томсон обнаружил И у Разработанный им метод парабол позволял определить отношение массы иона к его заряду по отклонению в параллельно направленных электрическом и полях тонкого пучка положительных ионов, получаемых в высоковольтном электрическом разряде (см. Масс-спектрометры). Наряду с 20 Томсон наблюдал небольшую примесь более тяжелых Однако убедительных доказательств того, что вторая компонента более тяжелых является И получено не было. Лишь с помощью первого масс-спектрографа, построенного в 1919 английским физиком Ф. Астоном, были получены надежные доказательства существования двух И 20 и 22, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп 21 с распространенностью 0,26%, И 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 И природных элементов.   В 1934 И и Ф. Жолио получили искусственным путем радиоактивные И (13), (28) и (30), 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 И известных элементов, а также получено около 20 новых элементов. Известно 276 стабильных И, принадлежащих 81 природному элементу, и около 1500 радиоактивных И 105 природных и синтезированных элементов.   Анализ соотношений между числами нейтронов и протонов для различных И одного и того же элемента показывает, что ядра стабильных И и радиоактивных И, устойчивых по отношению к бета-распаду, содержат на каждый протон не менее одного нейтрона. Исключение из этого правила составляют лишь два нуклида - 1 и 3. По мере перехода ко все более тяжелым ядрам отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре растет и достигает 1,6 для и трансурановых элементов.   Элементы с нечетным Z имеют не более двух стабильных И Как правило, число нейтронов в таких ядрах четное, и, следовательно, массовое число А - нечетное. Большинство элементов с четным Z имеет несколько стабильных И, из которых не более двух с нечетным А. Наибольшее число И (10) имеет 9 И - у 8 - у и Многие элементы имеют 7 И   Такие широкие вариации в числе стабильных И у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов 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 нейтронообогащенные И всех элементов b- -активны (см. Бета-распад). Наоборот, при обеднении нейтронами ядро получает возможность или захватить электрон из оболочки или испустить позитрон. При этом один протон превращается в нейтрон и оптимальное соотношение между числом протонов и нейтронов в ядре восстанавливается. Нейтронообедненные И всех элементов испытывают или электронный захват или позитронный распад. У тяжелых ядер наблюдаются также альфа-распад и самопроизвольное (спонтанное) деление ядер. Получение нейтроноизбыточных И элементов возможно несколькими способами. Один из них - реакция захвата нейтронов ядрами стабильных И Другой - деление тяжелых ядер под действием нейтронов или заряженных частиц, в результате которого из одного тяжелого ядра с большим относительным содержанием нейтронов образуются два нейтронообогащенных ядра. Нейтронообогащенные И легких элементов эффективно образуются в реакциях многонуклонного обмена при взаимодействии ускоренных тяжелых ионов с веществом. Синтез нейтроно-дефицитных И осуществляется в ядерных реакциях под действием ускоренных заряженных легких частиц или тяжелых ионов.   Все стабильные И 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 и физических процессах, протекающих на Земле. Однако небольшие колебания в относительной распространенности И все же наблюдаются для легких элементов, у которых различие в массах И относительно велико. Эти колебания обусловлены изменением изотопного состава элементов (фракционированием И), происходящим в результате диффузии, изменения агрегатного состояния вещества, при некоторых 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, , О, ), связано и с деятельностью живых организмов.   Для нуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада, например для И различное содержание И в разных образцах обусловлено разным первоначальным содержанием их родоначальников ( или ) 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 16/18. Астрофизические исследования обнаруживают отклонения изотопного состава элементов, составляющих звездное вещество и межзвездную среду, от земного. Например, для R-звезд отношение 12/13 изменяется от 4-5 до земного значения.   Возможность примешивать к природным элементам их радиоактивные И позволяет следить за различными и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое применение в биологии, химии, медицине, а также в технике. Иногда примешивают стабильные И, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами (см. Изотопные индикаторы).   Важной проблемой является выделение отдельных И из их природной или искусственно полученной смеси или обогащение этой смеси каким-либо И   Лит.: Астон Ф. В., Масс-спектры и изотопы, пер. с англ., М., 1948; Кравцов В. А., Массы и энергии связи ядер, М., 1965; Lederer С. М., Hollander J. М., Periman ., Table of isotopes, 6 ed., . . - (a. o.), 1967.   Н. И Тарантин.