Изотопы

Продукты радиоактивного распада, как оказалось, в большинстве случаев сами были радиоактивными. Многочисленные найденные продукты распада по своим химическим свойствам должны были расположиться в десяти последних клетках таблицы Менделеева. При этом в каждую клетку попадали атомы разных (как тогда казалось) веществ с различными атомными массами. Их назвали изотопами (занимающими одно и то же место). После разработки точных методов масс-спектроскогши удалось установить, что атомы каждой группы изотопов имеют одинаковый положительный заряд Z (и одинаковое число электронов в оболочке), но-различные массовые числа А (ближайшее к атомной массе А_r целое число А называют массовым числом). При этом атомные массы изотопов А_r весьма близки к целым числам. Их принято выражать в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы атома углерода с атомной массой 12,000.

В единицах СИ

1 а. е. м. = 1,667 x 10^-27 кг,

а соответствующая ей собственная полная энергия

W=931 МэВ.

Для ядра атома водорода (Z= 1) получается:

A_r = 1,0081, A = 1, W = 938 МэВ.

Напомним, что для электрона эти величины соответственно равны:

A_r = 5,5 x 10-⁴, A = 0, W =0,511 МэВ.

Естественные элементы являются смесью изотопов, поэтому их атомные массы далеко не целочисленны. Изотопы существуют практически у всех элементов. Так как различия в атомных массах изотопов данного элемента невелики, а электронные оболочки их одинаков, то химически изотопы тождественны, а физически весьма близки друг другу.

Так, у неона (Z= 10) с атомной массой А_r=20,2 имеется два изотопа (A₁=20 и А₂=22); у многих других элементов число изотопов больше.

По общепринятой символике около обозначения элемента слева внизу указывается его атомный номер Z (т. е. заряд ядра), а слева вверху — массовое число А.

Водород, ядро которого , как известно, называется протоном, имеет два изотопа: дейтерий и тритий.

Дейтерий с ядром, называющимся дейтроном (), устойчив, встречается в природе в небольших количествах, входя в состав тяжелой воды (₅0), резко отличной по своим физическим свойствам от обычной воды (jH₂0). Иногда его обозначают символом .

Тритий с ядром, называемым тритоном (), неустойчив, в природе не обнаружен; он получается при некоторых искусственных превращениях атомов. Соединения трития также отличаются по физическим свойствам от соединений водорода.

При малых массовых числах хорошо выполняется равенство:

А = 2Z.

При росте Z коэффициент пропорциональности увеличивается, достигая у урана значения 2,6.

Как известно, естественная система химических элементов заканчивалась ураном (). Искусственным путем были созданы элементы с атомными номерами вплоть до Z=105. Все они (см. § 16.2) оказались неустойчивыми. Что касается массовых чисел, то при A>210 все ядра нестабильны; наибольшее полученное массовое число A=262. Смысл массовых чисел выяснился только в середине тридцатых годов, после открытия нейтрона (см. § 15.5).

Систематика естественных элементов конца периодической таблицы и их изотопов позволила установить существование трех «радиоактивных семейств» со следующими родоначальниками и конечными продуктами распадов: