Величайшим завоеванием химии является установление того факта, что все бесчисленное количество веществ, имеющихся в природе или создаваемых искусственным путем, состоит из небольшого числа химических элементов. Под элементом понимается, как известно, тело, не разложимое химическим путем на более простые вещества; элементами являются, например, водород, кислород, железо, золото и т. д. Все вещества представляют собой либо элементы, либо химические соединения этих элементов, либо, наконец, смеси этих соединений. Всякое соединение может быть в результате нагревания, действия других веществ или каким-либо другим путем разложено на элементы. Последние, напротив, химически не разложимы и превращены друг в друга быть не могут; безуспешные попытки алхимиков получать золото из ртути и других веществ немало способствовали утверждению этого положения.

Изучение законов, по которым элементы соединяются друг с другом, привело в начале XIX в. Дальтона к возрождению и развитию атомной гипотезы, согласно которой все элементы состоят из одинаковых мельчайших частиц — атомов («атом» — по-гречески «неделимый»). При всех химических процессах атомы остаются неизменными; реакция соединения элементов состоит в образовании группы атомов — молекулы. Например, при реакции С + О = СО один атом углерода С и один атом кислорода О соединяется в молекулу окиси углерода СО.

Дальнейшее развитие неорганической химии привело к открытию большого числа новых элементов и вместе с тем к их классификации, завершившейся построением периодической таблицы Менделеева (табл. 1). Каждый элемент в этой таблице характеризуется своим порядковым номером и атомным весом, а его химические свойства определяются периодом, группой и рядом таблицы.

Никаких указаний на разложимость и в особенности взаимопревращаемость атомов вплоть до открытия радиоактивности в 1896 г. не было, и общепринятое мнение состояло в том, что атомы являются как бы первичными кирпичами материи. Правда, уже в 1815 г., вскоре после работ Дальтона, Проут высказал мысль, что атомы всех элементов образованы из атомов легчайшего из них — водорода. Если бы гипотеза Проута была верна и если бы, как думал Дальтон, все атомы каждого элемента были совершенно тождественны, то атомы всех элементов должны были бы быть в целое число раз тяжелее атома водорода. Иными словами, если бы атомный вес водорода мы приняли за единицу, то атомные веса, всех других элементов должны были бы выражаться целыми числами. Определение атомных весов приводит, однако, к заключению, что это не так. Например, если принять, как это обычно делается, атомный вес кислорода за 16, то атомный вес водорода оказывается равным 1,008, атомный вес железа 55,84, хлора 35,457, неона 20,183 и т. д. Таким образом, определение атомных весов говорит либо против гипотезы Проута, либо против предположения Дальтона о тождественности всех атомов простого вещества (элемента).

Открытие и изучение радиоактивности породили множество новых, революционных идей. В частности, было установлено, что могут существовать химически тождественные элементы с различными радиоактивными свойствами. Атомные веса этих элементов оказываются при этом различными. Отсюда уже естественно было предположить, что атомный вес есть среднее число, и одинаковые в химическом отношении атомы могут иметь различный вес. Эта мысль была высказана и развита в 1910 г. Содди, который, подводя итоги изучения законов, описывающих радиоактивные процессы, писал: «Эти закономерности могут быть приняты как начало некоторых обобщений, которые прольют свет не только на радиоактивные процессы, но также вообще на элементы и на периодический закон. Правда, очевидность химической тождественности не одинакова во всех случаях, однако полное тождество иония, тория и радиотория, радия и мезотория I, свинца и радия D * можно считать вполне доказанным... Факт, что элементы различных атомных весов могут обладать одинаковыми свойствами, может иметь особенно важное значение в области неактивных элементов, где отсутствие второй радиоактивной природы делает невозможным обнаружение подобной химической тождественности. Теперь химическая однородность уже не является гарантией того, что данный элемент не есть смесь нескольких элементов с различными атомными весами или что атомный вес не есть среднее число. Постоянство атомного веса, не зависящее от источника материала, не может служить полным доказательством его однородности, так как, подобно радиоактивным элементам, генетические зависимости могли привести к тому начальному постоянству соотношения между числами отдельных индивидуальных атомов, которого не мог нарушить никакой последующий естественный или искусственный химический процесс. Если это действительно имеет место, то отсутствие простых численных соотношений между атомными весами становится менее удивительным».

(* Ионий и радиоторий — изотопы (см. ниже) тория (Тh, см. табл. 1), получаемые при различных радиоактивных превращениях и отличающиеся от тория атомным весом. Мезоторий I — изотоп радия, радий D — изотоп свинца.)

   Однако в отношении большинства элементов, являющихся стабильными, радиоактивные методы не давали никаких сведений о строении атома, и предположение о существовании «изотопов», как были названы атомы данного химического элемента, обладающие различным весом *, оставалось гипотезой...

(* Слово «изотоп», означающее по-гречески «занимающий то же место», было предложено Содди; под «местом» понимается клетка в периодической системе элементов.)

   Существование изотопов было очень ярко и убедительно доказано Дж. Дж. Томсоном и Астоном, использовавшими отклонение каналовых лучей в электрическом и магнитном полях.

Читателям, вероятно, известно, что если к находящимся в запаянной стеклянной трубке двум металлическим пластинкам приложить достаточно высокое электрическое напряжение, то газ в трубке начинает светиться (рис. 1); для этого нужно только, чтобы давление в трубке было значительно ниже атмосферного, например, равнялось 1 мм ртутного столба, т. е. 1/760 атмосферного давления. Такие трубки, наполненные неоном, аргоном и другими газами, часто применяются для освещения витрин, реклам и т. д., причем неон светится красным светом, а аргон сине-фиолетовым. Изучение разряда в газе принесло много крупнейших открытий и в первую очередь привело к открытию электронов и рентгеновских лучей. Однако еще раньше (в 1886 г.) Гольдштейн обнаружил, что если в катоде разрядной трубки низкого давления, т. е. в ее электроде, соединенном с отрицательным полюсом, просверлить каналы, то при разряде газ начинает светиться и за катодом. Свечение это таково, как если бы через каналы проходили какие-то лучи; Гольдштейн назвал эти лучи к а н а л о в ы м и.

В разрядной трубке при прохождении тока нейтральные обычно атомы ионизируются — от них отрываются электроны, несущие отрицательный заряд. Электроны притягиваются к аноду (положительному электроду); ионы же, т. е. атомы, лишенные одного или нескольких электронов, заряжены положительно и поэтому устремляются к катоду. При наличии в последнем каналов эти ионы по инерции пролетают через них и вызывают свечение в закатодном пространстве. Таким образом, каналовые лучи представляют поток быстро летящих ионов. Скорость их, которая зависит от массы иона и от приложенного к трубке напряжения, может быть очень велика. Например, если напряжение равно 10 000 вольт, то ион водорода, называемый протоном, приобретает скорость около 1 000 километров в секунду.

Так как каналовые лучи состоят из заряженных частиц, то в электрическом и магнитном полях они будут отклоняться от своего пути. Чем больше заряд иона, тем сильнее будет отклонение при прочих равных условиях. Заряд иона не может быть, однако, каким угодно; он равен по величине и противоположен по знаку заряду оторванных от атома электронов. Заряд электрона опять-таки имеет вполне определенную величину: 1,6.10⁻¹⁹ кулона и ни от чего не зависит; этот заряд обозначают обычно буквой е. Из сказанного ясно, что ионы могут нести заряды е, 2 е, 3 е, и т. д., в соответствии с чем мы говорим об атоме, ионизированном однократно, двукратно и т. д. Ионы данного атома принято отмечать прибавлением к символу, обозначающему атом данного сорта, значков +; например, однократно и двукратно ионизированные атомы кислорода обозначаются через O⁺ и O⁺⁺ и т. п. То же относится к молекулярным ионам; например, O₂⁺ — это ион молекулы кислорода *.

(* Ион может быть также отрицательным, что имеет место, когда к атому или молекуле прилипает лишний электрон или несколько электронов. В этом случае над символом ставится знак −; например, O₂⁻ — отрицательный ион молекулы O₂.)

Отклонение каналового луча зависит, однако, не только от заряда ионов. Чем быстрее мы бросим камень параллельно земле, тем дальше он пролетит до падения на нее; точно так же, чем больше скорость иона, тем меньше он отклоняется полем, тем более длинный путь он может пройти, прежде чем отклонится от своего первоначального направления на какой-либо заданный угол.

Наконец, отклонение в заданном поле зависит и от третьей величины — массы иона. Чем больше масса, тем меньше будет отклонение. Ясно, что тяжелый, массивный шарик, который мы зарядили электричеством, отклонится при пролетании около заряженного предмета меньше, чем легкий шарик (рис. 2).

Из сказанного должно быть ясно, что произойдет в опыте, изображенном на рис. 3. Положим, что в электрическом поле между заряженными пластинками влетают ионы Н⁺, O⁺, O⁺⁺ и Cl⁺, причем все эти частицы имеют одинаковую скорость. Если на пути пучка быстро летящих ионов мы поместим фотографическую пластинку, то, проявив ее, мы увидим темное пятно в том месте, где о пластинку ударился пучок. Существуют также экраны, покрытые специальными веществами, которые начинают светиться при ударе о них пучка ионов. Так как ионы, отличающиеся массой или зарядом, отклоняются в электрическом поле по-разному, то, поместив такой экран (или фотопластинку) за нашим электрическим конденсатором — заряженными пластинами, — мы обнаружим на нем четыре пятна, соответствующие местам, где с экраном столкнулись пучки ионов Н⁺, O⁺, O⁺⁺ и Cl⁺. Если в этом опыте заменить электрическое поле магнитным (рис. 4), создаваемым электромагнитом, то на экране также будут наблюдаться четыре пятна, но уже в другом месте, так как магнитное поле отклоняет заряженные частицы в направлении, перпендикулярном их скорости и направлению поля *.

(* Поток ионов представляет собой одну из форм электрического тока, поэтому направление отклонения ионов магнитным полем такое же, как в случае отклонения в поле провода с током того же направления.)

Когда мы говорим в этих опытах о четырех пятнах на экране, то молчаливо предполагаем, что имеется только четыре сорта частиц. Но что было бы, если бы не все атомы водорода, кислорода или хлора были одинаковы? Что было бы, если бы существовали изотопы этих атомов? Тогда, очевидно, число пятен было бы больше, так как более тяжелые изотопы данного атома отклонялись бы меньше, а более легкие — больше.

Таким образом, гипотезу о существовании изотопов можно проверить экспериментально. Здесь есть, однако, большая трудность. Мы предполагали, что все рассматриваемые ионы имеют одинаковую скорость; если это не так, то никаких резких пятен не получится. В каналовом же пучке как раз скорости ионов различных сортов и даже разных ионов одного и того же сорта отнюдь не равны. Как же добиться все же столь заманчивого «взвешивания» ионов путем наблюдения их отклонения в поле? Можно ли решить эту задачу? Оказывается, можно и даже, как мы теперь знаем, многими способами. Первый же из этих способов, предложенный Дж. Дж. Томсоном, и привел в 1912 г. к открытию изотопов. Метод Томсона, называемый обычно «методом парабол», состоит в осуществлении опыта, схематически изображенного на рис. 5 и заключающегося в одновременном действии на пучок и электрического и магнитного полей. Рассмотрим, например, поведение в этом случае ионов О⁺, имеющих различную скорость. Если бы имелось лишь одно электрическое или одно магнитное поле, то вместо одного пятна наблюдалась бы целая полоска, параллельная оси z в случае электрического поля и оси y в случае магнитного поля. Разные точки этой полоски соответствуют ионам различной скорости. При наличии обоих полей, как оказывается, следы ионов, попадающих на экран, располагаются на определенных кривых линиях — параболах (рис. 6). Для каждого из ионов O⁺, O⁺⁺ и т. д. эти параболы различны, и, таким образом, несмотря на разброс в скоростях различных ионов, открывается возможность определить их массу. Точнее говоря, «методом парабол» непосредственно определяется не масса иона М, а отношение ne/M, где n — кратность иона и, следовательно, ne — его заряд. Каждая парабола соответствует определенному значению отношения ne/M, т. е. двукратный ион с массой 2M попадает на ту же параболу, что и однократный ион с массой M. Это обстоятельство, конечно, сразу же становится понятным, если учесть, что отклонение иона в поле пропорционально его полному заряду (т. е. ne) и обратно пропорционально его массе. Впрочем, возникающая таким образом неоднозначность в интерпретации парабол практически обычно не очень осложняет дело.

Летом 1912 г. в знаменитой Кавендишской лаборатории в Кембридже (Англия) был построен прибор для работы по «методу парабол», представлявший собой большой шаг вперед по сравнению с предыдущими. В этом приборе уже могли быть разделены друг от друга параболы, соответствующие массам, отличающимся друг от друга на 10%. Один из снимков, полученных с этим прибором, приведен для примера на рис. 7. Анализу были подвергнуты многие газы, но долгое время опыты не давали никаких указаний на существование изотопов. Лишь тогда, когда в разрядную трубку были введены легкие благородные газы, присутствующие в атмосфере (гелий, неон, аргон), усилия Томсона увенчались успехом. Для описания этих результатов приведем с сокращениями выдержку из доклада, сделанного Томсоном 17 января 1913 г.: «Я обращаюсь к фотографиям легких составляющих; здесь мы находим линии гелия, неона (очень резкую), аргона и, кроме того, имеем линию, соответствующую атомному весу 22, которая не может быть отождествлена с линией какого-либо известного газа. Так как атомный вес этой линии равен половине веса молекулы CO₂, то я сначала думал, что эта линия вызывается молекулами углекислоты с двойным электрическим зарядом; и действительно, на некоторых пластинках можно обнаружить тонкие линии, соответствующие атомному весу 44. Однако после медленного пропускания газа через трубки, погруженные в жидкий воздух, линия, соответствующая 44, исчезала вполне, в то время как яркость линии, соответствующей 22, не изменялась. Происхождение этой линии представляет интерес с разных точек зрения. Не известны газообразные соединения существующих элементов, которые имели бы этот молекулярный вес. Далее, если мы примем менделеевский периодический закон, то в нем нет места для нового элемента с таким атомным весом. Тот факт, что эта линия ярка в тех пробах газа, которые дают чрезвычайно яркую линию неона, и не видна, когда линия неона сравнительно слаба, наводит на мысль о существовании соединения неона с водородом NeH₂ ,* хотя до сих пор не найдено никаких прямых указаний на соединение этих газов. Возможно, однако, что мы толкуем закон Менделеева слишком жестко и что вблизи неона может существовать еще группа из двух или более элементов с подобными свойствами. По сравнительной интенсивности линии 22 и линии неона мы можем заключить, что количество газа, дающего линию 22, составляет лишь малую часть количества неона».

(* Напомним, что атомный вес неона равен 20,183 и молекулярный вес соединения NeH₂ был бы близок к 22.)

Любопытно, что даже такой крупный ученый, как Томсон, через три года после Содди все еще не говорит явно об изотопах, а предполагает, по-видимому, существование нового элемента. Последняя возможность, действительно, оставалась в принципе допустимой до развития Бором теории атома, приведшей к подлинному пониманию периодической таблицы Менделеева. Оказалось, что не атомный вес, а номер элемента в периодической таблице, так называемый атомный номер, является числом, характеризующим данный химический элемент. Только тогда стало абсолютно ясно, что новые элементы, т. е. химически простые вещества, должны помещаться в еще не занятых клетках периодической таблицы, в частности, например, за последним из известных элементов — ураном, занимающим 92-е место*.

(* В настоящее время в самой таблице пустых мест не осталось; остававшиеся долго неизвестными элементы № 85 и 87 в настоящее время обнаружены; точнее, заведомо установлено существование их радиоактивных изотопов. Недавно открыты неустойчивые (радиоактивные) элементы, стоящие за ураном (трансураны).)

   Вернемся, однако, к открытию изотопов. Если в описанном выше случае неона мы действительно имеем дело с изотопами, а не с соединением NeH₂, то это значит, что принимаемый в химии атомный вес неона, равный 20,183, является средним весом. Атомные веса обоих изотопов должны тогда отличаться от среднего веса, и если один из них имеет вес 22, то вес другого должен равняться 20 *. Мы принимаем здесь целочисленные значения для весов изотопов в согласии с гипотезой Проута. Целое число, к которому, как мы увидим ниже, действительно близок относительный вес изотопов, называется массовым числом изотопа. Мы приняли выше, что массовое число легкого изотопа неона, равно 20, а не 19 или 18, так как точность «метода парабол» в опытах Томсона была достаточна для установления этого обстоятельства. Напротив, этой точности не хватало для того, чтобы доказать, что вес легкого изотопа равен 20, а не 20,183. Последнее имело бы место, если бы парабола, соответствующая числу 22, принадлежала молекулам NeH₂. Только через много лет экспериментальная техника «метода парабол» была настолько усовершенствована, что он дал возможность отличить, например, веса 20 и 20,2 (рис. 8).  

(* В действительности, у неона имеется также третий изотоп с весом 21, но в столь малых количествах, что его существова­ние было окончательно доказано лишь в 1928 г.)

Задача, однако, была решена еще до этого другими, значительно более точными методами, которые разработали Астон в Англии и Демпстер в Америке. Мы ограничимся здесь приведением схемы прибора Астона, с которым было получено большинство принципиально важных результатов (рис. 9). Положительные ионы, образующиеся в пространстве А, проходят через щели S₁ и S₂ и попадают в пространство между пластинами конденсатора P₁ и P, где они отклоняются электрическим полем, а затем в магнитное поле M, перпендикулярное плоскости чертежа, т. е. перпендикулярное и скорости ионов и электрическому полю. Здесь они опять отклоняются, и при этом оказывается, что существует такое положение фотопластинки S, при котором частицы разной скорости, но с одинаковым отношением ne/M, собираются на пластинке в одну точку. Пути двух таких частиц приведены на рисунке пунктиром. Таким образом, основное преимущество прибора Астона состоит в фокусировке (собирании вместе) в одну точку всех частиц, которые давали параболу в методе Томсона. Это обстоятельство повышает интенсивность следов ионов на фотопластинке, а главное — дает возможность получения резких изображений щели S₂ на пластинке и позволяет значительно повысить точность измерения масс изотопов. Если отверстия S₁ и S₂ сделать не круглыми, а щелеобразными, причем щель расположить перпендикулярно плоскости чертежа, то следы ионов на пластинке будут иметь вид линий, также перпендикулярных плоскости чертежа. Соответствующий современный снимок приведен на рис. 10. Легко видеть, что на подобной фотографии можно очень точно измерить массы изотопов. По внешнему виду эти фотографии похожи на фотографии оптического спектра. Поэтому снимок следов изотопов называется спектром масс, а прибор Астона и другие, ему подобные, носят название масспектрографов.

С помощью прибора описанного типа, изображенного на рис. 11, Астон в 1919 г. произвел анализ многих элементов и получил ряд очень важных результатов. Прежде всего он показал, что масса основной линии в спектре масс неона соответствует числу 20, а не 20,2; второй линии соответствует число 22. Относительные интенсивности обеих линий относятся примерно как 10 к 1, как это и должно быть для того, чтобы средний (химический) атомный вес неона равнялся 20,2 *.

(* Другими словами, природный неон состоит на 90% из изотопа с массовым числом 20 и примерно на 10% из изотопа с числом 22. Атомный вес неона равен поэтому  (20 · 90 + 22 ·10)/100 = 20,2.)

Существование изотопов было, таким образом, доказано. Оно было проверено и подтверждено на других элементах, и в первую очередь на примере хлора. Атомный вес хлора равен 35,46, т. е. очень сильно отличается от целого числа. Это оказалось связанным с наличием у хлора двух изотопов в сравнимых количествах.

При символической записи принято отличать изотопы, указывая их массовое число справа над символом элемента. Атомный номер элемента обычно указывается также справа от его символа» но снизу. Например, изотопы неона (Ne) обозначаются так: Ne²⁰ и Ne²² или Ne₁₀²⁰ и Ne₁₀²² так как неон занимает 10-е место в табл. 1. Хлор, как оказалось, состоит из изотопов Сl₁₇³⁸ и Cl₁₇³⁷ причем процентное содержание этих изотопов равно соответственно 76 и 24%. Изотопы существуют у большинства элементов, однако часто все они, кроме основного, содержатся в очень малых количествах. Многие из этих изотопов поэтому были открыты лишь в результате дальнейшего развития масспектрографии.

Исключительно важную роль в деле открытия новых, относительно редких изотопов сыграл также созданный позже оптический метод обнаружения изотопов, основанный на том, что молекулярные и атомные оптические спектры различных изотопов данного элемента несколько отличаются друг от друга. По этому отличию и можно установить существование изотопов. Именно таким способом в 1932 г. было обнаружено существование тяжелого изотопа водорода с массовым числом 2, названного дейтерием и обозначаемого буквой D. Иначе его можно было бы обозначить так: Н₁². Ядро дейтерия получило название дейтона, или дейтрона. Так же были открыты изотопы кислорода (О¹⁸ и О¹⁷), углерода (С¹³), азота (N¹⁵) и др. Тяжелый водород содержится в обычном водороде в количестве около 1/6000 от количества легкого изотопа. Изотопы кислорода О¹⁷ и О¹⁸ составляют соответственно 0,04 и 0,2% от всей массы кислорода и т. д. Если сравнить эти цифры с 10% изотопа Ne²², то станет ясно, как далеко вперед шагнуло обнаружение и изучение изотопов.

Все эти исследования показали, что изотопия является не исключением, а правилом. Отступления атомного веса от целочисленности действительно объясняются наличием изотопов. Уже самого этого факта достаточно, чтобы родственность различных атомов стала очевидной; не может, ведь, случайно масса всех атомов быть кратной массе атома водорода. В чем же заключается эта связь? Не в том ли, как это думал Проут, что все атомы состоят из атомов водорода? К моменту открытия изотопов на этот вопрос можно было с уверенностью дать отрицательный ответ. Открытие радиоактивности не только разбило представление о неизменности атомов, но и дало в руки экспериментаторов мощное средство для изучения их строения путем облучения радиоактивным излучением. Работы Резерфорда, предпринятые в этом направлении, установили, что атом состоит из положительно заряженного ядра, находящегося в центре атома, и движущихся вокруг этого ядра электронов — мельчайших «атомов» отрицательного электричества. Так как атом в целом является нейтральным, то, очевидно, заряд ядра должен быть равен общему заряду всех электронов в оболочке атома, т. е. заряд ядра равен Z· е, где Z — число этих электронов, а е — заряд на каждом из них. Размер легких атомов примерно равен 10⁻⁸ см, размеры же ядра этих атомов равны примерно 10⁻¹³ см. При этом почти вся масса атома заключена в его ядре, так как масса электронов в 1840 раз меньше массы ядра атома водорода, т. е. протона. Химические свойства элемента определяются числом электронов в его оболочке, которое равно его атомному номеру. В этом и заключается физический смысл последнего. Масса атома, т. е. по существу масса его ядра, имеет в смысле химических свойств второстепенное значение. Поэтому химические свойства изотопов почти совершенно тождественны. Из сказанного ясно, что считать тяжелые атомы состоящими из атомов водорода, если понимать это буквально, никак нельзя. Напротив, вполне возможно считать, что ядра всех атомов имеют одинаковые составные части. Но опять-таки нельзя считать ядра просто состоящими из протонов. В этом случае, для того чтобы заряд ядра равнялся Z· е, число протонов должно было бы равняться атомному номеру атома Z, так как каждый протон несет заряд е. Но тогда атомный вес ядра и атома также равнялся бы атомному номеру, чего на самом деле нет (см. табл. 1). Правильный выход из этого затруднения был найден лишь после того, как в 1931 г. была открыта новая частица — нейтрон. Нейтрон — это незаряженная частица с массой такой же, как у протона; точнее, массовое число нейтрона, так же как и протона, равно 1. Интересно, что существование такой частицы, так же как и ее название, предполагалось Резерфордом еще в 1920 г. Атомные ядра, согласно общепринятой сейчас точке зрения, состоят из протонов и нейтронов; число последних для изотопа с атомным весом А равно N = А − Z, где Z — порядковый номер ядра. Различные изотопы, как ясно отсюда, обличаются друг от друга числом нейтронов. Например, ядро атома Ne₁₀²⁰ имеет 10 протонов и 10 нейтронов, а ядро атома Ne₁₀²² имеет также 10 протонов, но уже 12 нейтронов и т. п.

В установлении этой картины строения ядра, а также во всем развитии атомной и ядерной физики открытию и изучению изотопии принадлежит почетное место. Но это изучение привело, кроме того, к еще одному фундаментальному открытию. Говоря выше о массе изотопа, мы приводили лишь целое число, а именно массовое число изотопа. Но неужели, действительно, массы всех атомов строго целочисленны? Прежде чем ответить на этот вопрос, уточним, что здесь речь идет об относительной массе*, причем масса изотопа О¹⁶ принята за 16,00000 **. Какова же масса других атомов в этой условной шкале?

(* В граммах масса атома водорода равна 1,66 · 10⁻²⁴ грамма; масса электрона равна 9 · 10⁻²⁸ грамма; на всякий случай напомним, что 10⁻²⁴ это число, которое пишется так: 0 целых, запятая, 23 нуля и на 24-м месте единица.

** До открытия изотопов кислорода O¹⁷ и O¹⁸ за 16,00000 был принят атомный вес кислорода вообще, т. е. средний атомный вес. Чтобы не менять всех атомных весов, и сейчас за 16,0000 принимается вес кислорода, но зато пришлось начать различать атомный вес от относительной массы, 16 единиц которой составляет вес изотопа O¹⁶.)

   Ответ на этот вопрос содержится в табл. 2, где приведены массы изотопов нескольких легких элементов (данные на 1938 г.). Точность цифр, помещенных в этой таблице, составляет несколько единиц последнего или иногда предпоследнего знака. Отсюда видно, с какой огромной точностью определяются в настоящее время массы атомов. Табл. 2 с несомненностью показывает, что атомные веса не являются строго целыми числами. На первый взгляд кажется очень трудным примирить этот факт с обрисованной выше нейтронно-протонной теорией ядра, так как при этом мы должны были бы притти к выводу, что масса соединившихся нейтронов и протонов меньше суммы их масс в свободном состоянии. Например, ядро гелия Не₂¹, называемое также a-частицей состоит, очевидно, из двух протонов и двух нейтронов, масса которых в сумме равна 4,03220, в то время как масса атома гелия равна 4,00383 *. Полученный результат, однако, не только не противоречит протонно-нейтронной теории ядра, но представляет собой прекрасное подтверждение теории относительности Эйнштейна. Последняя расширила и изменила многие старые понятия и, в частности привела к выводу, что масса ядра может и даже должна не быть равной массе его составных частей в свободном состоянии. Так как ядро устойчиво, то ясно, что составляющие его частицы сцепляются друг с другом некоторыми силами взаимодействия. Для того чтобы разбить ядро, разложить его на составные части, нужно поэтому затратить известную работу. Другими словами, ядро обладает энергией связи, равной той работе, которая необходима для его разложения. Согласно теории относительности, энергия обладает массой, равной значению этой энергии, деленному на квадрат скорости света:

M = E/c²

(с = 300 000 км/сек.). Поэтому масса ядра должна равняться массе его составных частей минус энергия связи E, деленная на с². Величина Е/с² вычитается, так как энергия связи отрицательна, — для того, чтобы разложить ядро, нужно работу затратить. Из сказанного ясно, что, зная массу атома, мы можем также вычислить энергию связи ядра, характеризующую его устойчивость и строение вообще.

(* К этой сумме прибавлена также масса двух электронов атома гелия, так как массы во второй колонке табл. 2 относятся не к ядрам, а к атомам.)

Разность между массой атома (в относительных единицах) и массовым числом атома. принято называть дефектом массы. Из табл. 2 легко можно определить дефекты масс приведенных там атомов. Например, дефект массы для He₂¹ равен +0,00383, для Li₃⁶ +0,01686, для Ne₁₀²⁰ −0,00019 и т. д.

Естественные элементы, независимо от способов их получения, имеют практически одинаковый изотопический состав. Исключение составляют продукты радиоактивного распада. Так, свинец, получаемый из урановых минералов, состоит из чистого изотопа Pb₈₂²⁰⁶, тогда как свинец из ториевых минералов есть Pb₈₂²⁰⁸. Причина заключается в том, что Pb²⁰⁶ и Pb²⁰⁸ являются конечными, устойчивыми продуктами двух различных радиоактивных рядов — ряда урана (радия) и ряда тория.

С помощью обычных химических методов выделить отдельные изотопы из естественной смеси их не представляется возможным. Тем не менее, другими методами разделить изотопы или, по крайней мере, изменить их соотношение во многих случаях удается.

Самый непосредственный метод разделения изотопов заключается в следующем. В масспектрографе различные изотопы пространственное разделяются, так как, например, пучки ионов различных изотопов попадают на разные места фотопластинки. Поэтому, если поставить в соответствующие места приемники изотопов, то можно получить вполне чистое в изотопическом отношении вещество. Такой метод с успехом применялся, в особенности для разделения изотопов лития. Однако этот метод дает крайне низкий выход продукта. В наилучшем из достигнутых случаев в сутки получается около 2 — 3 мг чистого изотопа лития Li₃⁷. Впрочем, такого количества лития вполне достаточно для использования его в целом ряде случаев (ядерные реакции, спектральные исследования).

Существуют и другие способы разделения изотопов: перегонка, центрофугирование, термодиффузия и пр., на которых мы останавливаться не будем. Укажем лишь, что к водороду с успехом был применен электролитический способ разделения. Если большое количество обыкновенной воды подвергнуть электролизу, т. е. пропускать через нее электрический ток, то вследствие разложения воды количество ее будет уменьшаться. При этом оказывается, что в остатке содержится относительно много так называемой тяжелой воды, т. е. воды, в которой водород заменен дейтерием — тяжелым изотопом водорода*. Другими словами, молекулы тяжелой воды содержат один или два атома дейтерия вместо двух атомов обычного водорода у легкой воды**. Путем электролиза удается получать практически чистую тяжелую воду в относительно больших количествах в производственном масштабе.

(* В долго работавших щелочных аккумуляторах скапливается довольно много тяжелой воды, что часто используется_/ для дальнейшего получения чистой тяжелой воды.

** Формула легкой воды, как известно, есть H₂O. Тяжелая вода, называемая так в силу ее большого удельного веса, такова: HDO или D₂O; во втором случае оба атома Н заменены дейтерием.)

Масса дейтерия вдвое больше массы водорода: поэтому различие между изотопами в этом случае особенно резко. Тяжелая вода должна, таким образом, более заметно отличаться от легкой воды, чем какое-либо другое соединение различных изотопов более тяжелых элементов. И, действительно, многие физические, химические и даже биологические свойства тяжелой воды существенно отличаются от свойств обычной «легкой» воды. Например, тяжелая вода кипит при 101,5° С и замерзает при +3,8° С; помешенные в тяжелую воду некоторые растения и микроорганизмы погибают и т. д.

Последний вопрос, на котором мы хотим остановиться, состоит в намечающемся использовании масспектрографии для практических целей. В США был построен портативный переносный масспектрограф, пригодный, в частности, для быстрых (экспрессных) анализов. Прибор может применяться для анализа состава газов при нефтеперегонке, который весьма затруднительно сделать обычными химическими методами. Успешные работы в этом направлении ведутся и в СССР.

Масспектрограф может применяться и частично уже нашел применение для решения других задач химии и физической химии, например для исследования некоторых соединений, имеющихся в каналовом луче, и процессов, происходящих в нем. Вообще можно думать, что масспектрографический анализ завоюет в ближайшее время прочное место среди других методов физических, химических и биологических исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф. Астон, Изотопы, Госиздат, 1923.

2. Л. Мысовской, Новые идеи в физике атомного ядра. Изд. АН СССР, М., 1940.

3. Статьи И. Маттауха и А. Брадского в ж. «Успехи физических наук», т. 15, стр. 85 и 221, 1935; т. 20, стр. 153, 1938.