Изотопы в природе

Лекция 3

В 1911–1914 гг. Э. Резерфорд разработал ядерно-электронную модель атома. Н. Бор предсказал, а А. Ван Ден Брук и Г. Мозли доказали, что порядковый номер химического элемента ХЭ в периодической системе численно равен заряду ядра его атома. В результате стало очевидным: ряд химических элементов, выстроенных в порядке возрастания их атомных весов, почти идеально (за исключением «аномалий») совпал с последовательностью элементов, отвечающей монотонному увеличению Z. Оказалось, что ядро атома можно представить как сумму дискретных единиц: протонов и нейтронов А=p+n. Протон имеет положительный заряд, нейтрон не имеет его. Следовательно порядковый номер атома в периодической системе ХЭ равен количеству протонов. Масса протонов и нейтронов одинакова, поэтому А назвали массовым числом ядра атома.

Основная заслуга в открытии стабильных изотопов принадлежит английскому физику Ф. Астону. В 1919 г. он установил, что инертный газ неон (атомный вес – 20,2) является смесью двух изотопов с атомными весами 20 и 22. Это значит, что при одинаковом числе протонов, число нейтронов на оболочках ядра атома может изменятся. Ученый проводил исследования на протяжении полутора десятилетий и обнаружил 210 стабильных изотопов большинства элементов.

В последующем, ядра атомов химических элементов разного заряда и количества нейтронов стали называть нуклидами (Т. Коман 1947 г.), и термин «нуклид» получил широкое распространение.

Установлено, что изменение числа нейтронов на оболочке атома количественно ограничено. Известно, что если разделить массовые числа А нуклидов на 4, то получается 4 типа атомов: а) тип 4q (массовое число делится без остатка), б) тип 4q+1, в) тип 4q+2, г) тип 4q+3 [Сауков]. Исходя из того, что на оболочках ядра могут находиться 0, 1, 2, 3 нейтрона. Например, дейтерий, имеющий на оболочке ядра p + 2n.

Химические элементы, как правило, представляют собой смесь изотопов, т. е. атомов с одинаковыми порядковыми номерами (зарядами), но разными массовыми числами. Наибольшее число изотопов (10) имеет олово (Z=50); у ксенона (Z=54) 9 изотопов, кадмий (Z=48) и теллур (Z=52) имеют по 8 изотопов; другие элементы имеют меньшее число изотопов. Есть элементы, у которых только один стабильный изотоп (22), и они считаются простыми. Сюда относятся F, Na, P, V, Мn, Аu и др. Технеций (Z=41) и прометий (Z=61) вообще не имеют стабильных изотопов. Совокупность изотопов элемента с определенным значением Z (если их больше одного) называют «плеядой». Распространенность отдельных изотопов в «плеяде» различна. Искусственно созданные изотопы быстро распадаются, поэтому эти химические элементы в природе отсутствуют. Нуклиды, имеющие Z < 32 называют легкими, остальные тяжелыми.

В мире атомных ядер обнаружилось одно удивительное явление – четные и нечетные ядра по количеству протонов и нейтронов различаются распространенностью и устойчивостью. Проф. Г. Оддо (1914) заметил, что химические элементы, принадлежащие к четным атомным числам, содержащие ядра гелия, т. е. элементы, атомная масса которых может быть разделена на 4, сильно преобладают в земной коре. Они образуют 86,5% ее общей массы. Большинство изотопов (173) имеют четные А, причем почти все из них содержат в ядрах атомов четные количества Z и N. Изотопов с нечетными Азаметно меньше (109). У элементов с четными Z не бывает больше двух изотопов c нечетными А (исключение – Аr с Z = 18 и Се с Z = 58, все их изотопы имеют четные А).

Позже аналогичные исследования были предприняты и углублены проф. В. Гаркинсом из Чикаго. Публикации вышли за период с 1917 по 1921г.г. Гаркинс доказал, что то же самое наблюдается и в метеоритах, где процентный перевес элементов с четными числами еще значительнее (табл. 1). Он доходит до 92,22% для металлических метеоритов и 97,69% для каменистых метеоритов. Метеориты — небесные тела, независимые от земли. В них наблюдается то же огромное преобладание элементов с четным зарядом ядер. Сейчас доказано, что это правило выполняется во всей видимой Вселенной. Как следствие этих исследований сформулировано правило Одда-Гаркинса: вещество по составу изотопов на Земле и космосе сходно и там и тут четные ХЭ преобладают над нечетными. В соответствии с этим правилом соотношение изотопов выдерживается очень строго и это указывает на способ образования элемента (тип реактора). Например, соотношение изотопов урана 238 и 235 равно 137,8. Это соотношение соблюдается и на Земле и на Луне и в минералах метеоритов, падающих на Землю.

Таблица 1 – Количество и распространенность естественных изотопов с четными и нечетными числами протонов и нейтронов в ядрах атомов и количество изотопов с массовыми числами кратными (q) четырем

Всего в настоящее время насчитывается 284 устойчивых изотопов, причем для каждого натурального числа от 1 до 209 известен стабильный атом.

Правило Маттауха или правило изобаров. Изобары – вещества, имеющие равное значение числа А, но разный заряд ядра атома. Это правило одно из наиболее фундаментальных законов мироздания аналогично закону всемирного тяготения. Правило позволяет предсказать стабильность изотопа или нестабильность. Если химические элементы являются изобарами и различаются зарядом (Z) на 1, а один из них устойчивый, то другой будет непременно склонен к распаду. Маттаух сформулировал принципы, позволяющие классифицировать изотопы в некоторой периодической системе.

Например, в паре изобаров ⁴⁰Ar и ⁴⁰К последний радиоактивен. Это правило дает возможность внести определенную ясность в некоторые особенности «изотопной статистики». Почему у элементов с Z = 43 и 61 нет стабильных изотопов? В принципе они могли бы иметь один или два устойчивых вида атомов. Однако соседние с технецием и прометием элементы (молибден и рутений, неодим и самарий соответственно) представлены в природе большим числом изотопов в широком диапазоне А. Согласно правилу изобаров, вероятные значения А для Z = 43 и 61 оказываются «запрещенными». Когда изотопы технеция и прометия были синтезированы, то выяснилось, что большинство из них характеризуются невысокой продолжительностью жизни.

Изобарные пары с изотопами соседних элементов (например, ⁸⁷Pb с ⁸⁷Sr, ¹¹⁵In c ¹¹⁵Sn и т. д.), но они радиоактивны в очень малой степени. Посредством различных ядерных реакций было синтезировано более 1600 искусственных изотопов в интервале Z от 1 до 112 (причем для некоторых элементов более 20). Из них стабильных изотопов всего 284.

Для «легких» представителей периодической системы при четных Z преобладают изотопы с меньшими значениями А. У последующих элементов, напротив, природа отдает предпочтение изотопам с большими значениями А. Из двух изотопов с нечетными Z более распространенным является тот, у которого А меньше. Отличие «легких» от «тяжелых» в том, что большинство стабильных легких не может иметь на оболочке ядра 3 нейтрона, а для тяжелых наоборот – это норма.

Исключительно важна проблема распространения изотопов. Решение ее стало возможным лишь в последние годы после изобретения масс-спектрометров – приборов, которые позволяют, в частности, определять соотношение изотопов. В настоящее время метод изотопных исследований получил широкое распространение, и стало возможным говорить о возникновении и развитии новой отрасли науки — геохимии изотопов. Изучение изотопного состава различных элементов показало, что он для многих элементов независимо от их происхождения в природе обладает постоянством.

Важно отметить, что был установлен один и тот же изотопный состав (в пределах достигнутой точности метода) как для элементов земного происхождения, так и для элементов метеоритов, в том числе для никеля, кремния, серы, железа, молибдена, вольфрама, олова и др. Так, для железа относительная распространенность изотопов сильно различается (табл. 2).

Таблица 2 – Относительная распространенность (%) стабильных изотопы железа

В целом же картина такова. У элементов от водорода до никеля (Z = 28) наблюдается резко повышенная распространенность какого-то одного изотопа. При больших значениях Z, хотя содержание изотопов в «плеяде» различается (иногда довольно существенно), фактор абсолютного «лидерства» уже не проявляется.

Поиск по сайту: