Вид с высоты

Азимов Айзек

Обработка результатов рентгеновского анализа показала, что атомный номер элемента сообразуется с общей для каждого элемента закономерностью, то есть все его атомы имеют одинаковое число протонов в ядре, а следовательно, и одинаковое число электронов в наружных слоях. В период с 20-го по 30-й годы было доказано, что химические свойства элемента зависят от числа электронов в атоме и, следовательно, все атомы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами. На первых порах такое объяснение удовлетворяло всех.

Что касается атомного веса, дело обстояло не так просто. С самого начала возникновения теории атомного ядра было известно, что, кроме протонов, в ядре

должны быть какие-то другие частицы. Например, ядро атома водорода легче ядер атомов всех прочих элементов, и оно несет положительный заряд, равный 1. Поэтому было естественно предположить, что ядро атома водорода состоит из одного-единственного протона. Атомный вес водорода принято было считать равным единице еще задолго до того, как решился вопрос о строении атома, и это оказалось вполне обоснованным.

С другой стороны, атомный вес гелия считался равным 4, так как было известно, что его ядро в 4 раза массивнее ядра атома водорода. Невольно напрашивался вывод, что в ядре гелия должно быть четыре протона. Однако его атомный номер, определяемый положительным зарядом ядра, был равен всего двум, а это в свою очередь наталкивало на мысль, что в ядре должно быть всего два протона.

С этими двумя различными, но вполне закономерными выводами что-то надо было делать. Единственной другой субатомной частицей, известной в первые десятилетия нашего века, был электрон. Если предположить, что в ядре атома гелия имеется четыре протона и два электрона, то его атомный вес оказывается равным четырем, потому что вес электронов ничтожен по сравнению с весом ядра. Атомный номер тогда был бы равен двум, так как положительный заряд двух протонов оказался бы компенсированным отрицательным зарядом двух электронов.

Однако даже при таком представлении о ядре концы с концами все равно не сходились. Например, получалось так, будто в ядре атома гелия шесть отдельных частиц — четыре протона и два электрона, а это противоречило другим уже известным из опытов фактам. Физики почесывали затылки и уныло перешептывались.

И вот в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и в конце концов оказалось, что с теорией все в порядке. Нейтрон равен (вернее, почти равен) по своей массе протону, но заряда не имеет. Теперь можно было считать, что в ядре атома гелия два протона и два нейтрона. Положительный заряд и, следовательно, атомный номер равен двум, а атомный вес — четырем. Все четыре частицы ядра атома гелия оказались на своем месте, и теперь концы с концами сходились.

А как же влияет на химические свойства элементов присутствие нейтронов в ядре атома? Никак или по крайней мере незаметно.

Возьмем для примера атом меди. Он имеет атомный номер 29, и поэтому у каждого атома меди есть 29 протонов в ядре и 29 электронов, вращающихся вокруг ядра. Но атомный вес меди равен (приблизительно) 63, и поэтому ядро меди должно содержать, кроме 29 протонов, еще и 34 нейтрона. У нейтронов нет электрического заряда, который надо было бы нейтрализовать. 29 электронов уравновешивают 29 протонов; что касается нейтронов, то в этом плане их можно сбросить со счетов.

Теперь предположим интереса ради, что атом меди обладает ядром, в котором 29 протонов и 36 нейтронов, то есть на два нейтрона больше, чем предполагалось ранее. Такому ядру по-прежнему требовалось бы всего 29 электронов, чтобы сбалансировать электрический заряд, а его химические свойства, которые, как известно, зависят только от количества электронов, оставались бы такими же.

Другими словами, если судить только по химическим свойствам, то не все атомы элемента непременно должны быть тождественны. Число нейтронов

в ядре может изменяться, и с химической точки зрения это не имеет никакого значения. Так как периодическая таблица опирается на химическую общность элементов, которые определяют по присущим им химическим свойствам, то каждое место в периодической таблице может занимать целая группа разнообразных атомов с различным числом нейтронов, но при условии, что число протонов во всех этих атомах будет одинаковым.

Как же это может повлиять на атомный вес?

Обе упомянутые разновидности атомов меди, естественно, должны были полностью перемешаться за все время существования Земли. Имея одинаковые химические свойства, они должны были бы пройти один и тот же путь в геохимических процессах; в равной мере взаимодействовать со средой, в одно и то же время и в одинаковой степени растворяться и выпадать из растворов. Оба вида атомов были неотделимы — и в результате любой образец элемента, взятый в природе или полученный лабораторным путем, должен содержать одинаковую смесь этих двух изотопов меди.

Таким образом, определяя атомный вес, химики XIX столетия получали средний атомный вес этого элемента. Средний вес был всегда одинаков, но это не означало, что каждый атом в точности похож на другой.

Что же нарушилось в столь удобной для химиков схеме, когда была открыта радиоактивность?

А вот что. Радиоактивный распад — процесс ядерный, и сама возможность его возникновения, скорость и характер протекания — все это зависит от расположения частиц в ядре и не имеет ничего общего с электронами, находящимися вне ядра. Следовательно, два атома, в ядрах которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, должны обладать одинаковыми химическими, но разными ядерными свойствами. Именно благодаря общности химических свойств они стоят в одной и той же клетке периодической таблицы. (Разные ядерные свойства тут не играют роли.)

Но в первом десятилетии нашего века, когда еще не знали о разнице между химическими и ядерными свойствами, началась общая паника: многим казалось, что периодическая система элементов терпит крах.

Было бы легко различить два изотопа (которые, как мы теперь знаем, являются двумя атомами с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядрах), если бы все решала радиоактивность. А что, если ни один изотоп не радиоактивен? Может ли существовать не один, а несколько нерадиоактивных изотопов каждого данного элемента?

Что ж, если бы существовало множество нерадиоактивных изотопов, то они отличались бы друг от друга только по массе. Атом меди с 29 протонами и 34 нейтронами имел бы массовое число 63, а с 29 протонами и 36 нейтронами — 65. (Выражение атомный вес остается для средних масс встречающихся в природе смесей изотопов каждого данного элемента.)

В 1919 году английский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф, в котором атомы в ионизированном виде (то есть с одним или несколькими выбитыми электронами, так что каждый атом имеет положительный заряд) можно было прогонять через магнитное поле. При этом ионы отклоняются и проходят по кривым, кривизна которых зависит от массы того или иного иона. Следы изотопов, имеющих различные массы, исчезают в разных местах фотопластинки, а по интенсивности следов можно определять соотношения количеств отдельных изотопов. Например, атомы меди с 34 нейтронами составляют 70 процентов всех атомов меди, а атомы с 36 нейтронами — остальные 30 процентов. Вот поэтому атомный вес меди равен не точно 63, а 63,54.