9. Нерадиоактивные изотопы
Изотопия (или, как иначе говорят, изотопизм) радиоактивных элементов была установлена как опытный факт, не зависящий от каких бы то ни было гипотез о структуре атомов. Чтобы подчеркнуть это, мы упомянули о ней до того, как перешли к моделям атома, помня, что современные авторы курсов физики в этом случае нарушают хронологический порядок для удобства изложения (Содди даже считал, пожалуй несколько преувеличивая, что нарушение хронологии проводилось нарочно, чтобы умалить его заслуги).
Но после того как правило смещения Содди было использовано как одно из наиболее убедительных доказательств правильности модели Резерфорда, перенесенной также и на устойчивые элементы, изотопия нерадиоактивных элементов казалась прямым следствием этой теории и пролила новый свет яа явление, открытое Томсоном в 1912 г.
До этого, в 1910 г., Уотсон измерил с большой тщательностью атомный вес неона и нашел его равным 20,200 (принимая атомный вес кислорода равным 16). В 1912 г. Томсон, воздействуя на каналовые лучи неона одновременно электрическим и магнитным полями, согласно своему методу (см. гл. 11), заметил, что эти лучи неоднородны, потому что получались две параболы: одна, соответствующая частицам с атомным весом 20, а другая, более слабая, но все же четкая, соответствующая частицам с атомным весом 22. Томсон предположил, что атмосферный неон представлял собой смесь двух различных газов. Содди же сразу отметил:
«Это открытие представляет собой самое неожиданное приложение того, что было найдено для одного конца периодической системы, к элементу другого конца системы; оно подтверждает предположение о том, что структура материи вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе»(Annual Report in Radioactivity, в сб. Annual Reports on the Progress of Chemistry, Chemical Society, London, 1913, p. 266).
В 1913 и 1914 гг. Фрэнсис Уильям Астон (1877-1945), ассистент Томсона, попытался фракционной возгонкой разделить два предполагаемых компонента атмосферного неона, однако не добился результатов. Весьма неопределенный результат дала и последующая очень трудоемкая попытка разделения методом диффузии через пористые перегородки.
Началась первая мировая война. Астон был призван и прервал свои исследования. Он смог возобновить их лишь в 1919 г., когда в существовании радиоактивных изотопов уже никто не сомневался. Начал Астон (совместно с Линдеманом) с теоретического исследования, в котором показал, что из всех возможных физических методов разделения изотопов (диффузия, возгонка, центрифугирование) самым многообещающим и результативным является электромагнитный метод Томсона. В том же году Астон начал экспериментальные исследования и в следующем году усовершенствовал их, применив устройство, которое назвал масс-спектрографом. Название это так и осталось в науке. В масс-спектрографе применяется томсоновский метод отклонения заряженных частиц под действием двух полей, электрического и магнитного, но Астон значительно увеличил его чувствительность, введя фотографирование, а главное применяя электрические и магнитные отклонения в одной и той же плоскости, но в противоположных направлениях. Впрочем, физические принципы, примененные в масс-спектрографе, общеизвестны. Ионы исследуемого вещества, проходя вначале электрическое, а затем магнитное поле, попадают на фотопластинку и оставляют на ней след. Отклонения ионов зависят от отношения e/m заряда, одинакового для всех ионов, к массе (или, лучше сказать, от nе/m, потому что ион может нести более одного элементарного заряда). Поэтому все ионы одинаковой массы концентрируются в одной и той же точке фотопластинки, а ионы с другой массой - в других точках, так что по точке попадания иона на пластинку можно определить его массу.
Новый инструмент сразу же позволил получить замечательные результаты, Астон нашел непосредственное подтверждение того, что неон состоит из двух изотопов с массами 20 и 22. Следующим исследованным элементом был хлор; здесь тоже были найдены два изотопа с массами 35 и 37. Астон начал систематическое изучение различных элементов, и клетки периодической системы наполнились изотопами: в 1921 г. из 21 исследованного элемента у 11 имелись изотопы, а 10 лет спустя из 64 исследованных элементов у 42 оказались изотопы. В 1945г. из 83 исследованных элементов только 10 оказались чистыми элементами, остальные имели 283 изотопа. Это, пожалуй, было чересчур! Теперь уже многочисленность различных атомов представляет серьезную трудность на пути изучения атомной структуры.
Постепенно спектрографы все более усовершенствовались. В 1925 г. Астон сконструировал второй спектрограф, который обладал точностью 1/10 000, а в 1937 г. третий спектрограф достигал уже точности 1/100 000. По словам Содди,
«эти инструменты можно поставить в ряд с наиболее удивительными и точными приборами, которые когда-либо изобретал человеческий ум».
Открытие Астона имело исключительно важное значение для теории. Непосредственным следствием его было то, что вновь был поставлен вековой вопрос об определении понятия элемента. Речь идет о том, нужно ли рассматривать каждый изотоп как отличный элемент и каждое вещество, содержащее несколько изотопов, как смесь различных элементов, а не как один химически определенный элемент? Сейчас подавляющее большинство химиков продолжает придерживаться классической концепции, т. е. считает, что каждый элемент химически определяется своими химическими свойствами и своим спектром излучения при заданных условиях. Для элементов, обладающих одинаковыми химическими свойствами, но различными ядерными массами, вводится понятие и название изотопа. Другими словами, изотопы считаются элементами химически эквивалентными, но физически отличными.
Здесь впервые проявляется недостаточность периодической системы, которая годится для классификации большинства таких физических и химических свойств элементов, как объем, валентность, теплопроводность и электропроводность, т. е. тех свойств, которые называются электронными и которые зависят от числа и расположения самых внешних электронов атома. Для других же свойств, таких, как масса, радиоактивность, спектр рентгеновского излучения, которые зависят от строения ядра и от наиболее близких к нему электронов, классификация, основывающаяся на знании одного лишь атомного номера, недостаточна.