Радиоактивные и стабильные изотопы Изотопы.

Вслед за открытием элементов по­лония, радия и радона при исследовании свойств «дочер­них» радиоактивных веществ были открыты новые эле­менты - актиний и протактиний, а также ряд других «элементов». Последние по своим химическим свойствам не отличались от названных выше элементов, но обладали существенно отличными характери­стиками радиоактивного распада, а именно - периодами полураспада, видом и энергией испускаемых при распа­де частиц. Полоний, радон, радий, актиний и протакти­ний легко разместились в периодической системе - суще­ствование этих элементов было предсказано еще Менделеевым. Но ряд других «элементов», открытых при изучении продуктов радиоактивного распада, оставался как бы без места в системе Менделеева. Это обстоятель­ство нашло свое отражение и в названиях, которые дава­лись новым «элементам». Иногда их называли по основ­ному элементу, из соединений которого они были полу­чены. Так появились, например, названия UX1 (уран-икс-один), UX2 (уран-икс-два), UY, UZ (уран-зет). Иногда же новые «элементы» получали осо­бые названия, как, например, ионий или торон, химиче­ски неотличимые от тория и радона, но обладающие иными радиоактивными свойствами. Среди элементов от таллия до урана было обна­ружено более тридцати радиоактивных веществ, испыты­вавших радиоактивный распад с испусканием - или -частиц и -лучей.

Химическая неразличимость отдельных «разновидностей» элементов, несмотря на различие радиоактивных свойств, заставляла поместить все такие «разновидности» в одну клетку системы Менделеева. Причина различия физических, радиоактивных свойств химически идентич­ных «разновидностей» элементов корениться в различной атомной массе. Это отличие понимал и Д.И.Менде­леев, который в трех случаях поместил в системе более легкий элемент после более тяжелого (иод после теллура, никель после кобальта и калий после аргона), показав этим, что периодический закон является более важным и общим, чем последовательность возрастания атомных масс.

В 1881 г. А. М. Бутлеров предположил, что могут существовать разновидности атомов одного и того же элемента, обладающие одинаковыми химическими свой­ствами, но различные по массе. Это предположение оправдалось именно на примере радиоактивных элементов, где существование «разновидностей» элемен­тов с разными атомными массами можно было легко заме­тить благодаря различию радиоактивных свойств этих «разновидностей». Такие «разновидности» элементов с разными атомны­ми массами получили название изотопов (от греческого «изо» — одинаковый и «топос» — место), что означает: «занимающие одинаковое место».

Обнаружение изотопов пока­зало, что основной характеристикой элементов является не атомная масса, а место, занимаемое элементом в перио­дической системе Менделеева, порядковый номер эле­мента.

При размещении всех дочерних изотопов в периодической системе ученые исходили из установленного в 1913 г. К. Фаянсом и Ф. Содди закона сдвига при радиоактивном распаде, согласно которому при испускании -частиц обра­зуется элемент, отстоящий в периодической системе на две клетки влево от исходного, а при испускании -частиц - элемент - на одну клетку вправо от исходного. При испу­скании только -лучей ядро атома переходит из возбуж­денного состояния в стабильное, а элемент не меняет своего места в периодической системе. Атомные массы всех радиоактивных изотопов можно было определить, исходя из того, что при испускании -частиц происходит уменьшение атомного веса на вели­чину, равную атомному весу гелия, т. е. на 4 единицы, а при испускании -частиц – электронов - атомный вес прак­тически не меняется.

Оказалось, что радиоактивные изотопы образуют три ряда радиоактивного распада: первый начинается с урана — атомный вес 238,

второй с тория — атомный вес 232

и третий с изотопа урана — атомный вес 235.

Эти три ряда получили название рядов распада урана, тория и актиния - первые два по начальным членам ряда, а третий - по стоящему в ряду элементу актинию. Периоды полураспада членов всех трех рядов меняются в широчайших пределах — от миллиардов (уран) и десят­ков миллиардов лет (торий), до десятимиллионных долей секунды (один из изотопов полония). Ряды распада урана, актиния и тория заканчиваются образованием устойчивого элемента - свинца в виде трех изотопов (с атомными весами около 206, 207 и 208). Таким образом, было обнаружено, что изотопы имеются не только у радиоактивных, но и у устойчивых элементов.

В то время, как атомные массы ряда элементов, представляющих смесь нескольких изотопов, оказались заметно отличающимися от целых чисел (например, атомный вес хлора равен 35,457), атомные веса всех изотопов очень близки к целым числам. Такие целые числа, очень близкие к атомным массам изотопов, получили название массовых чисел изотопов и обозначаются буквой A.

Легко понять, что поскольку в радиоактивных рядах урана, актиния и тория массовые числа у соседних членов ряда либо отличаются на 4 (при -распаде), либо одинаковы (при -распаде), то один и тот же изотоп не может быть членом сразу двух или более рядов распада. В ряду тория встречаются изотопы с массовыми числами А=4n: от n=52 (свинец с А=208) до n=58 (торий с А=232). В ряду урана изотопы имеют А=4n+2: от n=51 (свинец с А=206) до n=59 (уран с А=238), а в ряду актиния — А=4n+3: от n=51 (свинец с А=207) до n=58 (уран с А=235).

Ряд распада с массовыми числами А=4n+1 в природе не был обнаружен.

Начиная с 1919 г. был осуществлен ряд способов исследования изотопов, позволивших выяснить, что большинство природных химических элементов является смесью устойчивых изотопов.

Исследования изотопов основаны на упоминавшемся выше методе отклонения заряженных частиц в электрическом и магнитных полях, при помощи которого было определено соотношение заряда и массы для электрона.

вырезать с рисунка надпись

Если ионизировать атомы какого-либо элемента и направить пучок ионов сквозь диафрагмирующие щели S₁ и S₂ в электрическое поле P₁ P₂, а затем в магнитное поле О, то ионы, обладающие различными , фокусируются в разных точках ­пластинки GF, оставляя на ней свой след.

Такое разделение ионов с разными происходит по той причине, что от величины - , как мы уже говорили при описании опытов с катодными лучами, зави­сит кривизна траектории частиц в электрическом и магнит­ном полях. Если заряд различных ионов е одинаков, а различаются только их массы, то каждому отпечатку на фотопластинке отвечают ионы с разными массами. Поэтому прибор, раз­деляющий таким образом ионы разной массы, получил название масс-спектрографа, а полу­чаемые при помощи этого прибора отпечатки получили название - масс-спектров или спектров масс.

В современных масс-спектрографах до­стигнута очень высокая разрешающая способ­ность, позволяющая определять массы с точ­ностью до четвертого-пятого знаков после запятой. На рис. изображена фотография спектра масс смеси ионов тяжелого изотопа водорода-дейтерия и молекулярных ионов водоро­да

Атомный вес дейтерия равен 2,01473, молекулярный вес протия равен 2,01626, т. е. больше только на 0,07% — однако линии, соответ­ствующие столь близким массам, заметно отстоят одна от другой.