ИЗОТОПЫ

ИЗОТОПЫ (от
изо... и греч. topos- место), разновидности одного хим. элемента, занимающие
одно место в пери-одич. системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами
атомов. Хим. свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному
хим. элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной
оболочке атома (см. Атом). Место хим. элемента в пе-риодич. системе элементов
определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке
атома или, что то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре.
Кроме протонов , в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из к-рых приблизительно
равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может
быть различным, но в определённых пределах. Напр., в ядре атома гелия (Z
= 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z
и нейтронов N в ядре (наз. общим термином нуклоны) определяет массу ядра
и по существу массу всего атома. Это число А - Z + N наз. массовым числом
атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность
или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный
дипольный момент, электрический квадруполъный момент ядра и нек-рые др.
его свойства (см. Ядро атомное). T. о., атомы с одинаковым Z, но с различным
числом нейтронов N обладают идентичными хим. свойствами, но имеют различные
массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также наз.
И. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности
к одному элементу, применяют термин нуклиды.

Массовое число
И. приводится сверху слева от хим. символа элемента. Напр., И. гелия обозначаются:
³He,
⁴He,
⁸He, ⁸He. Более развёрнутые обозначения:

¹3,
²4,
⁴6
и ⁶8, где нижний индекс указывает число
протонов Z, верхний левый индекс - число нейтронов N, а верхний правый
- массовое число. При обозначении И. без применения символа элемента массовое
число А даётся после наименования элемента: ге-лий-3, гелий-4 и т. п.

Массы атомов
M, выраженные в атомных единицах массы, лишь немного отличаются от целых
чисел. Поэтому разность M - А всегда правильная дробь, по абс. величине
меньше 1/2, и т. о. массовое число А есть ближайшее к массе атома M целое
число. Знание массы атома определяет полную энергию
связи всех нуклонов в ядре. Эта энергия выражается соотношением
, где с - скорость света в вакууме,-
разность между суммарной массой всех входящих в ядро нуклонов в свободном
состоянии и массой ядра, к-рая равна массе нейтрального атома без массы
всех электронов.

Первое доказательство
того, что вещества, имеющие одинаковое хим. поведение, могут иметь различные
физ. свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений
атомов тяжёлых элементов. В 1906-07 выяснилось, что продукт радиоактивного
распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий
имеют те же хим. свойства, что и торий, однако отличаются от последнего
атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того, как
было обнаружено позднее, все три элемента имеют одинаковые оптические и
рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по хим. свойствам, но
различные по массе атомов и нек-рым физ. свойствам, по предложению англ,
учёного Ф. Содди, стали называть И.

После того
как И. были обнаружены у тяжёлых радиоактивных элементов, начались поиски
И. у стабильных элементов. В 1913 англ, физик Дж. Том-сон обнаружил И.
у неона. Разработанный им метод парабол позволял определить отношение массы
иона к его заряду по отклонению в параллельно направленных электрическом
и магнитном полях тонкого пучка положительных ионов, получаемых в высоковольтном
электрич. разряде (см. Масс-спектрометры). Наряду с атомами ²⁰Ne
Том-сон наблюдал небольшую примесь более тяжёлых атомов. Однако убедительных
доказательств того, что вторая компонента более тяжёлых атомов является
И. неона, получено не было. Лишь с помощью первого масс-спектрографа, построенного
в 1919 англ, физиком Ф. Астоном, были получены надёжные доказательства
существования двух И. ²⁰Ne и ²²Ne, относит, содержание
(распространённость) к-рых в природе составляет приблизительно 91% и 9%
. В дальнейшем был обнаружен изотоп ²¹Ne с распространённостью
0,26%, И. хлора, ртути и ряда др. элементов. Примерно к 1940 изотопный
анализ был осуществлён для всех существующих на Земле элементов. В результате
этого были выявлены и идентифицированы практически все стабильные и долгоживущие
радиоактивные И. природных элементов.

В 1934 И. Кюри
и Ф. Жолио получили искусств, путём радиоактивные И. азота (¹³N),
кремния (²⁸Si) и фосфора (³⁰P), отсутствующие в природе.
Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных
нуклидов. В последующие годы с помощью ядерных реакций под действием нейтронов
и ускоренных заряженных частиц было синтезировано большое число радиоактивных
И. известных элементов, а также получено ок. 20 новых элементов. Известно
276 стабильных И., принадлежащих 81 природному элементу, и ок. 1500 радиоактивных
И. 105 природных и синтезированных элементов.

Анализ соотношений
между числами нейтронов и протонов для различных И. одного и того же элемента
показывает, что ядра стабильных И. и радиоактивных И., устойчивых по отношению
к бета-распаду, содержат на каждый протон не менее одного нейтрона. Исключение
из этого правила составляют лишь два нуклида -¹H и ³He.
По мере перехода ко всё более тяжёлым ядрам отношение числа нейтронов к
числу протонов в ядре растёт и достигает 1,6 для урана и трансурановых
элементов.

Элементы с
нечётным Z имеют не более двух стабильных И. Как правило, число нейтронов
N в таких ядрах чётное, и, следовательно, массовое число А - нечётное.
Большинство элементов с чётным Z имеет несколько стабильных И., из к-рых
не более двух с нечётным А. Наибольшее число И. (10) имеет олово, 9 И.-
у ксенона, 8- у кадмия и теллура. Многие элементы имеют 7 И.

Такие широкие
вариации в числе стабильных И. у различных элементов обусловлены сложной
зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По
мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия
связи ядра и его устойчивость по отношению к различным типам распада меняются.
При добавлении нейтронов ядро становится неустойчивым по отношению к испусканию
электрона с превращением одного нейтрона в ядре в протон (см. Ядро атомное).
Поэтому нейтронообогащённые И. всех элементов
-активны (см. Бета-распад). Наоборот, при обеднении нейтронами ядро получает
возможность или захватить электрон из оболочки атома, или испустить позитрон.
При этом один протон превращается в нейтрон и оптимальное соотношение между
числом протонов и нейтронов в ядре восстанавливается. Нейтронообед-нённые
И. всех элементов испытывают или электронный захват или позитрон-ный распад.
У тяжёлых ядер наблюдаются также альфа-распад и самопроизвольное (спонтанное)
деление ядер. Получение нейтроноизбыточных И. элементов возможно неск.
способами. Один из них - реакция захвата нейтронов ядрами стабильных И.
Другой - деление тяжёлых ядер под действием нейтронов или заряженных частиц,
в результате к-рого из одного тяжёлого ядра с большим относительным содержанием
нейтронов образуются два нейтррнообога-щённых ядра. Нейтронообогащённые
И. лёгких элементов эффективно образуются в реакциях многонуклонного обмена
при взаимодействии ускоренных тяжёлых ионов с веществом. Синтез нейтроно-дефицитных
И. осуществляется в ядерных реакциях под действием ускоренных заряженных
лёгких частиц или тяжёлых ионов.

Все стабильные
И. на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдалённые
времена, и их распространённость зависит от свойств ядер и от первоначальных
условий, в к-рых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов
на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается
Значит, изменениям в хим. и физ. процессах, протекающих на Земле. Однако
небольшие колебания в относительной распространённости И. всё же наблюдаются
для лёгких элементов, у к-рых различие в массах атомов И. относительно
велико. Эти колебания обусловлены изменением изотопного состава элементов
(фракционированием И.), происходящим в результате диффузии, изменения агрегатного
состояния вещества, при нек-рых хим. реакциях и др. процессах, непрерывно
протекающих в атмосфере и земной коре (см. Изотопов разделение, Изотопные
методы в геологии. Изотопный обмен). Изменение изотопного состава элементов,
интенсивно мигрирующих в биосфере (H, С, N,O, S), связано и с деятельностью
живых организмов.

Для нуклидов,
образующихся в результате радиоактивного распада, напр. для И. свинца,
различное содержание И. в разных образцах обусловлено разным первоначальным
содержанием их родоначальников (U или Th) и разным геол. возрастом образцов
(см. Геохронология, Macс-спектроскопия, Радиоактивность).

Единство образования
тел Солнечной системы позволяет думать, что изотопный состав элементов
земных образцов характерен для всей Солнечной системы в целом (при наличии
известных колебаний). Метеоры и глубокие слои земной коры показывают примерно
одинаковое отношение ¹⁶О/¹⁸О Астрофизические исследования
обнаруживают отклонения изотопного состава элементов, составляющих звёздное
вещество и межзвёздную среду, от земного. Напр., для углеродных R-звёзд
отношение ¹²С/¹³С изменяется от 4-5 до земного значения.

Возможность
примешивать к природным хим. элементам их радиоактивные И. позволяет следить
за различными хим. и физ. процессами, в к-рых участвует данный элемент,
с помощью детекторов радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое
применение в биологии, химии, медицине, а также в технике. Иногда примешивают
стабильные И., присутствие к-рых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными
методами (см. Изотопные индикаторы).

Важной проблемой
является выделение отд. И. из их природной или искусственно полученной
смеси или обогащение этой смеси к.-л. И.

Лит.: Астов
Ф. В., Масс-спектры и изотопы, пер. с англ., М., 1948; Кравцов В. А., Массы
атомов и энергии связи ядер, М., 1965; Lederer С. М., Hollander J. М.,
Per 1m an I., Table of isotopes, 6 ed., N. Y.-[a. o.], 1967.

H. И. Тарантин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я