ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

НОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ СТАРОЙ ГИПОТЕЗЫ

Ервые изотопы были обнаружены, как вы только что ви­дели, у радиоактивных элементов, а именно среди членов радиоактивных семейств урана и тория. Но затем были най­дены изотопы и у нерадиоактивных элементов. Здесь «охот­никам за изотопами» помог очень интересный прибор — масс-спектрограф, созданный английским физиком Асто­ном. Принцип работы масс-спектрографа основан на взаи­модействии движущейся заряженной частицы с электри­ческим и магнитным полями. Когда заряженная частица пролетает через электрическое или магнитное поле, то воз­никает сила, отклоняющая частицу от прямолинейного пу­ти. Сила эта тем больше, чем больше величина заряда ча­стицы. Но так как частица имеет массу, то по закону инер­ции она стремится сохранить направление своего полета неизменным. Поэтому отклонение частицы от прямолиней­ного пути под действием поля будет прямо пропорциональ­но ее заряду, но обратно пропорционально ее массе. Други­ми словами, отклонение частицы под действием силы поля зависит от отношения величины заряда к величине массы данной частицы. Мало того, отклонение будет зависеть и от скорости полета самой частицы; причем здесь влияние элекг трического и магнитного полей сказывается по-разному. Отклонение в электрическом поле обратно пропорцио­нально квадрату скорости, а отклонение в магнитном поле обратно пропорционально, просто скорости (без квадрата).

Можно так подобрать направление и величину электри­ческого и магнитного полей, что по выходе из них частицы с различными скоростями, но одинаковыми отношениями величины заряда к массе будут собираться в одном месте,

А частицы с другим отношением заряда к массе — в другом. Этого и достиг в своем масс-спектрографе Астон. На рисун­ке 6 показана схема его прибора.

Астон пропускал через щели а и а1 узкий пучок положи­тельно заряженных атомов — ионов исследуемого хими­ческого элемента. Сначала ионы проходят между парал­лельными пластинами Ь и одна из которых заряжена электричеством положительного знака, другая — электри­чеством отрицательного знака. Созданное таким образом меж­ду пластинами электрическое поле взаимодействует с за­рядом летящего иона и отклоняет его вниз. Затем ионы вле­тают в магнитное поле (область, обозначенная пунктиром), направленное так, что оно вызывает отклонение летящих ионов в противоположном направлении — вверх. По выхо­де из магнитного поля все ионы с одинаковым отношением заряда к массе оказываются собранными в одном месте. На фотографической пластинке ррх они оставляют изобра­жение щели аг Ионы с другим отношением заряда к массе собираются в другом месте, дают другое. изображение той же щели ах. Расстояние между изображениями щели тем больше, чем больше отличаются отношения зарядов к массам у отдельных ионов. Сколько различных сортов ионов находилось в ионном пучке, столько получается и изображений щели—темных черточек на фотографиче­ской пластинке. Возникает своеобразный «спектр масс», или масс-спектрограмма. Так как заряды ионов, выра­женные в единицах, равных заряду протона, всегда пред­ставляют целые и обычно малые числа (1,2, Зит. д.), то по расстоянию между изображениями щели на фотографии можно вычислить массу иона, а значит, и массу атома дан­ного химического элемента.

В отличие от химических методов, которые дают лишь относительные значения масс атомов, с помощью масс-спект­рографа определяются абсолютные значения этих масс. Масс-спектрограф дал возможность найти значение масс атомов в привычных нам единицах веса — граммах. Без преувеличения можно сказать, что изобретение масс - спектрографа позволило взвешивать отдельные атомы на лету.

Исследования с помощью масс-спектрографа показали, что инертный газ неон имеет три изотопа. Обыкновенный хлор является смесью двух изотопов. Имеется четыре сор­та (изотопа) атомов серы, десять различных сортов атомов олова и так далее.

Большинство радиоактивных изотопов получено в по­следние годы искусственным способом. Всего сейчас извест­но свыше тысячи ста изотопов и в их числе примерно 250 нерадиоактивных. Все эти различного вида атомы разме­щаются в ста двух клетках периодической таблицы эле­ментов.

Как же объяснить, что атомы изотопов, имея одинако­вый заряд ядра, а значит, и одинаковое число протонов в ядре и одинаковое число электронов, вращающихся вокруг ядра, обладают различной массой?

Массу атома определяют не электроны. Они, как мы уже знаем, для этого слишком легки. Причину различия в

Массах изотопов надо искать в самом ядре. При одинаковом числе протонов ядра могут иметь разную массу только в том случае, если в их состав входят еще какие-то частицы, кото­рые не изменяют их электрического заряда. И действитель­но, теперь установлено, что всякое атомное ядро (кро­ме ядра протия) составлено из протонов и примерно таких же по массе, но электрически не заряженных частиц-ней - тронов.

В ядрах изотопов при одинаковом числе протонов со­держится разное число нейтронов. Ядра трех изотопов неона содержат каждый по 10 протонов и соответственно 10, 11 и 12 нейтронов. Ядро одного изотопа хлора имеет 17 протонов и 18 нейтронов, а у другого изотопа на 17 прото­нов приходится 20 нейтронов.

Итак, атомы химических элементов построены из трех родов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, имеют почти одинаковые массы; по принятой шкале атомных весов они очень близки к единице. А теперь вспомним, что в свое время говорил английский врач Проут. Он утверждал, что все атомы, встре­чающиеся в природе, построены из атомов водорода и их веса должны быть кратны весу этого атома.

Действительно, точные измерения с помощью масс-спект­рографа дают для атомных весов изотопов числа, очень близкие к целым. Но только для изотопов. Атомные веса химических элементов в большинстве — дробные числа. Каждый изотоп хлора в отдельности имеет атомный вес, очень близкий к целому числу:34,9787 и 36,9788, а их естест­венная смесь, содержащая 75,4 процента первого изотопа и 24,6 процента второго, то есть именно то, что мы называем химическим элементом хлором, имеет атомный вес, сильно отличающийся от целого числа, 35,457. Близкие к целым числам атомные веса можно ожидать только у тех химических элементов, которые в естественном состоянии не представ­ляют смеси устойчивых изотопов (бериллий, фтор, нат­рий, алюминий и некоторые другие) или когда содержание одного изотопа сильно преобладает над содержанием всех других изотопов, составляющих естественную смесь (ге­лий, углерод, азот и другие).

Таким образом, целочисленное значение атомных ве­сов изотопов возрождает старую гипотезу Проута, но в нее вкладывается новое содержание, отвечающее современному уровню знаний о строении атомов химических элементов.

Атомные веса изотопов, округленные до целых чисел, принято называть массовыми числами изотопов. Массовое число изотопа равно суммарному числу протонов и нейт­ронов, составляющих ядро.

Для обозначения изотопов применяют химические обо­значения соответствующих элементов. Это обычно первая или первая и какая-либо из последующих букв латинского названия элемента. Цифра, стоящая вверху справа около обозначения элемента, указывает массовое число изотопов; цифра внизу слева — заряд ядра. Например, изотопы хло­ра записываются так: 17С135 и 17С187; четыре изотопа серы:

С 32 СЗЗ С 34 С36

16° > 1в° * 16° » 16° *

Заряд ядра часто не пишут, так как название элемента

И без того точно указывает клетку, которую занимает эле­мент в периодической таблице, а следовательно, и заряд ядра и число электронов, вращающихся вокруг него. В дальнейшем изложении мы часто будем вместо обозначения изотопа писа! ъ его русское название, а массовое число ука­зывать цифрой через дефис: хлор-35, сера-34 и так далее.