Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В 1912 году Дж.Дж. Томсон, первооткрыватель электрона, проделал подобный эксперименте неоном. Положительные лучи из неона оставляли на фотопластинке два пятна, по всей видимости ионов неона–20 и неона–22. Первое пятно было почти в 10 раз больше второго. Это говорило о том, что неон состоит из двух изотопов, неона–20 и неона–22, в пропорции примерно 1/ 10. (Позднее было обнаружено присутствие и третьего изотопа, неона–21. Его содержание настолько мало, что из 1000 атомов неона 909 являются атомами неона–20, 88 — неона–22 и только 3 — атомами неона–21.)

В 1919 году работавший вместе с Томсоном английский физик Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) сконструировал более совершенное устройство для анализа положительных лучей. В этом устройстве положительные лучи определенной массы не просто оставляли отпечаток на фотопластинке; они особым образом отклонялись, и при этом повышалось разрешение. В результате пучок ионов одного элемента отпечатывался на фотопластинке в виде последовательности точек («массовый» спектр вместо оптического). По положению точек можно оценить массу отдельных изотопов, а по степени затемнения можно определить, с какой частотой эти изотопы встречаются в данном веществе (то есть относительное содержание). Устройство получило название масс-спектрограф.

С помощью масс-спектрографа ученые определили, что большинство устойчивых элементов состоят из двух и более стабильных изотопов. Полный список этих стабильных изотопов [132] Или же изотопы с настолько низким уровнем радиоактивности, что их можно также считать стабильными. приведен в табл. 8.

По данным таблицы можно сделать следующие выводы. Во-первых, несмотря на то что большинство из 81 устойчивого элемента имеют два и более стабильных изотопа (а у олова их целых 10), из них 20 элементов имеют всего один изотоп. (Более того, у двух элементов с атомным числом менее 84 вообще нет стабильных изотопов. Эти два элемента с атомными числами 43 и 61 подробно описаны в гл. 10.)

По правде говоря, элемент не может иметь «один изотоп», так как изотопы по определению являются двумя и более элементами, занимающими одну и ту же ячейку периодической системы. В данном случае элемент имеет «одного близнеца», и правильнее называть их нуклидами, то есть элементами с определенной структурой ядра. Тем не менее термин «изотоп» настолько прижился, что я буду продолжать говорить об «одном изотопе».

Не все из 282 приведенных в табл. 7 нуклидов действительно стабильны. 18 из них являются радиоактивными, однако их период полураспада настолько велик, что радиоактивное излучение у них очень слабое. Периоды полураспада некоторых из них достигают квадриллионов лет, поэтому их радиоактивностью можно просто пренебречь. Однако 7 из них очень радиоактивны, поэтому я и привел их в табл. 9.

1. Водород … 1, 2

2. Гелий … 3, 4

3. Литий … 6, 7

4. Бериллий … 9

5. Бор … 10, 11

6. Углерод … 12, 13

7. Азот … 14, 15

8. Кислород … 16, 17, 18

9. Фтор … 19

10. Неон … 20, 21, 22

11. Натрий … 23

12. Магний … 24, 25, 26

13. Алюминий … 27

14. Кремний … 28, 29, 30

15. Фосфор … 31

16. Сера … 32, 33, 34, 36

17. Хлор … 35, 37

18. Аргон … 36, 38, 40

19. Калий … 39, 40, 41

20. Кальций … 40, 42, 43, 44, 46, 48

21. Скандий … 45

22. Титан … 46, 47, 48, 49, 50

23. Ванадий … 50, 51

24. Хром … 50, 52, 53, 54

25. Марганец … 55

26. Железо … 54, 56, 57, 58

27. Кобальт … 59

28. Никель … 58, 60, 61, 62, 64

29. Медь … 63, 65

30. Цинк … 64, 66, 67, 68, 70

31. Галлий … 69, 71

32. Германий … 70, 72, 73, 74, 76

33. Мышьяк … 75

34. Селен … 74, 76, 77, 78, 80, 82

35. Бром … 79, 81

36. Криптон … 78, 80, 82, 83, 84, 86

37. Рубидий … 85, 87

38. Стронций … 84, 86, 87, 88

39. Иттрий … 89

40. Цирконий … 90, 91, 92, 94, 96

41. Ниобий … 93

42. Молибден … 92, 94, 95, 96, 97, 98

44. Рутений … 86, 98, 99, 100, 101, 102, 104

45. Родий … 103

46. Палладий … 102 104, 105, 106, 108, 110

47. Серебро … 107 109

48. Кадмий … 106 108, 110, 111, 112, 113, 114, 116

49. Индий … 113 115

50. Олово … 112 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122, 124

51. Сурьма … 121 123

52. Теллур … 120 122, 123, 124, 125, 126, 128, 130

53. Йод … 127

54. Ксенон … 124 126, 128, 129, 130, 131, 132, 134, 136

55. Цезий … 133

56. Барий … 130 132, 134, 135, 136, 137, 138

57. Лантан … 138 139

58. Церий … 136 138, 140, 142

59. Празеодим … 141

60. Неодим … 142 143, 144, 145, 146, 148, 150

62. Самарий … 144 147, 148, 149, 150, 152, 154

63. Европий … 151 153

64. Гадолиний … 152 154, 155, 156, 157, 158, 160

65. Тербий … 159

66. Диспрозий … 156, 158, 160, 161. 162, 163, 164

67. Гольмий … 165

68. Эрбий … 162, 164, 166, 167, 168, 170

69. Тулий … 169