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

Следующая формула описывает, что происходит, когда атом алюминия–27 поглощает альфа-частицу и излучает протон:

Кремний–30 — это стабильный изотоп, относительное содержание которого в кремнии всего лишь 3%.

При бомбардировке альфа-частицами атомы алюминия испускают нейтроны. Должно быть, имеет место реакция, в процессе которой ядро-мишень алюминия поглощает альфа-частицу и испускает нейтрон, получая в обшей сложности 2 протона и 1 нейтрон. При такой (α, p)-реакции атомное число возрастает на два, а не на один, и алюминий становится фосфором, а не кремнием. Запишем формулу:

Однако встречающийся в природе фосфор состоит лишь из одного изотопа — фосфора–31. Другие изотопы фосфора неизвестны, значит, если в ходе ядерной реакции синтезируется другой изотоп фосфора, то он будет радиоактивным. Именно из-за радиоактивности (и короткого периода полураспада) такой изотоп не встречается в природе.

Супруги Жолио-Кюри доказали присутствие радиоактивного фосфора, расплавив алюминий и подвергнув его реакциям, в ходе которых любой изотоп фосфора либо улетучится в виде газообразного соединения, либо выпадет в виде твердого осадка. Образовавшиеся газ и осадок проявляли радиоактивные свойства.

Фосфор–30 стал первым синтезированным в лабораторных условиях и не встречающимся в природе изотопом, а его радиоактивные свойства — первым примером искусственной радиоактивности.

Первым и далеко не единственным. В последующие годы в ходе лабораторных ядерных реакций были получены более тысячи искусственных изотопов. Так как все эти изотопы являются радиоактивными, их часто называют радиоизотопами.

Ученым удалось получить радиоизотоп каждого устойчивого элемента, а иногда даже несколько радиоизотопов. Например, у цезия, состоящего всего лишь из одного стабильного изотопа (цезий–133), таких радиоизотопов целых 20 с массовыми числами от 123 до 148.

Периоды полураспада всех полученных изотопов слишком малы, и они не могли сохраниться в земной коре с момента образования планеты до наших дней. Конечно же по человеческим меркам периоды полураспада некоторых из них довольно длинные (период полураспада цезия–135 равняется 2 000 000 лет), но в планетарных масштабах они все равно слишком малы.

Возможно, во время образования Солнечной системы существовали атомные ядра всех мыслимых составов. Выжили же лишь устойчивые и слаборадиоактивные (например, калий–40 и уран–238). И действительно, все стабильные и слаборадиоактивные изотопы, которые могут существовать, на Земле существуют. Шансы обнаружить какой-либо еще стабильный или слаборадиоактивный изотоп практически равны нулю.

Может быть, изотопы, период полураспада которых меньше 500 000 000 лет, также существовали, но впоследствии они распались и исчезли: какие-то из них быстро, какие-то медленно. Сегодня благодаря труду ученых они возродились.

Как только физики научились изолировать редкие изотопы и синтезировать новые, стало возможным создавать на их основе химические соединения. Если найти достаточно дешевый способ получения таких изотопов, то в химических экспериментах можно будет использовать большое количество соединений на их основе.

Первым используемым в «крупномасштабных» химических экспериментах стал стабильный водород–2, получаемый из «тяжелой воды» (см. гл. 8).

Путем органических химических реакций из тяжелой воды можно получить и другие химические соединения, молекулы которых содержат один или несколько атомов водорода–2. Если такие соединения вступают в химические реакции, то их можно определить, изолировав продукты реакции и выяснив, какие из них содержат водород–2. Химические соединения с содержанием редкого изотопа выше нормы называются мечеными соединениями, а атомы такого изотопа — индикаторами.

Этот метод особенно важен, когда меченое соединение реагирует внутри живой ткани, так как в этом случае можно проследить все имеющиеся чрезвычайно сложные трансформации. Начиная с 1935 года немецкий биохимик Рудольф Шоенгеймер (1898–1941) провел серию таких экспериментов, используя в своих исследованиях жирные молекулы, в огромном количестве присутствующие в водороде–2. Этот метод стал революцией в биохимии, так как давал возможность детально изучить химические реакции в тканях, что ранее было невозможно.