Изотопы

Изотопы, химия, элементы с различными ат. весами, но расположенные в одной и той же клетке периодич. системы Менделеева (ίσος τόπος—то же самое место). Химические и большинство физич. свойств И. почти тождественны. В современном учении о строении атомов понятие И. характеризуется тем, что массы центральных положительных ядер у них различны, в то время как заряды этих ядер, а следовательно и число внеядерных электронов (атомный, или порядковый Ν»), одинаковы. Химические свойства атомов определяются числом и расположением внешних электронов; поэтому у И. эти свойства совпадают; наоборот, свойства, зависящие от строения атомного ядра, именно—радиоактивные свойства, глубоко различны у разных И. Тонкие детали спектров так же определяются ядерными массами и поэтому неодинаковы у разных И. Понятие об И. введено в науку Ф. Содди на основании данных, полученный при исследовании радиоактивных элементов. Корпускулярные излучения радиоактивных тел приводят к следующим правилам изменения положения соответствующих атомов в периодич. системе:

1) при излучении α-частицы, атомного ядра гелия с двумя положительными зарядами (смотрите Атомная теория), остающийся элемент уменьшается по ат. весу на 4 единицы и по валентности отступает в периодич. системе на два столбца назад; 2) при излучении 0-луча (электрона) в остающемся элементе ат. в практически не изменяется, но по валентности элемент перемещается в периодич. системе на одно место вперед. Вследствие та- ких прерывных изменений и становится воз-

^ о“ р

I t I

О Q

! *

т S

101-

II2 —

114— 116-«

- - -mi

118-1	2	- -116
12°-\|	я£§	7 118
I22-*	ф	- -120
I24-»	г	• -122
		-124

- Л 32

- -133 -134

1:i35

136

л__—

.-99 ~-100 ~ -101 "102

-20

24-

25-

26-

26-3-

22 27 — 29

- 78 79

* -80 * -81 82 t 83 -84

-86

jg 28-

28-

29-

30-

32--

. 33-“

-28 34 —

35- -

36- -

37- -

»-31

38--

83-84 -

86-.

- -32

39- 5--33 40-

40- 5-

31-=-34

" -99 ~.400 32-"? “ΙΟΙ 102

44 ш

-64

-66

-14

-16

— -

80 -81 -82

13-

14-

15- =

16- ~

-93

-95

-99 -100 -101 -102

- 44

!Э- ;

-24

“-Ι2

-13

•4-14

12 —

~ -15

“ -12

—13

—14

—15

-~-|6

4 6

Массовые спектры Астона. I. Простой спектр группы С₄, виден дублет кислорода и ме1ана. И. Двойные спектры: сравнение линий Вг. III. Двойной спектр: сравнение СН₃ и С при напряжениях 280 и 352 V, дублет О и СН₄ виден в самом низу. IV. Двойной спектр: сравнение F и С₂ при напряжениях 280 и 352 V, заметна также линия В¹¹. V. Простой спектр СН₃Вг: видны по две линии, соответствующие Вг, НВг, СН₂Вг и СН_:!Вг; ниже—второй порядок группы Hg. VI. Двойной спектр: сравнение Вг⁸⁴ с С0₂ при напряжении 300 и 324 V. В спектре, снятом при 324 V, видна очень слабая линия трехвалентного Вг при 26,3. В спектре имеются линии серы, хлора и прочие, и он служит прекрасной иллюстрацией равномерного распределения линий, отличающихся на единицу по массе. VII. Двойной спектр: видны линии Р и его водородных соединений между линиями Р и СО. VIII. Двойной спектр: сравнение Кг⁸⁶ с Hg¹³⁸. Линии криптона видны ближе к середине. IX. Спектр, показывающий весьма ясно линии второго порядка группы Hg. X. Спектры а и b показывают равномерное распределение линий монометил-олова и ксенона, с—показывает одиннадцать изотопов олова. XI. Шесть двойных спектров: а) Кг⁸⁸ : С0₂; Ь) Кг⁷⁸ : Кг⁸⁰ и Кг⁸⁰ : Кг⁸²; с) Кг⁴⁰ : Кг⁸² и Кг⁸²: Кг⁸⁴; d) Кг⁸² : Кг⁸⁴; e) Кг⁸⁴: Кг⁸⁶; f) после добавления бромистого метилена, Вг⁷³ : Вг⁸⁴*

ыожным тот факт, что в одной и той же клетке системы элементов оказываются расположенными несколько различных атомов с раз-ныхми ат. весами, но с одинаковым числом внешних электронов; эти атомы и будут И. В табл. 1 приведен пример группы радиоактивных И., имеющих общий ат. номер 84.

Таблица 1.—Р а д и о а к т и в н ы е изотопы с общим атомным номером 84.

Изотопы	Прибл. ат. в.	Период полураспада
Полоний.	210	140 дней
Радиы-А.	218	3,0 мин.
Торий-А.	216	0.14 ск.
Актиний-х.	214	2-10-³ ск.
Радий-С.	214	10-* ск.
Торий-С.	212	10 -¹¹ ск.
Актиний-С.	210	5-10 ³ ек.

Элементы этой группы не разделимы химии, путем, но, как видно, необычайно различны по своим радиоактивным свойствам. Тщательно исследована изотопич. группа свинца (ат. номер 82); к этой группе относится по крайней мере 10 представителей с интервалом значения ат. в от 201 до 214. Прямые измерения ат. в свинца различного происхождения (из разных радиоактивных минералов) обнаружили вполне заметные вариации ат. в По Ричардсу, ат. в обыкновенного свинца равен 207,19, свинца из австралийского карнотита—206,34, из урановых руд— 206,08. Содди высказал предположение, что и другие, нерадиоактивные элементы во многих случаях являются смесью различных И., чем и объясняются отклонения ат. в от целых чисел. Это предположение вполне подтвердилось в замечательных исследованиях Астона, произведенных с т. н. массовым спектрографом.

Метод и прибор Астона для исследования И. явились развитием метода химич. анализа при помощи положи-7 тельных, или каналовых, лучей (смотрите Лучи корпускулярные), предложенного и осуществленного Дж. Дж. Томсоном. Частица, летящая в пучке каналовых лучей, является положительным ионом с определенным зарядом е, массой т и скоростью V. Подвергая эту частицу одновременному действию параллельно направленных магнитного и электрического полей, можно заставить каналовый луч отклониться, причем величина отклонения будет зависеть от отношения и скорости v. Лучи с одним и тем же значением ^, но различными v, развернутся в поверхность (фигура 1), оставляющую при пересечении с какой-нибудь плоскостью YZ (например фотографии, пластинкой или фосфоресцирующим экраном), перпендикулярной к первоначальному направлению луча ОХ, параболическ. след. Изменение направления поля OY на противо положное вызовет поворот параболы. Разные точки параболы соответствуют разным скоростям. Для других значений — парабола будет иная, но с той же вершиной. Т. о., частицы с разными массами и одинаковыми зарядами дадут разные параболы, положение и форма которых и дают средство определения т.

Еще в 1912 г., до работ Содди, Томсон обнаружил указанным методом для каналовых лучей неона две параболы, соответствующие ат. в 20 и 22, что заставило предположить существование нового элемента с ат. в 22. Для изучения этого обстоятельства Астон построил массовый спектрограф, в к-ром метод Томсона был усовершенствован в различных направлениях. Соответственно располагая магнитные и электрич. поля, Астон достиг своего рода «ахроматизации» пучка каналовых лучей, заставив их при одном и том же — сходиться в одной «точке» независимо от различных скоростей v. Комбинация магнитного и электрич. полей в приборе

Астона действует подобно ахроматич. призме, отклоняющей световой луч, но не разлагающей его на цвета; угол отклонения определяется только отношением ~. На фигуре 2

дана схема последней модели прибора. Разряд происходит в цилиндрическ. или шаровом сосуде, не изображенном на схеме. Через щель, или канал, а в катоде Ь каналовые лучи попадают во вторую щель с (обе щели шириной ок. 0,02 миллиметров). В несколько искривленном пространстве между пластинами dj, d₂ лучи подвергаются действию электро-статич. поля, проходя диафрагму е_х, е₂, и затем попадают в область сильного магнитного поля /, образуемого мощным электромагнитом с полюсами, имеющими сечение, изображенное заштрихованной площадью. Лучи фокусируются на фотографии, пластинке д. Железные экраны h служат для защиты от магнитного поля. На вкладном листе воспроизведены массовые спектры Астона, полученные с новой моделью спектрографа. Каждой линии соответствуют каналовые частицы определенной массы, значения которой написаны сбоку (при чем масса атома кислорода считается равной 16). В спектре I виден дублет, соответствующий кислороду и метану (16), в спектре X, с видны линии 11 И. олова и т. д. Разрешающая способность нового прибора такова, что массы, различающиеся примерно на 7боо> дают отдельные, не сливающиеся линии, а точность определения положения линий составляет около 0,1%₀. При помощи массового спектрографа прежней и новой конструкции Астон обнаружил большое число И. для разных элементов (смотрите вкладной лист). В табл. 2 приве-

	X
	2
у

°	Z
/у

Фигура 1.

дены в виде примера новые данные Астона (1927 год) для четырех элементов.

Таблица 2.—Д анные Астонадля серы, олова, ксенона и ртути.

Эле мент	Ат. число	Ат. вес	Штатам, число изотопов.	Массовые числа изотопов в порядке их интенсивности
S.	16	32,06	3	32, 33, 34
Sn.	50	118,70	11	120, 118, 116, 124, 119, 117, 122, 121, 112, 114, 115
Хе.	54	130,2	9	129, 132, 131, 134, 136, 128, 130, 126, 124
Hg.	80	200,6	6	202, 200, 199, 198, 201, 204

Наличие И. у многих элементов, которые являются, т. о., смесью атомов с разными массами, объясняет отклонения средних ат. весов от целых чисел. Есть, однако, и другой источник этих отклонений, менее значительный, но принципиально не менее важный. Если ат. в О принять равным 16, то ат. в Н окажется равным 1,00778, ат. в Не—4,002; у Ы нет И., и следовало бы ожидать, что вес Не должен быть равен учетверенному Н, то есть 4,03. Разница 4,03—4,00 соответствует, по Лан-жевену, убыли массы при образовании ядра гелия из 4 протонов, то есть из 4 водородных ядер. Эта убыль, как предполагается, эквивалентна радиации, сопровождающей процесс образования Не; она определяет огромную устойчивость ядер Не, вылетающих при радиоактивном распаде в виде α-частиц. Новые измерения Астона позволили установить, что ат. веса изотопов большинства элементов, даже в том случае, когда эти отдельные И., составляющие какой-нибудь один элемент, отделены друг от друга, также не выражаются целыми чи. В табл. 3 приведена величина убыль массы на каждый протон, входящий в состав ядра данного атома, где dr— отклонение действительного ат. в от массового числа т (числа протонов, входящих в состав атома). В этой табл, (в отличие от установленного в последнее время в химии правила) ат. в Н, конечно, принимается равным точно 1,000,

поэтому — для него равно точно нулю. Числа, стоящие в скобках около обозначений атомов, указывают атомное массовое число то. Из табл, видно, что ~ имеет максимум в области изотопов криптона и затем начинает убывать. Возможно, что это уменьшение — — первый признак повышающейся неустойчивости ядер тяжелых элементов,

Таблица 3. —Значения величины

Атом.	Н	Не	Li(6)	И(7)	в (10)
10.. Ш	0	72	58	61	64
Атом.	в (и)	с	N	О	F
*ю“. т	63	75	72	78	78
Атом.	Ne (20)	Ne(22)	Р	С1(35)	А (36)
- 10¹____ т	78	75	83	82	84
Атом.	С 1(37)	А (40)	As	Кг(78)	Кг(79)
10. т	83	85	86	87	87
Атом.	К Г (80)	Кг(81)	К г (82)	КГ(83)	Кг(84)
- 10*. т	87	86	87	87	86
Атом.	Кг(86)	1	Sn(120)	Хе(134)	Hg(200)
— 10*____ Ш	86	83	85	83	79

которая резко проявляется в радиоактивных явлениях.

Массовый спектрограф Астона, разделяя И., не дает, однако, возможности изолировать их в количествах, достаточных для изучения их физическ. свойств. Принципиально возможно, пользуясь различием атомных масс у И., разделить их в газообразном состоянии путем фракционированной диффузии и фракционированного испарения или путем комбинации обоих указанныхметодов. На фигуре 3 изображен аппарат Гаркинса для разделения И. ртути комбинированным испарением и диффузией. Испаряющаяся ртуть диффундирует через мембрану из фильтровальной бумаги. При многократном повторении этого процесса Гаркинсу и Мортимеру удалось получить фракции ртути, ат. веса которых отличались на 0,02 единицы.

Лит.: Астон Ф. В., Изотопы, пер. с англ.,

М.—П., 1923; M-me Pierre Curie, Lisotopie et les dldments isotopes, P., 1924; Aston F. W., A New Mass-Spectrograph and the Whole Number Rule, «Proc. of the Royal Society of London», L., 1927, series A, v. 115, p. 487; Harkins W. a. Μ о r t i-m e r B., The Separation of Isotopes a. a Further Sepa ration of Mercury by Evaporative-Diffusion, «Philos. Magazine a. Journ. of Science», L., 1928, v. 6, p. 601, 1928; Discussion on the Structure of Atomic Nuclei, «Proc. of the Royal Society of London», L., 1929, series A, V. 123, p. 373. С. Вавилов.