Понятие о стабильных и нестабильных изотопах

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое строение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. Независимо друг от друга в 1906 г. Б.Болтвуд и в 1907 г. Г.Мак-Кой и В.Росс обнаружили, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют одни и те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того, как было обнаружено позднее, все три элемента имели одинаковые оптические и рентгеновские спектры излучений.

Одним из главных открытий выдающегося англий-

ского радиохимика ФредерикаСодди стало откры-

тие явления изотопии элементов (Нобелевская пре-

мия по химии, 1921). Изотопы - это разновидности атомов одного и того же элемента, занимающие в периодической системе одно и то же место. Термин «изотоп» был предложен Содди в 1910 г. на основе

Ф.Содди (1877-1956) двух греческих слов: isos - «равный», «одинаковый» и topos - «место».

Другими словами, изотопы это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную атомную массу. Ф.Содди говорил, что изотопы одинаковы «снаружи», но

отличаются «внутри».

Независимо от американского физико-химика польс-

кого происхождения Казимира Фаянса, Содди сфор-

мулировал закон радиоактивного смещения (1913 г.). Его основной смысл сводится к следующему: при из-

лучении альфа-частиц происходит превращение одно-

го элемента в изотоп другого, расположенного на два места ниже в периодической таблице, а бета-излуче-

К.Фаянс (1887-1975) ние вызывает подобное смещение на одно место вы-

ше.

Закон смещения дал возможность предсказывать последовательность распада многих радиоактивных элементов, определяя образующиеся таким образом элементы на основе вида излучения и включая их в таблицу периодической системы. Сначала Ф.Содди нашел изотопы нескольких радиоактивных элементов, а потом обнаружил и нерадиоактивные. Отличить изотопы друг от друга Содди смог из-за различия их физических свойств.
В 1920 г. Содди предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород и окаменелостей, поскольку известна скорость их радиоактивного распада.

Это предположение, в конечном счете, привело к раз-

витию современной технологии радиоактивного дати-

рования. Например, к появлению в 1947 г. метода датирования с помощью углерода-14, разработанного аме-

риканским химиком Уиллардом Либби (Нобелевская премия по химии, 1960).

Справедливость и точность этого метода были прове-

рены им при определении возраста сердцевины стволов

У.Либби (1908-1980) шеститысячелетних секвой и дугласских пихт. Результаты радиоуглеродного метода сравнивались с количеством годовых колец.

У. Либби обнаружил, что результаты вычислений по его методу и с помощью

подсчета годовых колец совпали. Он также участвовал в разработке метода газодиффузионного выделения изотопа U²³⁵ из природного урана.

На рис. 14 показан процесс образования радиоизотопа С ¹⁴ в атмосфере и стадии его прохождения к конечному месту депонирования в растениях и животных согласно теории Уилларда Либби.

Рис. 14. Схема образования и миграции углерода-14 (по У. Либби)

Существует несколько методов измерения радиоактивности углерода. Один из них основан на определении количества электронов, выделяющихся в процессе распада С¹⁴. Интенсивность их выделения соответствует количеству С¹⁴ в исследуемом образце. Время подсчета составляет до нескольких суток, т.к. за сутки происходит распад всего лишь примерно четверти миллионной доли содержащегося в образце количества атомов С¹⁴.

Другой метод требует использования масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой, равной 14. При этом особый фильтр позволяет различать N¹⁴ и С¹⁴. Поскольку при этом нет необходимости ждать, пока произойдет распад, подсчет С¹⁴ можно осуществить менее, чем за час, имея образец массой в 1 мг. Прямой масс-спектрометрический метод называют АМС-датиров-

кой. При этом используются сложные высокочувствительные приборы, которыми располагают, как правило, центры, ведущие исследования в области ядерной физики.

Большой вклад в развитие учения об изотопах внес также выдающийся английский химик Фрэнсис Астон. В 1913 г. он совместно с Дж.Томсоном впервые получил подтверждение существования стабильных изотопов у неона. Им был сконструирован первый масс-спектрометр, с помощью которого были откры-