Изотопы… Какие разные ассоциации вызывает это слово у людей. С одной стороны, это лучевая болезнь жителей Хиросимы и рыбаков, попавших под радиоактивный дождь; с другой — это тысячи спасенных жизней после облучения кобальтовой пушкой или вживления искусственного стимулятора сердца. В одном случае это слово вызывает чувство тревоги и опасности, в другом — радость творческих находок в науке, талантливых инженерных решений сложных технических задач. И для одних и для других ассоциаций есть веские основания.
Современный этап развития общества, связанный с научно-технической революцией, потепление международной обстановки создают благоприятные условия для широкого применения в мирных целях атомной энергии, в том числе и радиоактивных изотопов. Использование радиоактивных изотопов в народном хозяйстве — в науке и технике, в сельском хозяйстве и медицине — сулит громадные перспективы повышения производительности труда, интенсификации технологических процессов.
Для широкого и продуктивного использования радиоактивных изотопов необходимы их повсеместная популяризация, разъяснение возможностей и пределов применения, а главное преодоление психологического барьера, появившегося в результате бесконтрольного, беспечного обращения с радиоактивными веществами.
Все окружающие нас предметы, сама Земля, планеты, Солнце, звезды, вся Вселенная состоят из множества различных веществ с самыми разными свойствами. В определенных условиях эти вещества могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Различных индивидуальных веществ очень много, трудно даже оценить их число. Одних органических веществ известно сотни тысяч, а сколько их еще неизвестно?! И каждое индивидуальное вещество обладает определенными, только ему присущими, свойствами. Почему так? Чтобы понять это, вообразим себе такой микроскоп, увеличение которого мы можем неограниченно повышать. При рассмотрении какого-либо вещества с возрастанием увеличения микроскопа мы начнем замечать, что оно имеет зернистое строение. Самые маленькие «зерна» вещества, в которых еще сохраняются его свойства, называются молекулами. Все молекулы данного вещества одинаковы и неотличимы друг от друга. «Засечем» одну из молекул и начнем ее рассматривать под еще большим увеличением. Мы увидим, что и молекула имеет зернистое строение. Однако в отличие от одинаковых «зерен» вещества — молекул «зерна» молекул — атомы, как правило, разные. Свойства вещества определяются тем, сколько атомов и какие входят в состав его молекулы. Обычно в качестве примера приводят воду — одно из наиболее распространенных веществ на Земле. Молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. При изменении числа атомов в молекуле меняются соответственно свойства вещества. Так, молекулы перекиси водорода — вещества, с отличными от воды свойствами, состоят из двух атомов кислорода и двух атомов водорода.
Атомы, таким образом, являются мельчайшими частицами наиболее простых веществ — химических элементов. В природе химических элементов не так много, меньше сотни. Правда, за последние 30 лет ученым удалось создать искусственные элементы, которые на Земле в естественных условиях не встречаются. Но об этом ниже. Химические элементы, как и все вещества, также состоят из молекул, но в их молекулы входят одинаковые атомы данного элемента. В зависимости от числа и расположения атомов в молекуле данный химический элемент может существовать в различных формах. Так, химический элемент углерод встречается в виде трех различных модификаций с совершенно различными свойствами — алмаза, графита и сажи.
Но продолжим наше микроскопическое исследование. На этот раз «засечем» какой-либо атом в молекуле и создадим такое увеличение, чтобы разглядеть его строение. Мы увидим, что атом состоит из центрального ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, а вокруг ядра движутся элементарные частицы электричества — электроны. Ядро, кроме массы, несет положительный электрический заряд. Величина этого заряда, выраженная в единицах отрицательного электрического заряда электрона, совпадает с числом электронов. Таким образом, атом электрически нейтрален, поскольку суммарный заряд всех электронов и заряд ядра взаимно компенсируются. В свою очередь, число электронов в атоме определяет его сродство к другим атомам и в конечном счете способность образовывать те или иные химические соединения или вещества. Таким образом, число электронов или, что то же самое, заряд ядра атома определяет свойства химического элемента.
В периодической системе, открытой величайшим русским химиком Д. И. Менделеевым, химические элементы располагаются в порядке возрастания электрического заряда ядра их атомов. При этом оказывается, что химические свойства элементов периодически изменяются, что позволяет разбить их на группы, в состав которых входят элементы с близкими свойствами.
Чудесный микроскоп, которым мы сейчас пользовались, к сожалению, существует только в воображении. Полученные с помощью его сведения о строении вещества на самом деле являются результатом кропотливых, часто многолетних героических усилий нескольких поколений ученых.
Истина собиралась по крупицам, через ошибки и заблуждения, надежды и разочарования. Идея об атомном строении вещества зародилась еще в Древней Греции. Стройная картина, которая вырисовывается сейчас, результат более чем двухтысячелетней деятельности человечества в погоне за истиной.
Теперь немного пофантазируем. Представим себе два атома одного и того же элемента, но несколько отличающиеся между собой по массе. В соответствии с тем, что мы узнали ранее, такие два атома будут обладать одинаковыми химическими свойствами, а поскольку взвесить атом очень трудно, то в обычных условиях эти два атома с разными массами неразличимы, точно так же, как без весов неразличима позолоченная фальшивая монета и подлинная.
А возможно ли различие в массе ядра атома при неизменном заряде? Вернемся к нашему чудесному микроскопу и внимательно рассмотрим ядро. Оказывается, оно также имеет зернистую структуру и состоит из «зерен» двух сортов, причем эти «зерна» одинаковы у любых атомных ядер. Это протоны — элементарные частицы с положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и нейтроны — элементарные частицы с массой, очень близкой к массе протона, но не имеющие электрического заряда. Атомное ядро — очень устойчивая структура, частицы в ядре удерживаются особыми ядерными силами, превосходящими на очень малых расстояниях силы электрического взаимодействия. Благодаря этому одноименно заряженные протоны удерживаются в ядре, несмотря на электрические силы отталкивания. Нейтроны же выполняют роль цементирующей связки. Из всего сказанного следует положительный ответ на поставленный вопрос. В самом деле, два атома, ядра которых состоят из одинакового числа протонов и отличающегося числа нейтронов, будут иметь одинаковые заряды и разные массы. А это значит, что они будут принадлежать одному и тому же химическому элементу и обладать практически одинаковыми физическими и химическими свойствами. Такие отличающиеся по массе атомы одного элемента и называются изотопами, что в переводе с греческого означает занимающие одинаковые места (имеется в виду одна и та же клетка периодической системы элементов Д. И. Менделеева).
О природе ядерных сил, впрочем, как и о природе других сил, современная физика знает далеко не все. Все виды взаимодействия, осуществляемые в природе, обусловлены тремя видами сил: гравитационными, электромагнитными и ядерными. Силы гравитации действуют между любыми телами, обладающими массой. Ими определяются движение планет вокруг Солнца, движение Луны и искусственных спутников вокруг Земли, полет снаряда, колебание маятника часов и многие, многие другие явления. Это всегда силы притяжения, и в самом простом случае сила притяжения может быть вычислена по закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном еще в 1687 г.
Так два тела на расстоянии г, намного превосходящем размеры тел, взаимно притягиваются с силой
F = γ (m1·m2):r2,
где γ — гравитационная постоянная; m1 и m2 — массы первого и второго тела.
Как видно, гравитационное притяжение убывает пропорционально квадрату расстояния.
Электромагнитные силы обусловливают не только процессы получения электрической энергии, их роль значительно шире. Ими обусловлены практически все химические и физические процессы, за исключением процессов, происходящих внутри атомного ядра и взаимодействия элементарных частиц. Как это ни покажется странным неискушенному читателю, отскакивание мячика от стены, приклеивание марки к конверту, свечение раскаленной нити в лампочке, образование кристаллов, растворение сахара в чае, образование полимерных материалов, связь атомов в молекуле — все это обусловлено электромагнитными силами.
В отличие от сил гравитации электромагнитные силы могут проявляться как в притяжении, так и в отталкивании. В простейшем случае сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами будет:
F = (q1·q2)(ε·r2)
где q1 и q2 — величины зарядов; ε — диэлектрическая постоянная среды; r — расстояние между зарядами.
Здесь также сила убывает пропорционально квадрату расстояния. Причем взаимодействие разноименных зарядов обусловливает притяжение, а одноименных — отталкивание. Взаимодействие многих движущихся зарядов приводит к более сложной зависимости силы электромагнитного взаимодействия от расстояния. В общем случае сила обратно пропорциональна rn, а n может принимать значения и больше 2. Это приводит к тому, что силы электромагнитного взаимодействия в атомах и молекулах достаточно велики, но действуют только на очень близких расстояниях, соизмеримых с размерами молекул и атомов. В силу этого в межмолекулярных и межатомных взаимодействиях гравитационные силы не оказывают сколько-нибудь заметного влияния. Характер ядерных сил отличается еще более резкой зависимостью от расстояния. Силы убывают по степенной зависимости
arn,
где a и n — постоянные; r — расстояние между взаимодействующими частицами.
На расстояниях, превосходящих размеры атомного ядра, ядерные силы исчезающе малы, но внутри ядра они значительно превосходят электростатические силы отталкивания между одноименно заряженными протонами.
Небезынтересно привести некоторые количественные характеристики. Размеры молекул, не считая макромолекул полимерных соединений, порядка 10-10—10-11 м. Размеры ядра атома порядка 10-14 м. Это значит, что размер ядра по крайней мере в 10 тыс. раз меньше, чем размер атома. Таким образом, плотность ядра в 1012 раз выше плотности атома. Как известно, плотность воды при обычных условиях составляет 1000 кг/м3, плотность ядерного вещества — примерно 1015 кг/м3.
Эти расчеты показывают, что атом состоит в основном из… пустоты. Высокая плотность вещества осуществляется в некоторых звездах, так называемых белых карликах, где под действием сил гравитации вещество сжимается настолько сильно, что плотность его может достигать нескольких тонн на кубический сантиметр.
Масса самого легкого ядра — ядра атома водорода составляет около 1,7·10-27 кг, а масса электрона примерно в 1800 раз меньше, т. е. на массу электронов приходится около 0,05% массы всего атома.
Если принять за условную единицу массы массу протона или нейтрона, то целочисленное значение массы атома выразится суммой числа протонов и нейтронов. В атомной физике это число носит название массового номера «М». С другой стороны, мы уже знаем, что число протонов определяет собой заряд атомного ядра «Z» и соответственно принадлежность данного атома определенному химическому элементу. Физики и химики каждому химическому элементу и частице присвоили определенный символ. Например, электрону — «е», протону — «p», нейтрону — «n», водороду — «Н», кислороду — «О», железу — «Fe», свинцу — «Pb», урану — «U» и т. д. Чтобы уточнить значение символа, вверху справа пишется массовый номер, а внизу слева — заряд. Так, электрону в этой системе записи соответствует символ —1e0, что расшифровывается следующим образом: частица с очень малой массой, обладающая единичным отрицательным зарядом. Однако чаще электрону приписывают символ e— или β—, значение которых будет ясно из последующего изложения. Протону соответствует символ «1p1», а нейтрону — «0n1», или просто «р» и «n». Самый легкий и распространенный изотоп водорода 1Н2 имеет ядро, состоящее из одного протона. Другой изотоп водорода — дейтерий 1Н2, или тяжелый водород, имеет ядро, состоящее из одного протона и одного нейтрона. В природе водород как химический элемент состоит из смеси двух изотопов — 99,984% легкого 1Н1 и 0,016% тяжелого 1Н2. Соответственно этому в природной воде имеется всегда соответствующее небольшое количество примеси тяжелой воды, т. е. такой воды, в состав молекул которой входят атомы тяжелого изотопа водорода. Самый распространенный изотоп кислорода 8O16 имеет в составе ядра 8 протонов и 8 нейтронов. В природе кислород, как и водород, представляет собой смесь изотопов, причем, кроме основного изотопа 8O16, в смеси содержится 0,04% изотопа 8O17 и 0,2% изотопа 8O18. Это значит, что в атомных ядрах всех трех изотопов кислорода содержится по 8 протонов и по 8, 9 и 10 нейтронов соответственно. Поскольку символ элемента однозначно определяет заряд ядра, то, как правило, число внизу слева опускают. Так, двум основным изотопам урана — 92-му элементу периодической системы (Z=92) — соответствуют символы 92U238 и 92U235, или просто U238 и U235.
Атомное ядро очень прочное образование. Энергия связи протонов и нейтронов в ядре может быть вычислена сравнительно просто. Для этого следует воспользоваться выводом из теории относительности, открытой величайшим физиком Альбертом Эйнштейном. Из этой теории следует, что энергия связи некоторой структуры Е пропорциональна дефекту массы Δm, т. е. разности масс исходных составляющих и конечной структуры:
Е = Δmc2,
где c = 3·108 м/сек — скорость света.
Для примера рассчитаем энергию связи ядра атома гелия 2Не4, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. В атомной физике в качестве единицы массы используют массу, равную 1/12 массы изотопа углерода 6С12. В атомных единицах массы (а. е. м.) массы протона, нейтрона и ядра атома гелия составляют:
Mp = 1,00728 а. е. м.;
mn = 1,00867 а. е. м.;
m2Не4 = 4,00047 а. е. м.
Дефект массы Δm будет:
Δm = (2mp + 2mn — m2Не4) = 0,03143 а. е. м.
Поскольку 1 а. е. м.= 1,658·10-27 кг, имеем
Е = 0,03143 ·1,658 ·1027·9·1016 = 4,7·10-12 дж.
Это энергия связи одного ядра атома гелия. В 1 кг гелия содержится 1,5·1023 атомов, а энергия, выделяющаяся при образовании 1 кг гелия из протонов и нейтронов, составит немногим более 7·1014 джоулей, или 200 млн. киловатт-часов! Аналогичные процессы происходят в недрах Солнца и многих звезд и являются основным источником их энергии. Расщепление ядра гелия на протоны и нейтроны потребует соответственно затраты такой же энергии.
Из изложенного выше, казалось бы, можно сделать вывод, что у каждого элемента может быть сколь угодно много изотопов, т. е. атомы этого элемента при одинаковом числе протонов в ядре будут отличаться числом нейтронов. Однако вывод этот не совсем верен. Дело в том, что атомное ядро остается устойчивым только в определенных границах отношения числа нейтронов к числу протонов — (M—Z):Z. Для легких элементов это отношение близко к единице. Так, у следующего за водородом элемента — гелия наиболее распространенным изотопом является 2Не4, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. То же для самых распространенных изотопов: углерода — 6С12, азота — 7N14, кислорода — 8О16 и т. д. С увеличением массового номера отношение между числом нейтронов и протонов постепенно растет. У иода, например, Z = 53, а массовый номер устойчивого изотопа М = 127 (53I127). Таким образом, отношение числа нейтронов к числу протонов у иода будет (127—53):53 = 1,4. Для указанных выше изотопов урана это отношение составит:
для 92U238 — (238—92):92 = 1,59,
для 92U235 — (235—92):92 = 1,55,
Что же происходит, если в атомном ядре нарушится некоторое оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов? Такие ядра становятся неустойчивыми, они самопроизвольно превращаются в другие, в которых отношение числа нейтронов и протонов будет соответствовать устойчивому ядру. Это значит, что те изотопы, в атомных ядрах которых нарушено оптимальное отношение между числом нейтронов и числом протонов, неустойчивы, или, как их называют в науке, нестабильны. Такие изотопы называются радиоактивными.