Таким образом, когда атом испускает альфа-частицу, его атомное число уменьшается на 2, а атомный вес — на 4. Когда атом испускает бета-частицу, его атомное число уменьшается на 1, а атомный вес остается неизменным. Когда же атом испускает гамма-луч, его и атомное число, и атомный вес остаются неизменными. Этот закон впервые был сформулирован Содди в 1913 году.
Давайте применим этот закон к атому урана с атомным числом 92 и атомным весом 238, т. е. 92U238. Слабое радиоактивное излучение урана высокой очистки состоит из альфа-частиц. Испускание альфа-частицы уменьшает атомное число атома урана до 90, т. е. до атомного числа тория, а атомный вес до 234. Запись выглядит так:
92U238 → 90Th234 + 2α4. (Уравнение 8.4)
Атом тория, полученный в результате распада атома урана, несколько отличается от атома тория, содержащегося в руде. Атомное число последнего также равняется 90, однако его атомный вес равен 232, то есть 90Th232.
Атомное число и одного и другого атома равно 90, поэтому они оба занимают одну и ту же ячейку периодической таблицы. Содди обнаружил это в 1913 году и предложил называть элементы, имеющие одинаковое атомное число и различающиеся атомным весом, изотопами (от греч., означает «одно и то же место», то есть одно и то же место в периодической таблице).
Так как атомное число изотопов одного и того же элемента одинаково, химики решили на письме отображать лишь их атомные веса: торий–234 и торий–232, или, более кратко, Th232 и Th234.
С точки зрения химии вполне обоснованно помещать изотопы в одну и ту же ячейку периодической таблицы. Торий–234 и торий–232 имеют в ядре по 90 протонов и соответственно по 90 электронов в нейтральном атоме. Химические свойства элементов определяются распределением электронов по электронным уровням, а значит, химические свойства этих двух изотопов тория, как и изотопов любых других элементов, будут одинаковыми
[131].
Но, несмотря на то что у атомов изотопов на энергетических уровнях один и тот же набор электронов, они все же отличаются структурой атомных ядер. Количество протонов в ядре изотопов одинаково, значит, неодинаково количество нейтронов. Например, ядро атома тория–234 состоит из 90 протонов и 144 нейтронов, в то время как ядро атома тория–232 состоит из 90 протонов и 142 нейтронов.
Простые изотопы
Когда речь идет об изменениях внутри атомного ядра, например когда мы говорим о радиоактивности (в то время как во время химических преобразований изменяется лишь число электронов, атомное ядро остается неизменным), различия в количестве нейтронов в ядре очень важны.
Итак, процесс распада тория–232 идет очень медленно, именно поэтому этот элемент до сих пор присутствует в земной коре. Атом тория испускает альфа-частицу и его атомное число падает до 88, т. е. до радия. Запишем это:
90Th234 → 91Pa234 + 2α4. (Уравнение 8.5)
С другой стороны, процесс распада атомов тория–234 идет крайне быстро, и именно поэтому в природе этот элемент встречается только в исчезающе малых количествах в урановой руде. Более того, при распаде тория–234 выделяется бета-частица, что приводит к увеличению атомного числа до 91, то есть до протактиния:
90Th234 → 91Ра234 + –1β0. (Уравнение 8.6)
После выхода альфа- или бета-частицы может образоваться новый атом, заряд ядра которого будет выше, чем у атома основного состояния. После возврата в прежнее состояние атом испускает гамма-луч. В некоторых случаях это происходит не сразу, атом существует какое-то время, а радиационное излучение его возбужденного ядра обладает уникальными характеристиками. Для обозначения наличия возбужденного ядра символ элемента помечают звездочкой. В процессе образования протактиния–234 его ядро переходит в возбужденное состояние:
91Pa234* → 91Pa234 + 0γ0. (Уравнение 8.7)
В 1936 году Лизе Майтнер предложила называть атомы с одинаковыми атомными числами и атомными весами, но различающиеся структурой ядра, изомерами. Первый случай ядерной изомерии был зафиксирован на примере протактиния–234 еще в 1921 году Отто Ганом, давним партнером Майтнер по работе.
Радиоактивные ряды
Закон Содди привел к отказу от собственных названий различных атомов, образующихся из урана и тория. Эти названия представляют определенный исторический интерес, поэтому их можно встретить в книгах по истории физики, но в этой книге мы будем обозначать эти элементы исключительно как изотопы. Как только мы правильно обозначим все эти элементы, окажется, что, несмотря на то что уран и торий образуют десятки изотопов, их все можно разместить в той или иной ячейке периодической таблицы.
В табл. 5 все вышесказанное проиллюстрировано на примере изотопов так называемого уранового ряда, то есть элементов, образующихся из урана–238.
Стоит подробнее ознакомиться с элементами этого ряда, как возникает несколько вопросов. Например, свинец–206 является стабильным изотопом и не подвергается радиоактивному распаду, поэтому этот элемент и заканчивает урановый ряд. Однако существуют и такие изотопы, как свинец–214 и свинец–210, и они являются радиоактивными элементами. Это говорит о том, что изотопы не обязательно являются радиоактивными, у одного и того же элемента могут быть как радиоактивные, так и устойчивые изотопы.
Если не принимать во внимание свинец–206, то процесс распада всех этих элементов, за исключением урана–238, идет с относительно высокой скоростью. Следовательно, с момента образования Земли до наших дней дошел только уран–238. Этот элемент является «родителем» всего уранового ряда, и если бы урана–238 сегодня не существовало, то не существовало бы и всех его дочерних элементов.
Таблица 5.
Атомы некоторых радиоактивных элементов могут образовывать разные цепочки изотопов. К примеру, полоний–218 может испускать альфа-частицы свинца–214 или же бета-частицу астатина–218. Это пример так называемого разветвленного распада. Как правило, преобладает какой-то один вариант распада. Например, лишь каждые 2 из 10 000 атомов полония–218 распадаются до астатина–218, все остальные распадаются до свинца–214. (То есть в этом случае преобладает эмиссия альфа-частиц, в других же случаях может преобладать и эмиссия бета-частиц.)
