П.1.3. Изотопы

Атомы некоторых элементов существуют в нескольких формах. Эти разные формы атома называются его изотопами (iso - тот же самый, topos - место, т. е. занимающие одно и то же место в периодической системе элементов). Все изотопы данного элемента имеют одинаковое число протонов и электронов (один и тот же атомный номер), а значит, и одинаковые химические свойства; различаются же они по числу нейтронов в их ядрах, т. е. имеют разные атомные массы. Для того чтобы изотопы можно было различать, к символу элемента добавляется массовое число; в природе встречаются, например, три изотопа кислорода: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Один из изотопов присутствует обычно в большем количестве, чем другие; для кислорода, например, соотношение его изотопов - ¹⁶О:¹⁷О:¹⁸О - равно 99,759%:0,037%:0,204%.

Некоторые комбинации протонов и нейтронов способны в течение длительного времени существовать без изменений. Такие атомные ядра называются стабильными. В других случаях ядра нестабильны, т. е. склонны к распаду с испусканием частиц или излучения. Эти ядра называются радиоактивными. Их легко обнаружить с помощью различных приборов, таких, как счетчики Гейгера - Мюллера, сцинтилляционные счетчики и т. п. С возрастанием атомного номера ядра возрастает и доля нейтронов в ядре, необходимых для того, чтобы оно оставалось стабильным. Ядро урана содержит, например, 92 протона и для стабильности ему требуется 138 нейтронов. Изотопы урана с большим числом нейтронов радиоактивны, их ядра нестабильны.

Скорость распада часто выражают через период полураспада, т. е. время, на протяжении которого распадается в среднем половина всех присутствующих атомов. Например, для изотопа углерода ¹⁴С период полураспада составляет 5570 лет.

Радиоактивные изотопы могут испускать "лучи" (частицы и излучения) трех разных типов.

1. α-Частицы. Они представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия, т. е. состоят из двух протонов и двух нейтронов. Эти частицы несут два положительных заряда.

Ниже приведен пример испускания α-частиц (см. также рис. П.5.1). (Верхний индекс при символе каждого элемента означает его массовое число, а нижний - атомный номер.)

Ядро ²³⁸U испускает α-частицу, теряя тем самым четыре единицы массы и две единицы заряда, т. е. превращается в изотоп тория.

2. β-Частицы. Это быстро движущиеся электроны, испускаемые ядром, когда один из нейтронов превращается в протон.

β-Частицы несут один отрицательный заряд (см. также П.5.1).

Испусканием β-частиц сопровождается, например, распад тория:

Ядро тория испускает один электрон; таким образом, один из его нейтронов превращается в протон. Атомная масса при этом не изменяется, но атомный номер (число протонов) увеличивается на единицу, т. е. образуется изотоп протактиния.

3. γ-Лучи. Это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, возникающее при α- и β-распаде. γ-Лучи обладают очень высокой энергией и преградить им путь весьма трудно; они способны, например, проходить через толстый слой свинца.

α-Частицы легко задерживаются, например, слоем воздуха или тонким листом бумаги. У β-частиц проникающая способность выше, но от них может защитить толстый слой алюминия или тонкий слой свинца. Эти частицы и излучение оказывают вредное воздействие на живые организмы.