Изучение радиоактивных превращений показало, что в природе встречаются атомные ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но с различными массовыми числами A, которые английский физик Ф. Содди предложил называть изотопами, так как они занимают одно и, тоже место в таблице Менделеева. Было установлено, что при радиоактивных превращениях изотопы встречаются часто, например, атомные ядра радона бывают трех типов: с массовыми числами 219, 220, 222. Несколько изотопов имеют уран, радий, торий и др.
Однако оставалось неясным, имеются ли изотопы у других, нерадиоактивных химических элементов. Не объясняется ли дробное значение относительных атомных масс наличием изотопов? Например, относительная атомная масса хлора равна 35,5; не означает ли это, что хлор состоит из смеси двух или более изотопов?
Поиски изотопов среди нерадиоактивных элементов были начаты английским ученым Дж. Томсоном. В 1912 г. он, исследуя каналовые лучи в заполненной неоном трубке, обнаружил атомы неона двух типов: с массовыми числами 20 и 22. Это доказывало, что изотопы могут быть и у нерадиоактивных элементов. Продолжая работы Дж. Томсона, В. Астон в 1919 г. построил прибор, позволивший определять массы атомов о точностью до 0,01 % и давший возможность установить наличие изотопов у многих элементов. Приборы для определения масс атомов получили название масс-спектрографов.
Схема одного из масс-спектрографов показана на рис. 37.10. Прибор состоит из конденсатора с пластинами П и магнитов, которые на рисунке не показаны. Верхние диафрагмы Д1 и Д2 пропускают в конденсатор узкий пучок положительных ионов исследуемого химического элемента. Внутри конденсатора создается электрическое поле, которое отклоняет пролетающие ионы вправо, и магнитное поле с индукцией B (направленное на читателя), отклоняющее ионы влево. При таком действии полей только ионы, имеющие строго определенную скорость, летят прямолинейно, все остальные отклоняются вправо или влево. Таким образом, через щель диафрагмы Д3 пролетают только ионы, обладающие одинаковыми скоростями. Внизу они попадают в магнитное поле с индукцией B’ (также направленное на читателя), под действием которого начинают двигаться по окружности, причем радиус окружности тем больше, чем больше масса иона.
Описав полуокружность, ионы попадают на фотопластинку. В зависимости от массы ионы изотопов движутся по разным окружностям и попадают в различные места фотопластинки. Число изображений щели Д3 на фотопластинке соответствует числу изотопов, а положение изображений позволяет определить массы изотопов с высокой точностью. Такие фотографии называются спектрограммами масс изотопов.
На рис. 37.11 изображена спектрограмма масса изотопов германия. Германий имеет пять изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Очевидно, моль смеси этих изотопов в зависимости от их процентного содержания может оказаться равным любому числу в пределах от 70 до 76. В действительности их процентное содержание в земной коре таково, что относительная атомная масса германия составляет 72,6.
Хлор оказался смесью двух изотопов с массовыми числами 35 (около 75%) и 37 (25%). Понятно, почему относительная атомная масса хлора 35,5.
Масс-спектроскопические исследования показали, что изотопы имеются у всех химических элементов. Некоторые из них радиоактивны, другие — стабильны. Ряд тяжелых элементов имеет только радиоактивные изотопы с различными периодами полураспада.
Когда было установлено, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, стало ясно, что атомные ядра изотопов какого-либо химического элемента имеют одинаковое число протонов, но отличаются количеством нейтронов и поэтому имеют разные массы. Поскольку зарядовые числа Z у них одинаковы, атомы изотопов имеют одинаковые электронные оболочки и обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами. Поэтому химическим путём изотопы не разделяются; для их разделения используются возникающие за счет разной массы атомов небольшие различия в скоростях испарения, диффузии и др.
Большое практическое значение имеют изотопы водорода. Кроме изотопа 11H существует так называемый тяжелый водород или дейтерий. Его атомные ядра 21Н состоят из одного протона и одного нейтрона, их называют дейтронами и обозначают иногда буквой D. Доля 21Н составляет 1/6000 часть атомов водорода.
Соединение дейтерия с кислородом D2O называется тяжелой водой. Она имеет плотность 1,108*103 кг/м3, замерзает при 3,8°С и кипит при 101,4°С. В небольшом количестве молекулы D2O всегда имеются в природной воде. Тяжелую воду можно отделить с помощью электролиза. При электролизе преимущественно разлагаются молекулы Н2O, поскольку ионы D+ тяжелее и менее подвижны, чем ионы Н+. Поэтому остающаяся после электролиза вода обогащается тяжелой водой.
Имеется и третий изотоп водорода — тритий, обозначаемый буквой T, ядро которого 31H состоит из протона и двух нейтронов. Он радиоактивен и имеет период полураспада 12,26 года.
С помощью масс-спектрографа были обнаружены изотопы и у самого тяжелого из известных в то время элементов — урана. Природный уран в основном состоит из смеси двух изотопов: 23892U (с периодом полураспада 4,5*109 лет) и 23592U (7*108 лет), причем на долю 23892U приходится 99,3%, а на долю 23592U — лишь около 0,7%.
