Читаем без скачивания Вид с высоты - Айзек Азимов

Физиков, изучавших строение ядра, в большей степени интересовали отдельные изотопы, а не произвольное сочетание изотопов в одном элементе. И логика была на их стороне, потому что масса отдельного изотопа, насколько известно, абсолютно постоянна, в то время как средняя масса атомов элемента слегка колеблется при очень малом изменении смеси в различных условиях.

Теперь мы имеем две шкалы. Первая — «химический атомный вес», на основе стандарта «O-16», вторая — «физический атомный вес», на основе стандарта «O16-16».

По шкале химических атомных весов атомный вес кислорода равен 16,000; по шкале физических атомных весов более тяжелые изотопы кислорода увеличивают средний вес до 16,0044. Естественно, атомные веса всех других элементов должны соответственно измениться, — у каждого элемента атомный вес по физической шкале будет на 0,027 процента выше, чем по химической шкале. Таким образом, химический атомный вес водорода равен 1,0080, а физический — 1,0083.

Разница небольшая, но все же неточность есть. Химикам и физикам не следовало доводить дело до таких разногласий. Хотя логика была не на стороне химиков, они не соглашались отказаться от своих прежних показателей, боясь путаницы при внесении поправок в уйму расчетов, которые основывались на старых химических атомных весах и были запечатлены в химической литературе.

И тут-то физикам пришло в голову, что, пользуясь стандартом «О16-16», они слепо следуют за предвзятым мнением химиков, давно уже потерявшим какую-либо ценность. Единственной причиной, почему кислород использовался в качестве стандарта, было то, что с его помощью легко определялись эквивалентные веса.

Но физикам не было дела до эквивалентных весов, поскольку они ими не пользовались. Физики определяли массы заряженных атомов, пропуская их через магнитное поле известной силы и измеряя эффект, который получался при прохождении этих атомов.

Для этих целей выбор атомов кислорода в качестве стандарта был не совсем удачен. Было бы удобнее пользоваться атомами углерода. Масса самого распространенного изотопа углерода, С12, была определена более точно, чем масса любого другого изотопа. Тем более что С12 имел массу, равную 12,003803 по физической шкале, а по химической шкале — почти точно 12.

Почему бы тогда не принять шкалу «С12-12»? Она столь же логична, как и шкала «O16-16». Более того, шкала «С12-12» была бы почти такой же, как и химическая шкала «О-16».

В 1961 году Международный союз теоретической и прикладной физики выпустил своего рода указ, узаконивший новую шкалу. Масса С12 была принята точно за 12,000000 (при этом было допущено понижение на 0,033 %). Естественно, что значения масс всех других изотопов уменьшились соответственно на такой же процент, и шкала «С12-12» оказалась немного ниже шкалы «О-16».

Таким образом, химические атомные веса водорода и кислорода, равные 1,0080 и 16,0000 соответственно, по новой физической шкале стали равны 1,00797 и 15,9994 соответственно.

Теперь разница между химической и старой физической шкалами составляла только 0,003 процента.

Химики перестали сопротивляться; разница была так мала, что не влияла ни на какие прежние расчеты в химической литературе. Поэтому Международный союз теоретической и прикладной химии тоже принял шкалу «С12-12». С 1961 года физики и химики снова говорят на одном языке атомного веса.

Обратите внимание на то, как это было сделано. Физики взяли на себя труд найти компромиссное решение, и это было победой химиков. С другой стороны, химики признали логичным, что в качестве стандарта всем надо взять один изотоп, и это было победой физиков.

И так как стандарт, который ныне принят, является пока самым точным, то выиграли от этого все.

Вот так и надо решать все дела в мире.

7. Четные берут верх

Недавно меня попросили написать статью о применении радиоактивных изотопов в промышленности. Когда я писал, мне стало как-то грустно оттого, что приходилось иметь дело только с практическим использованием изотопов.

В изотопах есть много такого, что не находит применения на практике, но о чем стоило бы поговорить.

Путь, по которому термин «изотоп» вошел в научный лексикон, был довольно извилистым. За два тысячелетия большинство элементов было выделено и идентифицировано. В 1869 году русский химик Д. И. Менделеев расположил известные элементы в порядке возрастания атомного веса и показал, что можно составить таблицу, в которой элементы (в указанном порядке) располагаются так, что вещества, имеющие близкие свойства, попадают в одну колонку.

К 1900 году периодическая таблица стала святыней химиков. Каждый элемент имел свое место в таблице, и почти все клетки в ней были заполнены. Правда, были еще и пустые места, но это уже никого не беспокоило, так как все знали, что список известных элементов неполон. Со временем химики уверились в том, что каждое свободное место в таблице займет вновь открытый элемент. И они не ошиблись. Последний «пробел» был заполнен в 1948 году, а список элементов, известных Менделееву, был продолжен. В настоящее время известно 103 различных элемента[5].

Однако после 1900 года возникло серьезное противоречие. Среди радиоактивных продуктов распада урана и тория были найдены вещества, которые по правилам XIX века следовало бы отнести к новым элементам, так как их свойства не были похожи на свойства ни одного из других элементов… но места для них в периодической таблице не оказалось.

Тогда несколько ученых решили помещать сразу по два, а то и по три элемента в одну клетку таблицы. В 1913 году английский физик Фредерик Содди предложил назвать такие элементы изотопами, что в переводе с греческого означает «то же место».

Последующие открытия реабилитировали периодическую таблицу. Английский физик Эрнест Резефорд уже в 1906 году показал, что атом состоит из крохотной центральной части, содержащей положительно заряженные протоны, и сравнительно большой внешней области, где обращаются отрицательно заряженные электроны. Число протонов в центре равно числу электронов на периферии, и так как величина положительного электрического заряда протона (произвольно принятая за +1) в точности равна величине электрического заряда электрона (которая, естественно, равна –1), то атом в целом электрически нейтрален.

Следующий шаг сделал молодой английский физик Генри Гвин-Джефрис Мозли. Изучая длину волн рентгеновского излучения различных элементов, он сделал вывод, что общий положительный заряд ядра каждого элемента имеет характерную величину. Она была названа атомным номером.

Например, атом хрома имеет ядро с положительным зарядом 24, атом марганца — ядро с положительным зарядом 25, атом железа — 26. Теперь можно сказать, что эти элементы имеют атомные номера 24, 25, 26. Далее, раз положительный заряд точно соответствует числу протонов в ядре, то каждый из этих трех элементов имеет соответственно по 24, 25 и 26 протонов в ядре, вокруг которого вращаются 24, 25 и 26 электронов.

В XIX столетии считали, что все атомы элемента тождественны. Это было лишь предположение, но оно лучше всего объясняло тот факт, что все образцы элемента имеют одинаковые химические свойства и одинаковый атомный вес.

Та же точка зрения господствовала и во времена, когда атомы считались твердыми, неделимыми, похожими один на другой шариками.

Но в XX веке такое объяснение уже никак не вязалось с новыми представлениями, согласно которым атомы — это сложные сочетания мельчайших частиц.

Обработка результатов рентгеновского анализа показала, что атомный номер элемента сообразуется с общей для каждого элемента закономерностью, то есть все его атомы имеют одинаковое число протонов в ядре, а следовательно, и одинаковое число электронов в наружных слоях. В период с 20-го по 30-й годы было доказано, что химические свойства элемента зависят от числа электронов в атоме и, следовательно, все атомы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами. На первых порах такое объяснение удовлетворяло всех.

Что касается атомного веса, дело обстояло не так просто. С самого начала возникновения теории атомного ядра было известно, что, кроме протонов, в ядре должны быть какие-то другие частицы. Например, ядро атома водорода легче ядер атомов всех прочих элементов, и оно несет положительный заряд, равный 1. Поэтому было естественно предположить, что ядро атома водорода состоит из одного-единственного протона. Атомный вес водорода принято было считать равным единице еще задолго до того, как решился вопрос о строении атома, и это оказалось вполне обоснованным.

С другой стороны, атомный вес гелия считался равным 4, так как было известно, что его ядро в 4 раза массивнее ядра атома водорода. Невольно напрашивался вывод, что в ядре гелия должно быть четыре протона. Однако его атомный номер, определяемый положительным зарядом ядра, был равен всего двум, а это в свою очередь наталкивало на мысль, что в ядре должно быть всего два протона.