Изотопы. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Разнообразные изотопы химических элементов (как стабильные, так и радиоактивные) нашли широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях.

В данной главе будет рассмотрено явление изотопии, свойства некоторых наиболее практически важных изотопов и области их применения. Основное внимание будет уделено радионуклидам, используемым в методе меченых атомов, в том числе — в биохимических исследованиях.

Явление изотопии

Изотопия — явление существования изотопов.

В зависимости от состава ядра атомы можно группировать различным образом. Атомы с разным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым общим числом частиц (нуклонов) в ядре СA=Const) называются изобарами, с одинаковым числом нейтронов (N=Const) — изотонами и с одинаковым числом протонов (Z= Const) — изотопами. В качестве общего названия для всех атомов, отличающихся составом ядра, применяется термин нуклид. Число нуклонов в ядре (A=N+Z) называется массовым числом, т.к. оно равно округленному до целого числа значению массы атома изотопа (в кислородной или углеродной шкале атомных весов).

Химические свойства атомов, определяющие принадлежность атома к конкретному элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома. Место химического элемента в периодической системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома, т. е. числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Сумма полного числа протонов Z и нейтронов N в ядре (протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, называются общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А = Z + N называется массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный дипольный момент, электрический квадрупольный момент ядра и некоторые другие его свойства. Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также называются изотопами. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.

Анализ соотношений между числами нейтронов и протонов для различных изотопов одного и того же элемента показывает, что ядра стабильных изотопов и радиоактивных изотопов, устойчивых по отношению к Р-распаду, содержат на каждый протон не менее одного нейтрона. Исключение из этого правила составляют лишь два нуклида — ‘Ни зНе. По мере перехода к всё более тяжёлым ядрам отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре растёт и достигает 1,6 для урана.

Элементы с нечётным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах чётное, и, следовательно, массовое число А — нечётное. Большинство элементов с чётным Z имеет несколько стабильных изотопов, из которых не более двух с нечётным А. Наибольшее число изотопов (ю) имеет олово, 9 изотопов — у ксенона, 8 — у кадмия и теллура.

Некоторые элементы вообще не имеют стабильных изотопов, все их изотопы радиоактивны. Например, у элементов с Z = 43 и 61 нет стабильных изотопов. В принципе они могли бы иметь один или два устойчивых вида атомов. Однако соседние с технецием и прометием элементы (молибден и рутений, неодим и самарий) представлены в природе большим числом изотопов в широком диапазоне А. Согласно правилу изобаров, вероятные значения А для Z = 43 и 61 оказываются «запрещёнными». Когда изотопы технеция и прометия были синтезированы, то выяснилось, что большинство из них характеризуются невысокой продолжительностью жизни. Подобное поведение объясняет правило Й. Маттауха: если два изобара отличаются по величинам Z на 1, то один из них должен быть нестабильным. Например, в паре изобаров 4°Аг-4°К, изотоп **°К радиоактивен.

В природной смеси изотопов химического элемента разные изотопы содержатся в различных количествах. Химические элементы состоят или из одного нуклида или из смеси двух или более изотопов в известных неизменных соотношениях. Например, природный хлор в свободном и в связанном состоянии всегда состоит из смеси 75,4% хлора-35 и 24,6% хлора-37 (^что Даёт атомную массу 35,457) — Число атомов данного изотопа, выраженное в процентах к общему числу атомов всех изотопов химического элемента, называется относительной распространенностью изотопа. Например, бор состоит из двух стабильных изотопов ^{, 0}В и ^ПВ с распространенностью соответственно 19% и 81%.

Атомную массу элемента, содержащего несколько изотопов, можно рассчитать по формуле:

где а, 6, с — содержания (в %) в «плеяде» изотопов с массовыми числами А_ь Л₂, А₃…, соответственно.

У аргона резко преобладает изотоп с А = 40, тогда как у калия — более лёгкий с А = 39. Такая же картина наблюдается и для других «аномальных пар» (А = 59 — у кобальта и А = 58 — у никеля; А = 130 — у теллура и А = 127 — у йода). По этой причине атомные массы предшествующих элементов в парах оказываются большими, чем последующих.

На заре эволюционного развития Земли, распространенности изотопов различных элементов отличалась от современных. Ещё присутствовали многие радиоактивные изотопы с относительно большими периодами полураспада. Постепенно они превращались в стабильные изотопы других элементов, благодаря чему изменялось их содержание в рядах генетически связанных радионуклидов. Сохранились лишь «первичные» ²3²Th, и ²35U, но и их земные ресурсы за миллиарды лет уменьшились. Если бы они не были столь долгоживущи ми, то ныне отсутствовали бы и «вторичные» элементы, изотопы которых составляют радиоактивные «семейства». В таком случае естественной верхней границей периодической системы оказался бы висмут с Z = 83.

Для нуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада, например, для изотопов свинца, различное содержание изотопов в разных образцах обусловлено разным первоначальным содержанием их родоначальников (U или Th) и разным геологическим возрастом образцов.

Все стабильные изотопы на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдалённые времена, и их распространённость зависит от свойств ядер и от первоначальных условий, в которых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается значительным изменениям в химических и физических процессах, протекающих на Земле. Однако небольшие колебания в распространённости изотопов всё же наблюдаются для лёгких элементов, у которых различие в массах атомов изотопов относительно велико. Эти колебания обусловлены изменением изотопного состава элементов, происходящим в результате диффузии, изменения агрегатного состояния вещества, при химических реакциях и других процессах, непрерывно протекающих в атмосфере и земной коре. Изменение изотопного состава элементов, интенсивно мигрирующих в биосфере (Н, С, N, О, S), связано и с деятельностью живых организмов.

Единство образования тел Солнечной системы позволяет думать, что изотопный состав элементов земных образцов характерен для всей Солнечной системы в целом (при наличии некоторых колебаний). Метеоры и глубокие слои земной коры имеют примерно одинаковое отношение ^{, 6}0/^{, 8}0. Астрофизические исследования обнаруживают отклонения изотопного состава элементов, составляющих звёздное вещество и межзвёздную среду, от земного. Например, для углеродных Д-звёзд отношение ¹²С/‘зС изменяется от 44−5 до земного значения.

Изучение физико-химических свойств элементов, обогащенных различными изотопами, составляет содержание физики и химии изотопов.