Изотопы
Изотопы - это не только смертоносные вещества, из которых делают бомбы и которыми травят людей. Понятие «изотоп» относится ко многим простым веществам со слегка расширенной порцией субатомных частиц. Изотопы есть в воздухе, которым мы дышим, и в воде, которую пьем. Можно даже (совершенно безопасно) сделать из них тонущий лед.
Лед плавает? Ха! Все атомы одного химического элемента одинаковые — но разные. Возьмем простейшее вещество — водород: у всех атомов этого элемента один протон и один электрон. Атом водорода не был бы атомом водорода, не располагайся у него в ядре один протон. А что, если к этому одинокому протону добавить нейтрон? Останется ли водород водородом?
Нейтроны — недостающий фрагмент головоломки, морочивший голову химикам и физикам вплоть до 1930-х годов. Эти нейтральные частицы никак не влияют на общее равновесие зарядов в атоме, но чувствительно меняют массу атома. Если в ядро водорода добавить два нейтрона, лед будет тонуть.
Тяжелая вода
Если сунуть в атом водорода нейтрон, разница получится ощутимая, ибо для легких атомов это удвоение порции нуклонов. В результате получается «тяжелый водород» — дейтерий (D, или 2Н), и, подобно обычному водороду, атомы дейтерия с атомами кислорода образуют воду. Конечно, вода получается необычная — в нее входит водород с дополнительным нейтроном, то есть это «тяжелая вода» (D2O, а не Н2O), или, точнее, оксид дейтерия. Если взять тяжелую воду — ее легко приобрести в интернете — и заморозить в формочке для льда, а потом бросить в стакан с простой водой, полученный лед утонет! Можете для сравнения добавить в тот же стакан кубик обычного льда и подивиться разнице, которая возникает из-за одной субатомной частицы на атом.
В природе каждый из примерно 6400 атомов водорода наделен дополнительным нейтроном. Есть, впрочем, третий тип, или изотоп, водорода — куда более редкий, и иметь с ним дело в домашних условиях несколько менее безопасно. Тритий — изотоп водорода, в атомах которого содержится по одному протону и по два нейтрона. Тритий нестабилен и, как и другие радиоактивные элементы, претерпевает радиоактивный распад. Его применяют в пусковых механизмах водородных бомб.
Радиоактивность
Часто перед словом «изотоп» стоит слово «радиоактивный», и поэтому может показаться, что все изотопы радиоактивны. Это не так. Как мы только что убедились, существует совершено не радиоактивный, то есть стабильный, изотоп водорода. Также существуют стабильные изотопы углерода, кислорода и других находимых в природе атомов.
Неустойчивые радиоактивные изотопы распадаются, то есть их атомы разлагаются на части — сбрасывают протоны, нейтроны и электроны. В результате их атомное число меняется, и они превращаются в атомы совсем иных химических элементов. Алхимики XVI-XVII веков сочли бы это волшебством — они же и искали пути превращения атомов одних элементов в другие (в идеале — в золото).
Атомы всех радиоактивных элементов распадаются с разной скоростью. Углерод-14, разновидность углерода с 14, а не с 12, как обычно, нейтронами в ядре, безопасен в обращении и без всяких специальных предосторожностей. Если взвесить грамм углерода-14 и оставить образец на подоконнике, ждать распада придется долго: на распад примерно половины атомов этого образца потребуется 5700 лет. Такая мера времени жизни — или скорости разложения — именуется периодом полураспада. У полония-214, напротив, период полураспада составляет одну тысячную секунды, а это значит, что в какой-нибудь параллельной действительности, где вам разрешат отмерить грамм радиоактивного полония, вы его даже до подоконника не донесете — он уже напрочь распадется.
Бывший русский шпион Александр Литвиненко и, возможно, палестинский лидер Ясер Арафат были убиты более стабильным изотопом полония, который распадается за несколько дней, а не за несколько секунд, но все равно смертоносен. В человеческом теле радиоактивное излучение, испускаемое при распаде полония-210, раздирает клетки и причиняет боли, недомогания и отказ иммунной системы. Расследуя эти смерти, ученые выискивали продукты распада полония, поскольку атомов самого полония не остается ни одного.
Назад в будущее
Радиоактивные изотопы могут быть смертоносны, однако они же в силах помочь нам понять наше прошлое. У углерода-14, который мы бросили потихоньку распадаться на подоконнике, есть парочка способов применения в науке: во-первых, радиоуглеродная датировка ископаемых окаменелостей, а во-вторых, получение сведений о климате прошлого. Поскольку мы уже знаем, сколько времени требуется радиоактивным изотопам на распад, ученые умеют устанавливать возраст ископаемых предметов, мертвых животных и древнего воздуха, сохранившегося во льдах, анализируя количества различных изотопов. Любое животное за жизнь вдыхает небольшие количества естественно существующего углерода-14, входящего в состав диоксида углерода. Усвоение этого изотопа прекращается со смертью животного, и углерод-14 у него в организме начинает распадаться. Поскольку ученые знают, что период полураспада углерода-14 — 5700 лет, они могут вычислить, когда это окаменелое животное умерло.
«Редкое открытие в химии оказывает столь сильное влияние на мысль в столь многих областях человеческой жизни» Арне Вестгрен (1889-1975), шведский кристаллограф, материаловед, на вручении Нобелевской премии по химии Уилларду Либби за открытие радиоуглеродного анализа
Когда в ледяных шапках или ледниках, замерзших тысячелетия назад, бурят отверстия, мы получаем готовую шкалу времени атмосферных изменений, основанную на составе содержащихся во льдах изотопов. Подобные наблюдения за прошлым нашей планеты могут позволить нам предсказать, что случится с Землей в грядущем, поскольку содержание диоксида углерода продолжает меняться.
Недостающие нейтроны
Открытие нейтронов физиком Джеймзом Чедвиком [Чэдуиком], который далее продолжил работать над созданием атомной бомбы, объяснило докучливую неувязку с массой атомов. Прежде было очевидно, что атомы тяжелее, чем должны быть. Чедвик считал, что атом никак не может столько весить, если у него в ядре одни лишь протоны. Словно атомы элементов отправляются на каникулы с чемоданами, набитыми кирпичами. Только кирпичей этих найти никто не мог. Наставник Чедвика, Эрнест Резерфорд, убедил его, что атомы втихаря таскают при себе какие-то субатомные частицы. В 1920 году Резерфорд назвал эти незаряженные двойники нейтронами. Но Чедвик искал отчетливое подтверждение своей теории аж до 1932 года. Он обнаружил, что, если бомбардировать серебристый металл бериллий радиоактивным излучением полония, можно заставить атомы бериллия испускать незаряженные субатомные частицы - нейтроны.
Виды радиоактивного излучения
Альфа-излучение - поток ядер, состоящих из двух протонов и двух нейтронов, что отвечает составу ядра атома гелия. Это слабое излучение, защититься от него можно и листком бумаги. Бета-излучение - поток быстрых электронов, оно способно проникнуть под кожу человека. Гамма- излучение - электромагнитная энергия, подобная свету, отгородиться от него можно толстым слоем свинца. Гамма-излучение очень вредоносно; интенсивным гамма- излучением уничтожают раковые опухоли.