Открытие изотопов
Сейчас таблица элементов много полнее, чем в те времена, когда Д. И. Менделееву надо было разобраться в сложной картине природы и написать первый проект таблицы.
Как мы уже говорили, каждая клетка под определенным номером занята одним химическим элементом. Однако физики показали, что в действительности дело обстоит сложнее. Так, в клетке № 17, судя по химическим свойствам, имеется один только атом газа хлора с маленьким ядром и семнадцатью электронами, которые, подобно планетам, окружают его со всех сторон. А между тем физики указывают, что хлора два: один потяжелее, другой полегче. Но так как пропорция их везде одинакова, то и средний вес всегда равен 35, 46.
А вот другой пример. Хорошо знакомая нам клетка № 30 занята цинком. Но и здесь физики показывают, что цинки есть разные, одни более тяжелые, другие более легкие, всего шесть разных сортов. Таким образом, оказывается, что хотя каждая клетка содержит один химический элемент с определенными природными свойствами, но сортов, или «изотопов», этого элемента бывает несколько. В иных случаях один, а в других — даже десять.
Конечно, это страшно заинтересовало геохимиков. Почему же все изотопы встречаются в строго определенных количествах, почему не бывает в одном месте больше тяжелого, а в другом легкого элемента? Химики принялись за энергичную работу по проверке этого факта. Они взяли для анализов соли разного происхождения: простую поваренную из моря, из разных озер, каменную соль, соль из Центральной Африки; выделили из каждого сорта соли газ хлор и неожиданно получили для атомного веса одинаковые числа. Взяли даже хлор из камней, падающих с неба, — и здесь состав хлора оказался совершенно таким же. И то, что мы называем атомным весом, не изменялось, откуда бы мы ни брали элемент.
Но недолго продолжалось торжество химиков. Другие исследователи попытались в лаборатории разделить эти тяжелые и легкие изотопы атома. После сложной и долгой перегонки газа хлора удалось получить один газ, состоящий из более легких атомов хлора, а другой — из более тяжелых. Химически оба эти хлора совершенно одинаковы, а вот веса у них различные.
Это открытие изотопов каждого элемента усложнило всю Менделеевскую таблицу. Так это казалось раньше просто — 92 клетки, в каждой клетке по одному химическому элементу. Номер говорит о числе электронов вокруг ядра, все так просто, ясно и определенно! И вдруг оказывается, что это не так!
Вместо одного кислорода — их целых три, и веса их равны точно 15, 16 и 18. Но самое замечательное, что и у водорода три сорта атомов: один с весом 1, второй (дейтерий) — 2, а третий (тритий) — 3. Последнего в природе очень мало, а вот дейтерий оказался необычайно интересным.
Химически это как будто простой водород, но по весу он вдвое тяжелее обычного. На больших заводах, которые разлагают воду при помощи электрического тока, удалось получить чистый дейтерий, а из него — особую воду, в которой вместо легкого водорода — тяжелый. Оказалось, что тяжелая вода обладает особым свойством: она убивает жизнь (очень сильно действует на живые клетки). Словом, «ведет себя» совсем по-особому.
После такой удачи химиков этой же проблемой занялись геохимики по отношению к природным телам. Ведь если в ретортах удалось разделить атомы водорода на разные сорта, то, наверное, это же делает и природа. Только в природе все химические процессы идут так неспокойно, так часто изменяется обстановка природных условий, расплавленных магм в глубинах или на земной поверхности, что вряд ли можно ожидать накопления чистых изотопов, которые удалось получить на фабриках и в институтах. И действительно, оказалось, что в воде морей и океанов немножко больше тяжелой воды, чем в реках и в дожде. Еще больше тяжелой воды содержится в некоторых минералах. Открылся целый новый мир, который раньше не был доступен минералогу и геохимику.
Различие в природе между этими соединениями настолько ничтожно, что нужны самые тонкие методы химического и физического анализа, чтобы суметь его найти.
Миллионные и даже тысячные доли грамма и сантиметра неуловимы для минералога и геохимика, когда он изучает камни, воды и земли окружающей нас природы. Мы можем даже забыть, что кислородов три, что цинков шесть, что калиев два, так ничтожны различия между ними, и скажем откровенно, так еще грубы наши методы исследования.