Стабильные изотопы как индикаторы геохимических процессов

Изотопы (от изо... и греч. tópos – место) – разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов.

Химические свойства атомов, то есть принадлежность атома к тому или иному химическому 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 или, что то же самое, 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 определенных пределах. Например, в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется 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 называются изотопами. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.

Массовое число изотопа приводится сверху слева от химического символа элемента. Например, изотопы гелия обозначаются: 3He, 4He, 6He, 8He. Более развернутые обозначения: 12Не3, 22He4, 42Не6, 62He8, где нижний индекс указывает число протонов Z, верхний левый индекс – число нейтронов N, а верхний правый – массовое число. При обозначении изотопа без применения символа элемента массовое число А дается после наименования элемента: гелий-3, гелий-4 и т.п.

Массы атомов М, выраженные в атомных единицах массы, лишь немного отличаются от целых чисел. Поэтому разность М – А всегда правильная дробь, по абсолютной величине меньше 1/2, и таким образом массовое число А есть ближайшее к массе атома М целое число. Знание массы атома определяет полную энергию E связи всех нуклонов в ядре. Эта энергия выражается соотношением E = DMc2, где с – скорость света в вакууме, DМ – разность между суммарной массой всех входящих в ядро нуклонов в свободном состоянии и массой ядра, которая равна массе нейтрального атома без массы всех электронов.

Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского ученого Ф. Содди, стали называть изотопами.

После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. В 1913 г. английский физик Дж. Томсон обнаружил изотоп у неона. Разработанный им метод парабол позволял определить отношение массы иона к его заряду по отклонению в параллельно направленных электрическом и магнитном полях тонкого пучка положительных ионов, получаемых в высоковольтном электрическом разряде. Наряду с атомами 20Ne Томсон наблюдал небольшую примесь более тяжелых атомов. Однако убедительных доказательств того, что вторая компонента более тяжелых атомов является изотопом неона, получено не было.

Лишь с помощью первого масс-спектрографа, построенного в 1919 английским физиком Ф. Астоном, были получены надежные доказательства существования двух изотопов, 20Ne и 22Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9%. В дальнейшем был обнаружен изотоп 21Ne с распространенностью 0,26%, изотопы  хлора, ртути и ряда других элементов.

Примерно к 1940 г. изотопный анализ был осуществлен для всех существующих на Земле элементов. В результате этого были выявлены и идентифицированы практически все стабильные и долгоживущие радиоактивные изотопы природных элементов.

Будет полезно почитать по теме: