Фундаментальная радиохимия

Будем исходить из того, что эмпирические свидетельства в пользу реальности атомов известны читателю и он помнит, что именно химия XIX века установила атомное строение вещества и открыла физикам перспективы микроскопического описания природы на основе статистических методов.

В 1922 г., как уже было указано выше, Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, в соответствии с которой он представляет собой положительно заряженное ядро (размеры атомных ядер характеризуются порядком величины ~10–¹²см), окруженное электронами, электростатически уравновешивающими заряд ядра. В целом размеры атомов имеют порядок величины – 10–⁸ см. Масса электронов незначительна, поэтому без большой погрешности принято считать, что массы атомов и их ядер численно совпадают.

По современным представлениям в состав ядер входят протоны и нейтроны (их часто объединяют общим названием нуклоны). Если ядро включает Z протонов и N нейтронов, то общее число нуклонов A называют массовым числом: A = Z + N; оно представляет собой целое число, близкое к значению точной массы ядра, выраженной в атомных единицах массы.

Таким образом, атомное ядро однозначно определяется символом ^AZ. Принадлежность атома тому или иному химическому элементу задается числом Z, которое будучи равным числу протонов в ядре, совпадает с атомным номером в периодической таблице элементов. В то же время для нейтрального атома Z соответствует числу электронов, входящих в его состав. Недостаток или избыток электронов по сравнению с Z превращает атом соответственно в положительно или отрицательно заряженный ион.

Z принимает значения натурального ряда чисел и для естественных (природных) элементов находится в пределах 1<Z<92 (от водорода до урана), что соответствует 92-м клеткам таблицы Менделеева. Ядра с одинаковым значением Z могут включать различное число нейтронов N. В связи с этим одному и тому же элементу (который задается числом Z) может соответствовать некий «набор» атомов, масса которых в известной степени различна из-за несовпадения чисел N. Эти разновидности атомов называют изотопами. Таким образом, любой элемент как некое единство атомов, которым соответствует одно и то же число Z, на самом деле характеризуется «ассортиментом» изотопов. Доля каждого из них в составе того или иного природного элемента постоянна и не зависит от места нахождения этого элемента в природе ² (по крайней мере в изученных пределах). Впрочем существуют элементы (их среди всех природных насчитывается 18, т.е. 20% всего элементного разнообразия), атомы которых представлены единственным изотопом. Это, например, золото, иод, иттрий, марганец, фтор, фосфор. В это же время олово имеет самое большое число природных изотопов, десять; у самария их – девять и т.д.

Атомы, ядра которых имеют одинаковое массовое число A, называют изобарами. Для существующих в природе ядер число A имеет значения, заключенные в интервале 1<A<238. Левая граница соответствует ядру “легкого” изотопа водорода, каковым является протон, а правая соответствует “тяжелому” природному изотопу урана.

Наряду с понятиями элемент, изотоп и изобар в ядерной физике и смежных науках широко используется термин нуклид*. Это общее название атомных ядер, которые характеризуются определенным числом нейтронов и протонов. Таким образом, все существующее многообразие ядер Э (Z< N) называется нуклидами, среди которых следует различать изотопы (нуклиды с одинаковым значением Z) и изобары (нуклиды с одинаковым значением суммы Z + N); несколько реже используется понятие изотоны (нуклиды с одинаковым значением N). При этом надо иметь в виду следующее:

(1) общее количество известных нуклидов превышает число изотопов, изотонов и изобар вместе взятых;

(2) общее количество известных нуклидов гораздо больше числа элементов, включаемых в современную периодическую таблицу;

(3) некоторые нуклиды являются радиоактивными; в общем случае их называют радионуклидами; если необходимо подчеркнуть, что данный радионуклид является ядром атома конкретного элемента, то его называют радиоактивным изотопом (радиоизотопом) этого элемента; элемент, все естественные (природные) изотопы которого радиоактивны, называется радиоактивным элементом (радиоэлементом).

Таким образом, к радиоактивным элементам, строго говоря, следует относить только элементы конца периодической системы, начиная с полония (№ 84). При этом элементы от полония до урана встречаются в природных условиях, а все трансурановые, начиная с 1940 года, синтезированы искусственно с помощью ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов (читатель может пока не вдаваться в суть функционирования упомянутых устройств, это будет обсуждено позже).

Кроме этого нужно сделать еще три дополнительных разъяснения: