Вид с высоты

Вся беда заключалась в том, что при определении атомных весов приходится танцевать от… эквивалентных весов (во всяком случае, на первых порах). Для определения эквивалентных весов надо работать с двумя элементами, которые легко соединяются. А тут водород непосредственно соединяется всего лишь с несколькими элементами, тогда как кислород — со многими. Поэтому практически в качестве стандарта оказалось удобнее принять кислород, а не водород. Это обстоятельство потребовало внесения некоторых поправок.

В конце-концов, частное от деления атомных весов элементов никогда не равно целому числу. Если принять атомный вес водорода точно за единицу, то атомный вес кислорода не будет равен точно 16; скорее — 15,9. Но раз кислород является элементом, который чаще всего используется при определении эквивалентных весов, то было бы неудобно пользоваться таким числом, как 15,9. Легче принять атомный вес кислорода точно за 16, и тогда атомный вес водорода станет чуть больше единицы (точно 1,008).

Можно назвать это стандартом «О-16». Химики были очень довольны и ничего не имели против до 20-х годов нашего столетия. Но затем опять начались осложнения.

В 1929 году было открыто, что кислород представляет собой смесь трех различных изотопов. Из каждых 100 000 атомов кислорода большинство — 99 759 — имеют атомный вес около 16. Однако 204 атома имеют атомный вес около 18, а остальные 37 — около 17. (Изотопы можно изображать символами О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸.)

Приняв атомный вес кислорода за 16, химики считали, что средний вес трех изотопов равен 16. Самый распространенный изотоп кислорода имеет вес чуть-чуть меньше 16 (точно 15,9956), и массы сравнительно небольшого числа атомов более тяжелых изотопов кислорода как бы подтягивали эту цифру до отметки 16.

Физиков, изучавших строение ядра, в большей степени интересовали отдельные изотопы, а не произвольное сочетание изотопов в одном элементе. И логика была на их стороне, потому что масса отдельного изотопа, насколько известно, абсолютно постоянна, в то время как средняя масса атомов элемента слегка колеблется при очень малом изменении смеси в различных условиях.

Теперь мы имеем две шкалы. Первая — «химический атомный вес», на основе стандарта «O-16», вторая — «физический атомный вес», на основе стандарта «O¹⁶-16».

По шкале химических атомных весов атомный вес кислорода равен 16,000; по шкале физических атомных весов более тяжелые изотопы кислорода увеличивают средний вес до 16,0044. Естественно, атомные веса всех других элементов должны соответственно измениться, — у каждого элемента атомный вес по физической шкале будет на 0,027 процента выше, чем по химической шкале. Таким образом, химический атомный вес водорода равен 1,0080, а физический — 1,0083.

Разница небольшая, но все же неточность есть. Химикам и физикам не следовало доводить дело до таких разногласий. Хотя логика была не на стороне химиков, они не соглашались отказаться от своих прежних показателей, боясь путаницы при внесении поправок в уйму расчетов, которые основывались на старых химических атомных весах и были запечатлены в химической литературе.

И тут-то физикам пришло в голову, что, пользуясь стандартом «О¹⁶-16», они слепо следуют за предвзятым мнением химиков, давно уже потерявшим какую-либо ценность. Единственной причиной, почему кислород использовался в качестве стандарта, было то, что с его помощью легко определялись эквивалентные веса.

Но физикам не было дела до эквивалентных весов, поскольку они ими не пользовались. Физики определяли массы заряженных атомов, пропуская их через магнитное поле известной силы и измеряя эффект, который получался при прохождении этих атомов.

Для этих целей выбор атомов кислорода в качестве стандарта был не совсем удачен. Было бы удобнее пользоваться атомами углерода. Масса самого распространенного изотопа углерода, С¹², была определена более точно, чем масса любого другого изотопа. Тем более что С¹² имел массу, равную 12,003803 по физической шкале, а по химической шкале — почти точно 12.

Почему бы тогда не принять шкалу «С¹²-12»? Она столь же логична, как и шкала «O¹⁶-16». Более того, шкала «С¹²-12» была бы почти такой же, как и химическая шкала «О-16».

В 1961 году Международный союз теоретической и прикладной физики выпустил своего рода указ, узаконивший новую шкалу. Масса С¹² была принята точно за 12,000000 (при этом было допущено понижение на 0,033 %). Естественно, что значения масс всех других изотопов уменьшились соответственно на такой же процент, и шкала «С¹²-12» оказалась немного ниже шкалы «О-16».

Таким образом, химические атомные веса водорода и кислорода, равные 1,0080 и 16,0000 соответственно, по новой физической шкале стали равны 1,00797 и 15,9994 соответственно.

Теперь разница между химической и старой физической шкалами составляла только 0,003 процента.