атом-пых ядер? Как уже говорилось в § 4, из теории относительности вытекает связь между массой и энергией, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = тс2. Из этого уравнения следует, что каждому изменению массы должно отвечать и соответствующее изменение энергии. Если при образовании атомных ядер происходит заметное уменьшение массы, это значит, что одновременно выделяется огромное количество энергии.

Дефект массы при образовании ядра атома гелия составляет 0,03 а. е. м., а при образовании 1 моля атомов гелия — 0,03 г — = 3• 10-5 кг. Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению 3- 10~5(3-108)2 = 2,7-1012 Дж энергии. Чтобы составить себе представление о колоссальной величине этой энергии, достаточно указать, что она примерно равна той энергии, которую может дать в течение часа электростанция, равная по мощности Днепрогэсу.

Величина энергии, выделяющейся при образовании данного ядра из протонов и нейтронов, называется энергией связи ядра и характеризует его устойчивость: чем больше величина выделившейся энергии, тем устойчивее ядро.

Ядра всех атомов данного элемента имеют одинаковый заряд, т. е. содержат одинаковое число протонов. Но число нейтронов в ядрах этих атомов может быть различным. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов (а значит, и разным массовым числом), называют изотопами*. Так, природный хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами 35 и 37, магний — из трех изотопов с массовыми числами 24, 25 и 26.

Для обозначения изотопов пользуются обычными символами соответствующих элементов, добавляя к ним слева вверху индекс, указывающий массовое число изотопа. Так, изотопы хлора обозначают 35С1 и 37С1, изотопы магния—24Mg, 25Mg и 26Mg и т. д. При необходимости слева внизу ставят индекс, указывающий порядковый номер (заряд ядра) изотопа, например ^Cl, n>Mg и т. д.

В настоящее время изучен состав всех изотопов природных химических элементов. Установлено, что, как правило, каждый элемент представляет собой совокупность нескольких изотопов. Именно этим объясняются значительные отклонения атомных масс многих элементов от целочисленных величин. Так, природный хлор иа 75,53 % состоит из изотопа 35С1 и на 24,47 % из изотопа 37С1; в результате средняя атомная масса хлора равна 35,453.

* От греческих слов «изос» — одинаковый и «топос» — место.

Выше говорилось, что химические свойства изотопов тождественны. Это значит, что если и существует некоторое различие между изотопами в отношении их химических свойств, то оно так

мало, что практически не обнаруживается. Исключение составляют изотопы водорода *Н и 2Н. Вследствие огромной относительной разницы в их атомных массах (масса атома одного изотопа вдвое больше массы атома другого изотопа) свойства этих изотопов заметно различаются. Изотоп водорода с массовым числом 2 называют дейтерием и обозначают символом D. Дейтерий содержится в обычном водороде в количестве около 0,017 %. Известен также радиоактивный изотоп водорода 3Н — тритий (период полураспада около 12 лет), получаемый только искусственным путем; его обозначают символом Т.

Открытие изотопов потребовало пересмотра понятия химический элемент. Поэтому Международная комиссия по атомным весам в 1923 г. постановила считать, что химический элемент определяется атомным порядковым номером и может состоять как из одинаковых, так и из различных по массе атомов.

Таким образом, химический элемент — это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра.

Изотопные индикаторы. При изучении механизма химических и биологических процессов широко используют так называемые изотопные индикаторы, или «меченые атомы». Применение их основано на том, что при химических превращениях можно проследить пути перехода интересующего нас элемента, измерив концентрацию одного из его изотопов в каком-либо из взятых для реакции веществ. Так как все изотопы одного и того же элемента ведут себя при химических реакциях практически тождественно, то по изменению состава изотопов данного элемента в тех или иных продуктах реакции можно проследить, куда именно он перешел.

Так, применение тяжелого изотопа кислорода lsO при изучении процесса усвоения диоксида углерода растениями (для опытов пользовались диоксидом углерода и водой, обогащенными 180) показало, что процесс идет согласно схемам, в которых изотоп 180 отмечен звездочкой:

6С02+12Н26 —> С0Н12О8 + 6Н20 + 602

6С02+12Н20 —> С6Н12б8 + 6Н2б + 602

Таким образом было установлено, что возвращаемый растениями в атмосферу кислород целиком берется из воды, а не из диоксида углерода.

36. Радиоактивные элементы и их распад. Явление радиоактивности уже было кратко рассмотрено в § 20. Используя понятие об изотопах, можно дать более строгое определение этому явлению: радиоактивностью называется самопроизвольное превращение не-устойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или яде