атомного номера? Почему элементы-гиганты имеют атомную массу, кратную четырем?
Но — и от этого никуда не деться — ответы на вопросы, начинающиеся с «почему», в науке ценятся гораздо выше, чем ответы на вопросы, начинающиеся с «как». Именно поэтому я не могу сказать, что в проблеме распространенности химических элементов мы проделали хотя бы половину работы. Если не все, то, во всяком случае, очень многое еще впереди.
Делись на 4 без остатка…
Об избытке производимой в наше время научной информации говорят нынче все. Действительно, информации становится многовато. И, несомненно, часть ее избыточна, а стало быть, вредна.
Проблема избыточной информации уже успела выплеснуться на страницы научно-популярной, научно-художественной, а подчас и просто художественной периодики. А недавно в одной из статей некий журналист-максималист с категоричностью, выдающей его молодость, предложил упразднить… названия химических элементов:
«Разве, говоря о химических элементах и их соединениях, не достаточно ограничиться указанием на порядковый номер химического элемента? Разве, отметив, что речь идет, например, об элементе № 8, мы тем самым однозначно не определили, что это кислород? Зачем же эта возня с названиями? Тем более, что вредный обычай присваивать химическим элементам названия подчас приводит к размолвкам в среде ученых. Вот я и предлагаю: давайте оставим за химическими элементами только номера, упразднив названия. Право, информации в выражении «соединение элемента № 11 с элементом № 17» ничуть не меньше, чем в выражении «хлористый натрий».
Наш журналист, в общем, не очень оригинален. Пишут, что в Нью-Йорке подавляющее большинство улиц обозначается номерами. Что ж, давайте перенесем этот обычай к нам, и тогда в погожий весенний вечер юноша, стоя с любимой на улице 13 угол 26-й, будет ей жарко нашептывать:
«Моя дорогая, любимая! Люблю тебя безумно!»
И услышит в ответ:
«Зачем столько лишних слов? Сказав «люблю», зачем еще говорить «любимая»? И потом, если «любимая», то, следовательно, и «дорогая» — к чему же повторения?! А «безумно» — тут не только избыточная, но и вовсе неверная информация, ведь ты в здравом уме. Если же считать, что… Но куда же ты, Миша?»
Да, не всегда избыточная информация — лишняя…
И тем не менее здравый смысл в заключениях автора есть.
Порядковый номер действительно полностью определяет, о каком химическом элементе идет речь. Уточним: важно здесь то, что, как известно всем, порядковый номер соответствует числу протонов в ядре атома химического элемента. Сказав: «атомное ядро этого элемента содержит 17 протонов», мы тем самым дали понять, что речь идет о хлоре, потому что у хлора, и только у него, в ядре атома насчитывается 17 протонов; ибо 16 протонов — это ядро атома серы, а 18 — аргона.
Сведения о числе протонов в атомном ядре не представляют сколько-нибудь явной информации о массовом числе элемента. В ядре, в состав которого входит 17 протонов, может содержаться еще, например, 18 нейтронов, а может быть, и все 20. Разница большая!
В первом случае элемент будет иметь атомную массу 35, а во втором — 37. Кстати, а какую атомную массу имеет хлор, ведь речь идет именно о нем? Таблица свидетельствует, что атомная масса этого элемента равная 35,46.
Эта обескураживающая дробность могла бы навести на мысль, что в ядре атома хлора содержится 18,46 нейтрона. Но, во-первых, мы знаем, что нейтрон и пополам-то разделить нельзя, не то что на сотые доли. А во-вторых, к чему притворное удивление — и так всем известно, в чем дело. Природный хлор состоит из двух изотопов: хлор-35 (тот, у которого в ядре атома 18 нейтронов) и хлор-37 (тот, у которого в ядре атома 20 нейтронов). Соотношение же между хлором-35 и хлором-37 таково, что приводит к средней атомной массе 35,5. Кстати, каждый пятиклассник, знакомый с правилом пропорций, может подсчитать, исходя из средней атомной массы хлора, что в природных соединениях этого элемента содержится 75,5 % хлора-35 и, стало быть, 24,5 % хлора-37.
Вряд ли стоит напоминать, что количество протонов в атомном ядре полностью определяет строение электронной оболочки и, следовательно, химические свойства элемента. Таким образом, в химическом отношении разные изотопы одного элемента неразличимы.
Да, конечно, весь этот разговор был затеян для того, чтобы читатель вспомнил, что такое изотопы. Потому что наш рассказ о распространенности химических элементов должен свестись к распространенности изотопов. Это будет более правильный подход, который сулит больше шансов на успех, чем «глобальное» рассмотрение.
Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь нескольких изотопов: двух (например, уже упоминавшийся хлор, который состоит из изотопов с массовыми числами 35 и 37), трех (например, кислород, который образован изотопами 16, 17, 18), а нередко и больше. Например, то, что мы называем одним словом «кальций», в действительности представляет целый выводок изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. Рекорд многочисленности принадлежит олову — под этим названием объединяется целый десяток изотопов с массовыми числами от 112 по 124.
А теперь можно набросать канву — в подражание Феликсу Кривину — басни в прозе. Кислород, подбоченясь, презрительно бросает трудяге-алюминию:
— Ты, братец, посторонись, много тут вас, мелкопоместных!
— А кто же вы будете, ваше высокоблагородие? — робея, спрашивает алюминий.
— Я кислород! Кислород-17! — высокомерно и напыщенно заявляет гордец.
И алюминий, которого подводит его необразованность, униженно отступает на обочину, не ведая, что содержание этого кислорода-17 в земной коре по сравнению с алюминием не просто незначительно, а и вовсе ничтожно.
Мораль басни ясна: неверно говорить о распространенности химического элемента вообще — надо учитывать содержание в земной коре каждого из изотопов в отдельности.
Для того чтобы установить закономерности распространения в земной коре изотопов, займемся поначалу игрой «чет-нечет». Учтем, что число протонов в ядре атома может быть либо четным, либо нечетным. То же можно сказать и о числе нейтронов. Отсюда следует, что по классификации «чет-нечет» возможны четыре типа ядер, которые для наглядности сведем в табличку:
Разложим все известные нам изотопы по полочкам. И сразу выяснится прелюбопытное обстоятельство. Полка I («чет-чет») забита, что называется, доверху, изотопа лишнего приткнуть некуда. Полки III и IV заставлены совсем свободно, а вот полка II, считайте, совсем пуста: какие-то жалкие 4 изотопа, которые не сразу-то и заметишь.
Итак, природе особенно любы атомы, ядра которых содержат четные числа протонов и нейтронов. К противоположной комбинации («нечет-нечет») природа относится с нескрываемым отвращением. Но природа, как верховный судья, обязана быть беспристрастной. И если она отошла от этого принципа, открыто отдав симпатии типу ядер «чет-чет», надо полагать, у нее на это имеются серьезные основания.
Попробуем ввести классификацию изотопов по другому признаку. Признак этот на первый взгляд может показаться несколько искусственным. Но раньше я предупреждал, что нам придется еще говорить о делимости массовых чисел на 4,— речь сейчас идет именно об этом признаке.
Не надо вспоминать очень несложное правило делимости на 4, чтобы догадаться: в этой системе классификации может быть четыре типа изотопов. К первому из них относятся изотопы, чьи массовые числа делятся на 4 без остатка. Примерами могут служить кислород-16 или кремний-28. Назовем этот тип «4p». Изотопы, массовые числа которых при делении на 4 будут давать в остатке 1, обозначим 4p+1
