(пример: хлор-37). Очевидно, что, помимо этих типов, возможны еще два: 4p+2 (например, азот-14) и, наконец, 4p+3 (алюминий-27).
Справедливости ради отмечу, что существует несколько изотопов, которые не подпадают под эту систему классификации. Это те, массовое число которых меньше четырех, то есть в данном случае они вообще состоят лишь из одного «остатка». Изотопов этих очень немного, и можно было бы вообще о них не вспоминать, если бы в их число не попадал такой важный, как можно об этом догадаться, водород-1 («обычный» водород в отличие от тяжелого водорода с массовым числом 2 — дейтерия).
Прежде всего бросается в глаза, что в тех случаях, когда какой-либо химический элемент состоит из смеси нескольких изотопов, то всегда (за очень редкими исключениями, которые только подчеркивают справедливость общего правила) абсолютно преобладающим будет изотоп типа 4p.
Примеры, подтверждающие это правило, можно отыскать, ткнув наугад в таблицу Менделеева. Куда попали мы пальцем? Клетка № 8, кислород. Уже упоминалось, что этот элемент состоит из трех изотопов: 16, 17 и 18. Так вот, кислорода-16 (тип 4p) в природном кислороде и всех его соединениях содержится 99,76 %. Стоит ли теперь приводить жалкие величины содержания остальных изотопов кислорода?
У кальция шесть изотопов, которые перечислялись раньше. На долю кальция-40 (4p!) приходится 96,9 %. Как видим, остальные пять изотопов должны довольствоваться малым, очень малым…
Конечно, очень хотелось бы вести повествование таким образом, чтобы каждый раз подводить читателя к каким-то неожиданным выводам, непрерывно читателя удивляя, а то и поражая. Удивление, конечно, хорошо, но на нем одном в науке не выедешь. Надобно еще и размышление. Все приведенные факты предназначались обосновать вывод: большинство атомов, из которых состоит земная кора, относится к типу 4p.
Да, 75 % земной коры «делится без остатка на 4». Вывод после всего сказанного о преобладании изотопов типа 4p не неожиданный, а все-таки удивительный. Чем объяснить пока что совершенно непонятную склонность природы к числу 4? Влечение тем более загадочное, что эти 75 % выглядят совсем уж внушительно на фоне жалких 0,01 % и 0,05 % (содержание в земной коре типов 4p+1 и 4p+2). Несколько более благополучен тип 4p+3 — его в земной коре 8 %. Этой своей, впрочем, относительной зажиточности тип 4p+3 целиком обязан алюминию, который (атомная масса единственного изотопа алюминия составляет 27) относится к числу наиболее мощных элементов-гигантов. И наконец, 17 % атомов земной коры приходится на долю внеклассификационного водорода.
А ответа на вопрос «почему» все нет. И тянет попытать счастья с другими числами. Скажем, попробовать классифицировать изотопы по признаку делимости на 8. Или на 16. А может быть, что-нибудь интересное получится, если в качестве делителя взять «счастливое» число 7? Или «несчастливое» 13? Если продолжать игру, то можно докатиться до подмены объективных законов естествознания игрой в магические числа.
«Магические числа»? Слова эти у меня вырвались нечаянно, но как нельзя более чем кстати. Ведь именно этот термин можно встретить на страницах учебников ядерной физики в разделе, посвященном устойчивости атомных ядер. Там же и приводятся эти «магические числа»: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.
«Магия» в данном случае относится к количеству протонов или нейтронов в ядре атома. Но неужели физика да еще такой современный ее раздел, как учение об атомном ядре, имеет что-либо общее с магией, хиромантией и прочей ложнотаинственной заумью?
«Магическими» физики назвали эти числа потому, что атомные ядра, содержащие названные числа протонов и нейтронов, наиболее устойчивы.
Но, как мы сейчас убедимся, эти числа волшебны и для геохимии. Впрочем, читатель, наверное, уже сам заметил, что наиболее распространенные в земной коре изотопы так или иначе связаны с «магическими числами».
Чемпион чемпионов по распространенности — кислород. Весь встречающийся в земной коре кислород, можно сказать, состоит из изотопа с массовым числом 16.
Но ведь ядро этого изотопа содержит 8 протонов («магическое число») и 8 нейтронов (еще «магическое число»). Серебряный призер распространенности — кремний, атомная масса которого равна 28 — «магическое число»! Достаточно распространенный элемент кальций наиболее богат изотопом 40 — снова дважды «магическое число» (2x20).
На этот раз мы окончательно прекращаем манипулировать с числами, не то у читателя и впрямь может возникнуть представление, что все учение о законах распространенности химических элементов в земной коре сводится к числовым комбинациям.
А ведь с помощью манипуляций с числами, как известно, можно предсказать (и предсказывали!) что угодно: начало мировой войны, землетрясение в Исламбаде, пришествие антихриста и рождение очередного Наполеона.
Но как бы то ни было, из всего сказанного с очевидностью вытекает, что распространенность химического элемента связана со свойствами атомного ядра. И поэтому геохимик, пытаясь получить ответ на вопрос «почему», без услуг физики, ядерной физики, обойтись никак не может.
Брать быка за рога…
Частицы, составляющие атомное ядро, стягивают в одно целое ядерные силы — физики это установили давно. Научились они и подсчитывать величину энергии связи. А узнав общую величину энергии связи, совсем просто подсчитать долю энергии, приходящуюся на одну частицу, — удельную энергию связи частиц в ядре.
В сущности, эта новая для нас характеристика атомного ядра описывает стабильность химического элемента: понятно, что чем удельная энергия связи больше, тем устойчивее этот химический элемент. Устойчивость… распространенность… Согласитесь, что между этими словами что-то общее есть, несомненно есть…
Впрочем, если бы мы захотели уловить какую-либо закономерность между удельной энергией связи и зарядом ядра химического элемента, то были бы столь же обескуражены, как и в случае распространенности. «Как и в случае распространенности»… Нет, не случайно мы соединили эти два слова — устойчивость и распространенность!
Но теперь, наученные горьким опытом, не будем преждевременно сокрушаться по поводу отсутствия строгих закономерностей. Потому что мы очень скоро установим, что, как и в случае распространенности, наибольшей энергией связи характеризуются кислород, кремний, кальций, железо… Все те же элементы- гиганты! Случайное совпадение? Но проблема случайного в природе уже обсуждалась, и вывод был как будто бы определенным. А раз так, то сопоставим распространенность и удельную энергию связи (устойчивость) повнимательнее.
Да, несомненно, самые устойчивые химические элементы наиболее распространены в земной коре. Правда, здесь не все понятно. И самое главное: почему наибольшей энергией связи характеризуется железо, а более всего в земной коре все же кислорода?
Что ж, запомним эту особенность железа. Запомним и в будущем постараемся в ней разобраться.
Приученный уже относиться к числу 4 с настороженностью, читатель несомненно заметит, что изотопы, находящиеся на зубцах графика, все, без исключения, принадлежат к типу 4p. В самом деле, каждый из изотопов типа 4p обладает удельной энергией связи заметно большей, чем его соседи. Взять хотя бы кислород, слева от которого в периодической системе стоит азот, а справа — фтор. Созерцая эту троицу, можно сказать лишь одно: Гулливер (кислород) среди лилипутов (его соседи). Эта литературная реминисценция вполне оправданна: удельная энергия связи частиц в ядрах азота и фтора впятеро меньше, чем у кислорода.
Можно было бы, конечно, позавидовать счастливцу кислороду: у него, дескать, и распространенность наибольшая, и удельная энергия связи гораздо внушительнее, чем у других изотопов с близкой атомной массой. Но, впадая в постыдный грех зависти, не совершаем ли мы при этом еще и логическую ошибку? Правильным ли будет замечание: «Везет же артисту Н. — и тенор у него прекрасный, и выигрышную во
