Юрий Фиалков - Как там у вас, на Бета-Лире?
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 (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…
