Валерий Чолаков
Нобеловите награди (12) (Учени и открития (1901–1982))

Изотопите

В 1903 г. английският изследовател от новозеландски произход Ърнест Ръдърфорд, заедно със своя сътрудник Фредерик Соди, предложи теория за радиоактивното разпадане на елементите. Тя свързваше тези превръщания с алфа– и бета-лъчите, две от съставките на естествената радиоактивност, идентифицирани и наименовани от Ръдърфорд през 1899 г.

Изследвайки тези лъчи, английският учен установи, че алфа-лъчите са хелиеви ядра, а бета-лъчите — поток от електрони. В съответствие с това при отделянето на алфа-лъчи се образува елемент, стоящ на две клетки вляво в периодичната таблица, а при бета-разпадане — елемент, стоящ на една клетка вдясно. Подробните изследвания показаха, че природните радиоактивни елементи претърпяват серия разпадания и пораждат цяла група нови елементи. Работите на Ръдърфорд значително стимулираха развитието на тази нова област в науката и това му донесе Нобеловата награда по химия за 1908 г. По този повод големият учен разказваше, че от всички превръщания, които е наблюдавал, неговото собствено превръщане от физик в химик е най-неочакваното.

Решението да се даде тази награда на физик бе взето след съвместно обсъждане на въпроса от Нобеловите комитети по физика и химия. Експертите стигнаха до извода, че този резултат е по-важен за химията, тъй като показва възможността за превръщане на атомите — старата мечта на алхимиците. Това е един от многото примери в историята на Нобеловите награди, когато изследванията на един учен не се вместват в рамките на традиционното разделяне на науките.

В края на първото десетилетие на нашия век от изследванията върху радиоактивното разпадане се натрупаха редица интересни факти, които промениха схващането за химически елемент. Това понятие бе утвърдено през 19 век, когато се смяташе, че всички атоми на дадено вещество са еднакви и неделими. След като физиците откриха, че атомите на един елемент могат да се разпадат, по-нататък се установи, че те невинаги са еднакви.

При разпадането на различните радиоактивни атоми се образува цяло семейство нови елементи, произлизащи от тях. Установено бе, че някои от тези вещества дотолкова си приличат, че не могат да се разделят химически. Този въпрос бе разгледан от Фредерик Соди, сътрудника на Ръдърфорд от Макгилския университет в Монреал, където бе формулирана теорията за радиоактивното разпадане. Всъщност именно Соди и независимо от него К. Файанс уточниха правилото за преместването — вляво на периодичната таблица при алфа-разпадане и вдясно — при бета-разпадане.

Фредерик Соди показа, че атомите на един и същ елемент, имайки еднакъв електричен заряд на ядрата си, могат да бъдат с различна маса. Тъй като те имат еднакви химични свойства и заемат едно и също място в периодичната таблица, Соди ги нарече с гръцкото име изотопи. Две години преди това, в 1911 г., Ръдърфорд бе предложил своя планетарен модел за атома, според който около централното ядро, по определени орбити, обикалят електрони. Този модел предполагаше наличието на електрони и в самото ядро, които да неутрализират част от протоните. 20 години по-късно, когато бе открит неутронът, теорията за изотопите придоби съвсем прост и елегантен вид. Атомите на един химически елемент имат определен брой протони в ядрото и същия брой електрони, обикалящи около него. Те обаче, могат да се различават по броя на неутроните в ядрото и оттам идват известни разлики в атомното тегло, които почти не се отразяват на химическите свойства. Както казва самият Фредерик Соди, изотопите са еднакви отвън, но различни отвътре. Този оригинален английски изследовател, с големи приноси в изследването на атомите, стана Нобелов лауреат по химия за 1921 г.

Съгласно устава на Нобеловата фондация, връчването на наградата може да се забави с една година. Точно така постъпиха в 1921 година. Новият лауреат бе обявен едва на следващата година и награждаването на Соди съвпадна с награждаването на един друг английски физик — Френсис Астън, който създаде метод за разделяне на изотопите.

Химическата еднаквост на изотопите е причина те да останат незабелязани за химиците и да внасят дълго време объркване в изучаването на химическите елементи. Още в 1815 г. англичанинът Уилиам Праут изказа оригиналната хипотеза, че атомите на всички елементи са изградени от водородни атоми. Той беше забелязал, че атомните тегла на елементите са приблизително кратни на теглото на водорода, което може да се приеме за единица. Няколко десетилетия по-късно обаче точността на измерванията значително се повиши. Берцелиус, Стас и други известни химици установиха, че атомните тегла не са цели числа. Например теглото на хлора е 35,5 и тъй като не може да се допусне, че той е изграден от 35,5 атома водород, забележителната догадка на Праут бе отхвърлена.

Дълго време се смяташе, че след обширните изследвания на Стас през 60-те години на миналия век няма какво повече да се добави към въпроса за атомните тегла. Оказа се обаче, че неговата методика не е била достатъчно съвършена. Към края на миналия век американският химик Теодор Уилиам Ричардс се зае да определя атомни тегла, използвайки много по-чисти вещества и реактиви, и ревизира числените стойности за редица елементи. За тези резултати той бе удостоен с Нобеловата награда по химия за 1914 г., която му бе връчена една година по-късно. Данните на Ричардс се оказаха особено важни при изучаването на изотопите.

Разкриването на строежа на атома даде възможност да се обясни защо атомните тегла на химическите елементи не са цели числа. Очевидно в ядрото не може да има половин протон и цифрата след десетичния знак всъщност показва, че природното вещество е смес от изотопи с различни атомни тегла. След като изотопите бяха разделени, наистина се оказа, че техните атомни тегла се изразяват с цели числа, показващи общия брой на протоните и неутроните в ядрото.

Пионер в създаването на методи за разделяне на изотопите е Френсис Астън. В 1913 г. той предложи метода на газовата дифузия. Макар и химически еднакви, изотопите се различават по своята маса, което влияе върху скоростта на дифузия и някои други физикохимични характеристики. Това обстоятелство се използва днес в химичната технология за извличане на радиоактивни изотопи, необходими за атомната енергетика.

Голямото откритие на Астън обаче е електромагнитният метод за разделяне на изотопите. Той се базира на простата идея, че електрическо или магнитно поле ще отклоняват йонизирани атоми в различна степен в зависимост от тяхното тегло. В 1919 г. Астън създаде първия си мас-спектрограф. В него сноп от йони преминаваше между плочи на кондензатор, отклонявайки се от електричното поле, след това през електромагнит, създаващ магнитно поле, и накрая падаше върху фотоплака, върху която се записваше т.нар. мас-спектър. Този прибор предизвика революция в изследването на изотопите, тъй като тяхното разделяне бе сведено до съвсем проста лабораторна операция. Това откритие донесе на Френсис Астън Нобеловата награда по химия за 1922 г.

От изследванията на Астън се стигна до едно доста интересно откритие, като любопитното в случая е, че причини за това бяха не особено точните резултати, получени с първите мас-спектрографи. През 1929 г. Джиок и Джонстън откриха, че кислородът има изотопи. Това бе голям удар за цялата химия, тъй като атомните и молекулните тегла се измерваха с т.нар. кислородни единици, представляващи 1/16 от теглото на кислорода. Наложи се да се внесат поправки в числените стойности и се оказа, че водородът има различно атомно тегло, в зависимост от това, дали се определя по химичен път или по метода на Астън. Зароди се съмнението, че водородът също има изотопи.

С този въпрос се зае младият американски изследовател Харолд Юри. В началото на 30-те години той по теоретичен път доказа, че ако се изпарява течен водород при ниска температура, в оставащата течност ще се увеличава количеството на предполагаемия тежък водород. Действително по време на експериментите, които предприе по-късно, Юри успя, изпарявайки 4 литра водород, да получи няколко кубически сантиметра от тежкия му изотоп.

Ако към един елемент с голямо атомно тегло се добави неутрон, новият изотоп практически няма да се различава от първоначалния. Но ако към елемент с тегло единица се прибави неутрон, теглото се удвоява и тази разлика вече може да се улови със средствата на химията. И наистина Харолд Юри показа, че тежкият водород, наречен от него деутерий, значително се различава от обикновения водород. Продължавайки теоретичните си изследвания, той установи, че при електролиза на водата в течния остатък ще се натрупва т.нар. тежка вода. Тя е съединение на деутерия с кислорода. Е. Уошбърн от Бюрото за стандарти във Вашингтон създаде ефикасна техника за получаване на тежък водород, а известният химик Джилбърт Нютън Луис пръв успя да получи чиста тежка вода.

За откриването на тежкия водород деутерий Харолд Юри получи Нобеловата награда по химия за 1934 г. Комичното в този случай е, че тъкмо тогава Астън ревизира своите данни от мас-спектрографията на водорода. Разликата с химическите данни не бе толкова голяма, че да налага допускането на изотопи за този елемент. Това е интересен пример как една грешка в науката може да ускори едно откритие.