Изотопы и атомная масса

В периодической таблице у хлора указано около 35.45, но ни один атом хлора не весит 35.45. Каждый из них является либо хлором-35, либо хлором-37.

Один элемент, разные массы

У изотопов одного элемента одинаковое число протонов и электронов, поэтому в реакциях они ведут себя одинаково. Различаются они только нейтронами, а это меняет их массу. Водород показывает это наглядно. У обычного водорода нейтрона нет вовсе. У дейтерия он один, и дейтерий примерно вдвое тяжелее. У трития их два, и он радиоактивен. По измерениям NIST, 99.9885% природного водорода составляет обычный водород, а 0.0115% дейтерий.

Откуда берётся 35.45

Атомная масса, напечатанная в периодической таблице, является средним по всем атомам этого элемента, встречающимся в природе, с учётом того, насколько распространён каждый изотоп. Массы измеряют в атомных единицах массы, где один атом углерода-12 равен ровно 12. Для хлора NIST даёт хлору-35 массу 34.969 и долю 75.76%, а хлору-37 массу 36.966 и долю 24.24%.

Умножь каждую массу на её долю и сложи: 34.969 × 0.7576 + 36.966 × 0.2424 ≈ 26.49 + 8.96 ≈ 35.45. Поскольку три из четырёх атомов хлора относятся к более лёгкому виду, среднее гораздо ближе к 35, чем к 37. Такой же расчёт для углерода, 12 × 0.9893 + 13.003 × 0.0107, даёт около 12.011, поэтому у углерода указано чуть больше 12.

Заметь, что массы изотопов близки к целым числам, но не равны им точно. Массовое число хлора-35 равно 35, это просто сумма 17 протонов и 18 нейтронов, но его измеренная масса 34.969. Массовые числа всегда целые, а измеренные массы нет, потому что протоны и нейтроны весят не ровно по 1 единице и часть массы уходит на связывание ядра.

NIST не даёт хлору одну атомную массу. Он даёт интервал от 35.446 до 35.457, потому что доля хлора-37 немного различается в образцах из разных мест. Для повседневной работы химики округляют её до 35.45. Несколько других элементов, в том числе водород и углерод, приводятся с интервалами по той же причине.

Нестабильные изотопы

Некоторые изотопы нестабильны и медленно превращаются в другие элементы, испуская излучение. Углерод-14 один из них. NIST отмечает, что половина любого количества углерода-14 превращается в азот-14 за 5730 лет. Этот постоянный срок называется периодом полураспада. Живые существа всю жизнь поглощают углерод, в том числе крошечную долю углерода-14. После их смерти углерод-14 больше не пополняется, и его доля уменьшается вдвое каждые 5730 лет, поэтому по тому, сколько осталось, археологи узнают возраст кости, семени или старого костра.

Большинство изотопов, которые встречаются, стабильны. Углерод-12 и углерод-13 сами по себе никогда не меняются, как и оба изотопа хлора, обычный водород и дейтерий. Из восьми изотопов в таблице выше (D обозначает дейтерий, T тритий, доли взяты из NIST) радиоактивны только тритий и углерод-14.