Дмитрий Иванович Менделеев

С представлением о составе атомных ядер связана важная проблема, поставленная периодической системой. В этой системе мы встречаем, во-первых, порядковое число, правильно вырастающее на единицу при переходе от клетки к соседней, следующей клетке. Во-вторых, мы встречаем атомный вес, характеризующий элемент, находящийся в каждой клетке. Атомный вес также растет, но он растет не так правильно, как порядковый номер элемента. Это отношение между порядковым числом (номером) и атомным весом разъяснилось в 30-е годы нашего столетия, когда были открыты электрически незаряженные частицы — нейтроны — и выяснилось, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют примерно одинаковую массу (равную, естественно, массе атомного ядра водорода, так как ядро водорода— это протон). Эту массу можно принять за единицу. Тогда масса ядра каждого атома, например, кислорода (атомный номер 8), равна 16. В тяжелых же ядрах, например, в ядре ртути (атомный номер 80, масса, или, точнее, массовое число, 200) на 80 протонов приходится 120 нейтронов. Таким образом, массовое число равно числу нейтронов и протонов вместе в данном ядре. Это дает нам ответ на вопрос о параллельном возрастании порядковых номеров и атомных весов элементов. При данном числе протонов атомные ядра могут обладать в известных пределах различным числом нейтронов. Веса подобных ядер, а значит и атомов, будут различны, но заряд ядра и число электронов, вращающихся вокруг ядра, — одинаковы. Следовательно, химические свойства этих атомов будут также практически совпадать, и мы должны будем поместить их в одну и ту же клетку периодической системы.

Подобные разновидности элементов, состоящие из атомов с одним и тем же числом протонов и различным числом нейтронов в ядре, называются изотопами. Они были впервые открыты у естественно радиоактивных элементов. Дальнейшие исследования показали, что и все обычные устойчивые элементы также являются смесями изотопов. Кислород, например, есть смесь изотопов с массами 16, 17, 18. Кроме обычного водорода, существует еще «тяжелый водород», или дейтерий, с массой 2, который, соединяясь с кислородом, дает «тяжелую воду». Масса атома дейтерия приблизительно вдвое больше массы атома водорода, потому что в ядре дейтерия, так называемом дейтероне, содержится протон плюс нейтрон, а ядро водорода состоит только из одного протона. Дейтерий содержится в обычном водороде в очень небольших количествах, в среднем около 0,02 %.

Природный уран также является смесью различных изотопов. Большую часть смеси составляет тяжелый изотоп, в ядре которого, кроме 92 протонов, имеется 146 нейтронов — всего 238 частиц. Это так называемый уран 238 (U²³⁸). Наряду с ним в природном уране имеется небольшое количество (около 0,7 %) более легкого изотопа, в ядре которого вместе с 92 протонами содержится 143 нейтрона — всего 235 частиц. Этот более легкий изотоп урана называется уран 235 (U²³⁵).