稳定核的种类

稳定核的种类

索迪发现的同位素只包括放射性原子，然而他的发现也立刻引起了人们对非放射性原子的猜测。早在1905年，美国化学家博尔特伍德（Bertram Borden Boltwood，1870—1927)就注意到铀矿中似乎总含有铅，他想知道铅是否也并非放射性蜕变的最终产物。随着研究工作的不断深入，情况就变得明朗了。这就是说，尽管铅是非放射性元素，它还是与放射性紧密相关的。

通常，放射性原子改变其原子量的一种方法是放出α粒子。β粒子对原子量的影响不大，而γ射线则根本没有影响。每放出一个α粒子，原子量就减少4。这就意味着，如果原生的放射性原子，其原子量能被4整除，那么它的所有中间产物都毫无例外地具有能被4整除的原子量——就像最终生成的铅原子那样。钍232，这个仅有的长寿命钍同位素，也具有能被4整除的原子量（232=58×4)。随着其蜕变的进行，它总共会失去总原子量为24的6个α粒子，剩下的核的原子量为208。失去这6个α粒子也会使钍232总共失去12个正电荷；然而，放出4个β粒子会恢复4个正电荷。这样，净失去的正电荷为8。

钍的原子序数为90，失去8个正电荷会产生原子序数为82的原子，它就是铅。考虑到失去的原子量为24，因此你可以看到，钍232蜕变的最终产物是铅208，它不是放射性的，而是稳定的。因而，地球上总是，而且也总会存在一定数量的铅208。

好了，现在我们再来看看铀238。它的原子量除以4时余数为2（238=59×4＋2)。如果它也通过放出α粒子损失原子量，那么它所有的中间产物和最终产物具有的原子量除以4时也会余2。每个铀238原子蜕变时会失去8个α粒子和6个β粒子，最终生成铅206。

最后是铀235，它的原子量除以4时余数为3（235=58×4＋3)，它的所有中间产物和最终产物也一样。每个铀235原子蜕变时会放出7个α粒子和4个β粒子，最终生成铅207。（还有第4类原子，这类原子的原子量除以4时余数为1，我们以后再对它进行讨论。)

现在我们有了3种不同的铅同位素：铅206、铅207和铅208。它们都是稳定的，并具有铅的常见性质。那么，如果它们中间有一种其性质与放射性无关，应该是哪一种呢？

假定我们从铅的原子量的角度加以考虑。在自然界中发现的、存在于肯定不具有放射性的矿石中的铅，其原子量为207.19。这中间各种稳定的同位素总是以一个固定的比例出现，那么这个数字会不会只是一个平均原子量呢？（因为所有不同的地质变化过程都取决于各种矿石的化学性质，人们可以根据化学性质来区分不同的元素，但却不能用来区分同位素，因而始终只能让这些同位素按相同的比例完全混合在一起。)

现在让我们来测试一下这个比例。假如你有一块富含铀的矿石。除了矿石中原来已存在的铅以外，你会发现铅206和铅207的量会恒定而缓慢地增加，使得在这一矿石中测出的铅的原子量比非放射性矿石中测出的铅的原子量小。富含钍的矿石中铅208的含量会稳定而缓慢地增加，使其中所含铅的原子量比非放射性矿石中所含铅的原子量大。

1914年，理查兹从各种不同的放射性矿石中测出了铅的原子量。他发现，钍矿石中铅的原子量高达207.9，而铀矿石中则只有206.01。

就在这一年，原子序数已经替代了原子量成为周期表的基础，人们突然开始明白，原来原子量根本不是基础。它们也许仅仅是同位素重量（质量数)的平均值，而原子序数可能要有意义得多。

当然，铅同位素是通过放射性蜕变得到的，也许这只是一种特殊情况。那些与放射性没有任何关系的元素又会是什么样的呢？即便是在理查兹的发现确切证明铅同位素的存在之前，对这一点已经存在暗示了。

假定我们来研究正射线，它们是带正电荷的原子流，拥有的电子数比正常情况少。（有时正射线不含电子，仅由裸核组成。)如果将这些正射线粒子放入电磁场中，它们的运动轨迹就会偏离其正常运动时的直线轨迹。偏转的程度取决于粒子所带电荷和它们的质量。如果我们研究的元素其原子被移去相同的电子数，那么组成射线的所有粒子都具有相同的正电荷。因此，如果我们看到射线轨迹的曲率有任何偏差，那肯定是由于粒子的质量不同造成的——也就是原子量的不同而造成的。

假设在一个装有氖气的管子中，所有氖原子都带有相同的正电荷，而且所有的原子都具有相同的原子量（自从原子理论创立以来这种说法一直是被公认的)，那么它们均会沿着相同的轨迹偏转。如果在高速粒子经过的途中放置一张照相底片，则它们全都会撞击在底片的同一个地方，形成一个模糊的小点。

1912年，J·J·汤姆孙进行了这样的实验，他发现，氖离子确实在底片预计的位置附近形成了模糊的小点；然而，在非常靠近该点的位置还存在第二个很不明显的小点。这第二个点所在的位置应该是原子量为22的原子预期所在的位置。没有一种预期的原子会具有这个原子量。不过J·J·汤姆孙提出，如果每10个氖原子中，有9个的质量为20，有1个为22，那么其平均重量为20.2，这与测出的地球上存在的氖的原子量很接近。换句话说，氖这种与放射性过程完全无关的原子可能是由两种同位素组成的：氖20和氖22。这种可能性突然打开了一种全新的核结构观。

就在原子理论尚处于早期的1815年，英国化学家普劳特（William Prout，1785—1850)就已经提出（由于这种想法对他来讲也太出格了，以至于他不敢将它与自己的名字搭上关系，所以这种观点是匿名提出的)，所有原子都是由氢原子组成的。原子量就是这样确定的，而且好像都是整数。也就是说，氢是1，碳是12，氧是16，硫是32等等。普劳特提出，碳原子是由12个氢原子紧密相连而成的，氧原子由16个氢原子组成，硫原子由32个氢原子组成，以此类推。

这种提法在作者的身份被查明之后就被称为普劳特假说。然而，由于人们能愈来愈精确地确定原子量，结果发现它们根本不是整数或接近整数，所以这种假说始终未被确立。例如，氯的原子量是35.456，铜是63.54，铁是55.85，镁是24.31，汞是200.59，等等。

如果普劳特的假说是事实，那将使原子理论非常非常完美，因为它既简单又明了。然而，实际的观测结果已经使这个假说被放弃了整整一个世纪。现在这个问题又突然成了要考虑的首要问题。

如果所有不是整数的原子量都是各种不同同位素质量数的简单平均值——质量数确是整数，那结果又将如何呢？如果真是这样，原子量也许只在进行化学计算时有用，而在考虑核结构时有用的恐怕是同位素的质量数了。

1919年，J·J·汤姆孙的一个学生、英国化学家阿斯顿（Francis William Aston，1877—1945)发明了一种仪器，他把它称为质谱仪。这种仪器能使具有相同电荷和质量的带电离子，在照相底片上形成一条很细的线。用这种方法，可将出现的同位素变成许多间距很近的可见的暗线。根据每根线所在的位置，可以计算出每种同位素的质量数，线的明暗程度则表示该同位素的相对含量。这些结果与J·J·汤姆孙用其不太完善的仪器测得的那些结果相比就精确多了。

采用这种质谱仪就能清晰地探测到氖20和氖22对应的线条——最终还看到了一条暗淡的对应于氖21的线。现在我们已经知道，每1 000个氖原子中，有大约909个是氖20，88个是氖22，并有3个是氖21。这三种同位素都是稳定的，按照氖的给定的三种同位素的质量数得出的平均值恰好与自然界中发现的氖的原子量值相同，即其原子量为20.18。阿斯顿因使用他发明的质谱仪取得上述研究成果而荣获了1922年的诺贝尔奖。

当然，通过对其他一些元素的试验，人们发现它们大多数都由几种同位素组成。例如，氯由两种同位素组成：氯35和氯37。每1 000个氯原子中有755个是氯35，有245个是氯37，它们的质量数的平均值恰好等于存在于自然界中的氯的原子量。（这个平均值并不完全符合测得的原子量，因为正如我们将要看到的那样，质量数也并非完全是整数。)

有时候一种同位素会以压倒多数出现。例如，每1 000个碳原子中，有989个是碳12，只有11个是碳13。每1 000个氮原子中，有996个是氮14，只有4个是氮15。每1 000个氢原子中，有999个是氢1，只有1个是氢2。每100万个氦原子中，除了1个之外几乎全部是氦4，剩下的那个是氦3。在上述这些情况下，原子量接近整数。

1919年，美国化学家吉奥克（William Francis Giauque，1895—1982)发现，每10 000个氧原子中，有9976个是氧16，20个是氧18，4个是氧17。这一发现的重要意义在于从柏齐力乌斯的时代起，氧一直被当作原子量的标准，它的原子量被定为精确等于16.000 0。但是，现在我们知道这仅仅是一个平均值，不同的样品之间可能会有微小的变化。因此，1961年，物理学家和化学家正式同意，将原子质量数定为标准，而不再以元素原子量作为标准。碳12的质量数被定为12.000 0，这使老的原子量只发生了很微小的变化。例如，氧的原子量不再是16.000 0，而是15.999 4。

有些原子在自然界中只以一种类型出现。因此，自然界中所有的氟原子，其质量数均为19，所有的钠原子均为23，所有的铝原子均为27，所有的钴原子均为59，所有的金原子均为197，等等。对于这些情况，许多物理学家都相信，同位素这个词对它们不适用。同位素的意思是指周期表的同一格中至少有两种不同类型的原子。说一种元素具有一个同位素就像是说一对父母有一对双胞胎子女一样。因此，1947年，美国化学家科曼（Truman Paul Kohman，1916—2010)提出用核素这个术语来代替同位素。这是一个非常好的术语，但是，由于同位素这个术语的地位已经根深蒂固，以至于无法被取代了。

至少具有一种稳定同位素的元素共有81种。这些元素中要算原子序数为83的铋最为复杂了，而最重的稳定原子便是铋209。

原子序数大于83或原子量大于209的原子都不是稳定原子。地球上存在的较重的原子只有铀238、铀235^[1]和钍232，虽然它们为放射性原子，但都具有很长的寿命。

分布在81种元素中的稳定同位素的总数为272种，如果平均分配的话每种元素都会有3或4种同位素。当然，它们并非平均分配的。原子序数为偶数的元素具有的同位素数量通常大于平均数。如原子序数为50的锡，具有创纪录的10种稳定同位素，它们的质量数分别为：112、114、115、116、117、118、119、120、122和124。

原子序数为奇数的元素通常只具有1或2种稳定同位素。有19种元素（除了一种以外，全都是原子序数为奇数的元素)是由单个稳定同位素组成的。唯一例外的元素就是原子序数为偶数的铍（原子序数为4)，它也具有单个稳定同位素铍9。

你也许会感到纳闷，如果说原子序数为82（铅)和83（铋)的元素都具有同位素的话，为什么只有81种元素具有稳定同位素呢？显然，在元素周期表中1至83之间必定有2种元素不具有同位素，事实就是如此。原子序数为43和61的元素（两者的原子序数均为奇数)都没有任何稳定或接近稳定的同位素。20世纪20年代，经过许多人的努力寻找，偶尔会有人报告说已从某种矿石中将它们分离出来了，但所有这些报告最终都被证明是错误的。直至科学家们掌握了在实验室中生成地球本身几乎不存在的核之前，这两种元素都没有被真正分离出来。（这方面的内容我们将在后面讨论。)

另一种特殊物质是钾（原子序数为19)，它是自然界中唯一原子序数为奇数而拥有2种以上同位素的元素。它有3种同位素，其质量数分别为39、40和41。然而，这3种同位素中，钾40在每10 000个钾原子中只占1个。

早在1912年，哈恩就已经指出，钾似乎具有弱放射性，最终人们发现这仅限于钾40。钾40的寿命很长，其半衰期为13亿年，比铀235还长。地球上最初形成的钾40如今只剩下不到1/10。然而，由于钾是一种在地球的矿石中存在非常普遍的元素，即使每10 000个钾原子中只有一个是钾40，存在于矿石中的钾40也比铀238和铀235加起来的总和还要多。

如果真是这样，那么为什么没有在发现铀的放射性之前先发现钾的放射性呢？答案是这样的：首先，铀放出的是高能α粒子，而钾40放出的只是微弱得多的β粒子。其次，铀的蜕变会产生一系列的中间产物，其中每一种中间产物的放射性都比铀本身强。而另一方面，钾40却直接蜕变成一种稳定同位素氩40。

在那些我们已经列出的稳定同位素中，钾40并非唯一接近稳定的同位素。另外还有大约12种其他类似的同位素，其半衰期都比钾40长得多，甚至比钍232更长。由于它们的寿命太长，因此只能勉强测出它们的放射性。例如，钒50的半衰期约为6×10¹⁴年，相当于铀238的130 000倍；钕154的半衰期约为5×10¹⁵年，等等。这些原子序数小于钍（90)的接近稳定的同位素，没有一种会生成一系列的蜕变产物。所有这些同位素，除了一种以外，全都放出一个β粒子并变成稳定同位素。这个例外就是钐147，它放出一个α粒子并变成稳定的钕143。

同位素的质量数都非常接近整数这一事实很容易使人想到核是由更小的粒子组成的（就像普劳特提出的那样)，在核内也许只能发现很少几种不同的粒子。用这种方法来简化自然界的前景是非常诱人的。在20世纪20年代，物理学家一直在致力于揭开原子核结构的秘密。

【注释】

[1]原文为铀232，有误。——译者