В этот день, 107 лет назад Фредериком Содди был впервые предложен термин "изотоп".

Ну, или его дальней родственницей Маргарет Тодд ☢
18 февраля 1913 года английский радиохимик Фредерик Содди предложил миру окончательное объяснение явления, которое до тех пор считалось необъяснимым: при изучении атомов различных элементов оказалось, что некоторые из них обладают одинаковыми химическими свойствами, но при этом имеют различное физическое поведение и различный атомный вес. При этом получалось, что в существовавшая уже на тот момент периодическая таблица элементов Менделеева попросту не имела места, куда бы эти элементы можно было "воткнуть" - нарушалась сама суть системы таблицы.
Двадцатидвухлетний Содди после окончания с отличием университета в Оксфорде на свой страх и риск поплыл через океан,
чтобы занять освобождающееся место профессора университета в
Торонто. Вакансия оказалась занятой, и волею случая Содди стал
ассистентом Резерфорда - того самого, который предложил планетарную модель атома, состоящую из ядра и электронных орбит. Того самого, который провел знаменитый эксперимент по обнаружению ядер атомов - он обстреливал лист золотой фольги электронами, и часть из них проходила насквозь, а часть рикошетила или отражалась. Это происходило из-за того, что часть отрицательно заряженных электронов сталкивалась с положительными ядрами и "отскакивала".
Итак, Резерфорд вместе с Содди начали изучать явление радиоактивности с точки зрения нового строения атома. Ученые пришли к поразительному заключению: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу и атом
другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от
исходного. Образовавшийся при распаде атом также может оказаться радиоактивным и испытать дальнейший распад. Это очень
смахивало на утверждение алхимиков о возможности превращения
элементов, поэтому в Монреале у некоторых коллег физиков были опасения, надо ли публиковать новые идеи, которые могут подорвать научный престиж недавно образованного университета.
Опытную проверку гипотезы радиоактивного распада осуществили Содди и физик Рамзай без участия Резерфорда в 1903 году. Они собирали в стеклянную трубку газообразный радий и, пропуская
через нее электрический разряд, наблюдали характерный спектр
нового элемента, который позднее Резерфорд назвал радоном.
Постепенно этот спектр слабел, а вместо него все более отчетливо
проступал спектр гелия. Так природа радиоактивного распада была окончательно подтверждена. Много лет спустя очевидцы эксперимента с волнением вспоминали, что для физика и химика видеть воочию, как один элемент превращается в другой, равносильно тому, как если бы зоолог наяву увидел превращение кошки в собаку.
С точки зрения гипотезы радиоактивного распада стало понятным, почему радий всегда встречается вместе с ураном: он является продуктом его распада. Далее, если радий получается как продукт распада урана, радий порождает радон, последний распадается еще дальше, то должны существовать целые радиоактивные семейства, у которых есть первый элемент (радиоактивный) и последний (стабильный).
Все последующее десятилетие было посвящено поискам этих радиоактивных семейств, распутыванию последовательности распадов в них, измерению скоростей распада и т. д. К 1913 году в
природе было обнаружено около 40 радиоактивных веществ, образующих три радиоактивных семейства, начинающихся соответственно с урана-238, урана-235 и тория-232. Природные радиоэлементы, образующие радиоактивные семейства, первоначально рассматривались при их изучении как самостоятельные элементы.
Однако при дальнейшем изучении оказалось, что большинство
новых членов рядов были не новыми элементами, подобно полонию, радию и актинию, а были химически не различимы с ранее известными элементами. Например, все попытки отделить мезоторий от радия химическими методами кончались неудачно. Так, радий D оказался химически подобным свинцу, ионий – непосредственный предшественник радия – подобен торию и т. д. Сначала казалось,
что сложившаяся ситуация полностью нарушает Периодический
закон Менделеева. К 1910 году Содди понял, что радиоактивный
распад порождает не просто аналогичные элементы, а полностью
эквивалентные.
Это поставило ученых в тупик. Уже был подтвержден планетарный состав атома, а также и то, что все атомы имеют одинаковый заряд ядра и количество электронов равняется количество протонов, что создает в целом нейтральный заряд атома.
Многие историки полагают, что слово «изотоп» подсказала
Содди его дальняя родственница Маргарет Тодд. Она была одной из
первых женщин, которые поступили в военно-медицинскую школу
в Эдинбурге после экзаменов, введенных Королевским обществом
врачей и открывших для женщин Шотландии профессию хирурга. У Маргарет был веселый нрав, она написала популярный роман под мужским псевдонимом. "Вы нуждаетесь в хорошем греческом термине, попробуйте слово изотоп", – сказала она Содди.
Содди разработал теорию, что у изотопов одного элемента ядро имеет одинаковый заряд, но разную массу, однако экспериментально подтвердить это не успел. Проверкой занялись английские физики Джозеф Томсон и Уильям Астон. На установке, которую они в шутку называли "сферической сливной трубой" Томсон и Астон измеряли соотношение между зарядом и массой для пучка положительно заряженных частиц. Томсон, изучая фотографии положительных лучей
некоторых газов, среди других парабол увидел яркую параболу неона с атомной массой 20. Рядом с этой параболой всегда обнаруживалась парабола с атомной массой 22. Тогда Томсон еще не знал, что химический элемент может иметь изотопы, и сделал вывод, что имеет дело с новым элементом, который они назвали метанеон.
Чтобы понять природу обнаруженной добавки, Астон разработал несколько методик, пытаясь выделить новый элемент. Вначале Астон безрезультативно пытался отделить неон от его «тяжелого родственника» путем многократной фракционной дистилляции, осуществляемой на угле из кокосового ореха, охлаждаемом жидким воздухом. После нескольких месяцев изнурительной работы путем многократного повторения процесса атмолиза Астону, наконец, удалось получить две фракции неона, удельные веса которых отличались на 0,7%. Этого оказалось достаточно, чтобы заметить изменение в яркости обеих линий на фото.
В сентябре 1913 года на съезде Британской ассоциации содействия наукам Астон сделал доклад «Новая элементарная составляющая атмосферы». Он пошел дальше осторожного Томсона и достаточно уверенно рассуждал о двух разновидностях атомов неона, одинаковых «во всех своих свойствах, исключая атомный вес». Позднее экспериментально вместе с Резерфордом и Нильсом Бором было подтверждено, что на вес являет количество нейтральных нейтронов в ядре - они не изменяли заряд атома, но прибавляли ему массу. При этом химические свойства элемента не отличались, так они определяются строением электронной оболочки, а в случае изотопов она не меняется.
На 2017 год открыто 3437 изотопов различных элементов, из которых 252 - стабильны. Да, большинство изотопов из-за тяжести своего ядра "разваливаются", поэтому изотопы нерадиоактивных элементов могут претерпевать радиоактивный распад - некоторые из них живут всего долю секунды. Именно в этом и заключается опасно изотопов. Кроме того, так как по химическим свойствам они неотличимы от своих стабильных родственных элементов, они могут создавать точно такие же соединения. Например, достаточна известна тяжелая и сверхтяжелая вода - это вода, в которой атомы водорода заменены на его изотопы дейтерий и тритий соответственно. По химическим свойствам такая вода не отличается от реальной, а вот по физическим - очень даже. Интересно, что те, кто пробовал ее на вкус, уверенно отмечают: тяжелая вода - сладкая!