Na tropie izotopów - część 1
Izotopy to nie tylko wspomniana wyżej energetyka czy medycyna. Stały się one potężnym narzędziem badawczym, przy pomocy którego można dokonać rzeczy do niedawna pozostających jedynie w sferze fantastyki. Kiedy zostało upolowane zwierzę, którego kości znaleziono w prehistorycznym palenisku? Jak dawno utworzyła się skała z odciskami liści wymarłych roślin? Ile wynosiła temperatura wód oceanu kilkaset milionów lat temu? Odpowiedzi na te pytania stały się możliwe dzięki poznaniu właściwości izotopów. A to tylko fragment ich współczesnych zastosowań.
Atom wraca do gry
W roku 1808 John Dalton, angielski fizyk, chemik i meteorolog (1), zaproponował, aby interpretować wyniki doświadczeń chemicznych zakładając istnienie atomów: znikomo małych, niezniszczalnych i niezmiennych cząstek, które łączą się ze sobą w określonych proporcjach liczbowych. Atomy wchodzące w skład danego pierwiastka są identyczne, rodzajów atomów jest zaś tyle, ile istnieje pierwiastków. Teoria atomowa od razu wytłumaczyła stałość składu związków chemicznych, niezależnie od ich pochodzenia czy sposobu otrzymywania. Pomysł nie był nowy, liczył sobie z grubsza 2200 lat, a jego autorzy to Leucyp i Demokryt, starożytni greccy filozofowie.
Atomy, których nie można było zobaczyć, miały jednak mierzalną cechę - masę (2). Jej wyznaczenie w czasach Daltona nie było możliwe, a i dzisiaj czynność ta nie należy do najłatwiejszych. Powodem jest fakt, że w jednostkach stosowanych na co dzień (gramy, kilogramy) masy atomów są niezmiernie małymi liczbami. Zresztą chemików, zarówno w XIX wieku, jak i obecnie, bardziej niż masa w kilogramach interesowały wzajemne proporcje mas atomów. Jako wzorzec ("odważnik") wybrano atom najlżejszego pierwiastka - wodoru, którego masę przyjęto jako jednostkę.
W kolejnych latach atomową jednostką masy stała się 1/16 masy atomu tlenu, ponieważ tlen łączy się praktycznie ze wszystkimi pierwiastkami, a ich masy wyznaczano analizując skład tworzonych związków (obecnie jest to 1/12 masy atomu izotopu węgla - 12). Opracowanie względnej skali mas atomowych umożliwiło ustalanie wzorów związków chemicznych i obliczenie ilości substratów potrzebnych do reakcji.
Mimo sukcesów teoria atomowa przez cały wiek XIX miała licznych przeciwników, nawet wśród najsławniejszych uczonych w tym okresie. Powodem było początkowo nierozróżnianie pojęcia atomu i cząsteczki (mówiono np. o atomach wody), a następnie kontrowersje w określeniu wartościowości pierwiastków (wzór wody dość długo zapisywano jako HO - jeden atom wodoru i jeden atom tlenu) i wynikające stąd rozbieżności w wyznaczaniu mas atomowych. Ponadto rosnąca liczba odkrywanych pierwiastków niepokoiła chemików, którzy zadawali sobie pytanie - ile ich naprawdę istnieje?
Czy wszystko zbudowane jest z wodoru?
Niektórzy byli przekonani o złożoności pierwiastków, np. sam sir Humphry Davy twierdził, że w ich skład często wchodzi wodór. Powodem były prawdopodobnie wyniki eksperymentów, podczas których wydzielał się ten gaz. Zazwyczaj badano substancje pochodzenia naturalnego zawierające domieszki o bliżej nieokreślonym rodzaju i ilości. Mogło się zatem zdarzyć, że podczas doświadczeń dochodziło do wydzielania wodoru.
Tropem wyznaczonym przez Davy’ego podążył angielski lekarz William Prout, odkrywca m.in. obecności kwasu solnego w soku żołądkowym (3). W roku 1815 Prout stwierdził, że wszystkie pierwiastki zbudowane są z wodoru, któremu nadał nazwę protyl od greckiego określenia protohyle, czyli materia pierwotna. Był to powrót do jednej z koncepcji budowy materii również rozważanej przez starożytnych greckich filozofów, konkurencyjnej wobec atomizmu. Hipoteza Prouta (o różnicy pomiędzy hipotezą i teorią przeczytaj niżej) opierała się na fakcie, że masy atomowe wielu pierwiastków są w przybliżeniu całkowitymi wielokrotnościami masy atomu wodoru.
Pomysł okazał się bardzo atrakcyjny, zamiast wielu różnych rodzajów atomów można było badać tylko jedną substancję. Sam Prout i inni uczeni naginali jednak fakty i zaokrąglali wyniki pomiarów mas atomowych do liczb całkowitych. Następnie dla tak przygotowanych danych liczbowych starali się znaleźć formuły, które mogły je łączyć. Najsławniejsze z nich to triady znalezione przez Johanna Döbereinera - grupy trzech pierwiastków, z których masa atomowa środkowego była w przybliżeniu średnią arytmetyczną mas skrajnych, np. lit (jego masa atomowa wynosi 7), sód (23) i potas (39) czy też wapń (40), stront (87) i bar (137). Triady rzeczywiście łączyły ze sobą podobne chemicznie pierwiastki, ale okazało się, że chemicy przez dziesięciolecia na próżno szukali zależności matematycznych tam, gdzie Natura ich nie przewidziała.
Chemicy odrzucający hipotezę Prouta podjęli się wyznaczenia dokładnych mas atomowych pierwiastków. Wynikiem rosnącej precyzji pomiarów była coraz większa rozbieżność pomiędzy oznaczonymi masami a odpowiednimi wielokrotnościami masy atomu wodoru. Jednej z prób ratowania hipotezy podjął się William Crookes, światowej sławy autorytet w dziedzinie spektroskopii, odkrywca talu. Zakwestionował postulat Daltona o identyczności atomów wchodzących w skład danego pierwiastka. Jeżeli, jak twierdził Crookes, atomy jednego pierwiastka mają różne masy, to masa atomowa jest ich średnią ważoną i może przyjmować wartości ułamkowe. W XIX wieku nie istniała możliwość sprawdzenia tej propozycji i w opinii większości chemików hipoteza Prouta była fałszywa.
Język potoczny różni się od języka nauki, na co przykładem jest słowo "teoria". Potocznie oznacza ono nieudowodnione stwierdzenie, ale w nauce teoria to cały system pojęć i dowiedzionych twierdzeń, które wyjaśniają fragment otaczającego świata zgodnie z obserwacjami i doświadczeniami. Ważną cechą teorii w naukach przyrodniczych jest wnioskowanie na podstawie jej założeń o określonym zachowaniu badanych obiektów, np. możliwości przebiegu danej reakcji. Potwierdzeniem prawdziwości teorii jest wykonanie przewidywanego eksperymentu.
Hipoteza z kolei to przypuszczenie o prawdopodobnym wyjaśnienia obserwowanych faktów, które dopiero należy udowodnić (czyli odpowiada ona "teorii" w znaczeniu potocznym).
A jednak atomy mają różne masy!
W latach 90. XIX wieku gmachy chemii i fizyki zdawały się spoczywać na solidnych fundamentach dobrze ugruntowanych teorii, co potwierdzał intensywny rozwój techniki. Jednak w ciągu niewielu lat obie budowle zatrzęsły się w posadach: okazało się, że atom wcale nie jest tworem niezmiennym, a pierwiastki mogą przekształcać się jeden w drugi. Odkrycie promieniotwórczości spowodowało, że wielu chemików i fizyków podjęło intensywne badania nad budową materii. Na rezultaty nie trzeba było długo czekać.
W krótkim czasie zidentyfikowano około 30 substancji promieniotwórczych powstających z uranu i toru. W rejonie tablicy Mendelejewa odpowiednim dla ich mas atomowych (207-234) nie było aż tylu wolnych miejsc i układ okresowy zdawał się ginąć pod lawiną odkryć. Jednak zadziwiające cechy tych substancji naprowadziły uczonych na właściwy trop. Niektóre z nich miały identyczne właściwości chemiczne, mimo różnych mas atomowych, inne zaś, jednakowych masach - całkowicie różne własności. Pierwsza z tych obserwacji została kilkakrotnie potwierdzona doświadczalnie, np. radioołów (promieniotwórczy izotop ołowiu) nie dawał się oddzielić przy pomocy żadnej znanej metody chemicznej od zwykłego, nie promieniotwórczego ołowiu. Był on zatem chemicznie identyczny ze znanym od tysiącleci pierwiastkiem, różniąc się od niego tylko masą atomową i wydzielaniem promieniowania.
Niektórzy chemicy grupowali w jednej "kratce" układu podobne substancje promieniotwórcze, np. emanacje, czyli gazowe produkty rozpadów promieniotwórczych (okazały się one izotopami radonu). Rozwiązanie problemu znalazł w roku 1910 angielski chemik Frederick Soddy (4). On również, jak Crookes, zakwestionował identyczność atomów jednego pierwiastka, który mógł występować jako mieszanina nuklidów o różnych masach atomowych. Odmianom tym nadał nazwę izotopów, ponieważ zajmowały to samo miejsce w układzie okresowym (z gr. isos = jednakowy, topos = miejsce).
W tym samym czasie Joseph John Thomson (5), odkrywca elektronu, udowodnił na przykładzie neonu, że również i zwykłe, nie promieniotwórcze pierwiastki składają się z izotopów. Asystent Thompsona, Francis Aston (6), skonstruował aparaturę umożliwiającą wydajne rozdzielanie izotopów - spektrometr masowy - i przy jej pomocy zidentyfikował wkrótce większość izotopów trwałych pierwiastków (7).
Kolejne odkrycia, powiązane z tematem artykułu, to określenie liczby atomowej pierwiastka, czyli liczby protonów w jego jądrze (Henry Moseley, 1913) oraz odkrycie neutronu (James Chadwick, 1932). Od tej pory atomy jednego pierwiastka mają identyczną liczbę protonów w jądrze, ale mogą różnić się liczbą neutronów, co powoduje, że także i ich masy atomowe są różne.
Istnienie izotopów wyjaśniło również XIX-wieczne problemy z wartościami mas atomowych. Większość pierwiastków stanowi mieszaniny izotopów. Jeżeli występują one w porównywalnych ilościach, zmierzona masa atomowa ma zwykle wartość ułamkową. Jeżeli zaś pierwiastek składa się tylko z jednego nuklidu lub jeden z izotopów wyraźnie dominuje - masa atomowa pierwiastka jest zbliżona do liczby całkowitej.
Nuklid - jądro atomowe o określony składzie (liczbie protonów i neutronów).
Liczba atomowa - liczba protonów w jądrze.
Liczba masowa - liczba protonów i neutronów łącznie, w przybliżeniu jest ona równa masie atomowej danego nuklidu.
AZE - zapis składu danego nuklidu: E to ogólny symbol pierwiastka (ang. element), A - liczba masowa, Z - liczba atomowa.
Przykład. Jeden z izotopów żelaza zapisuje się następująco 2656Fe . Z zapisu wynika, że jądro tego nuklidu składa się z 26 protonów oraz 30 neutronów (56–26=30). Liczba atomowa jest często pomijana w zapisie, ponieważ podanie symbolu pierwiastka pozwala ją jednoznacznie określić jako liczbę porządkową pierwiastka w układzie okresowym. Równoważnym zapisem jest zatem 56Fe, a także Fe-56 lub słownie żelazo-56.
Krzysztof Orliński
