Кирпичики мироздания
Изотопы и нуклиды: разные понятия или синонимы?
Популяризация знаний об истории, сегодняшних достижениях и будущем отрасли ― важная часть работы Росатома. Однако даже в среде атомщиков нет единодушия в толковании некоторых ключевых терминов. Изотопами и нуклидами называют разновидности атомов, которые, сочетаясь во множестве комбинаций в составе молекул, образуют все разнообразие окружающего нас материального мира. Разбираемся, что означают эти понятия, какой была их эволюция и как их правильно употреблять сегодня.
Эволюция понятия «изотопы»
По мере развития науки изменялись представления о строении материи и менялось определение термина «изотопы». Современное толкование этого понятия рекомендовано Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) [1]: «Изотопы — это нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер, но различное массовое число». В свою очередь, термин «нуклид» эта авторитетная организация в области химических стандартов и терминологии определяет как «вид атомов, характеризующийся определенным массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения». Нуклид, ядро которого состоит из Z протонов и N нейтронов, обозначается как ZAX, где Х — символ химического элемента в виде одной или двух букв латинского алфавита, введенный Йенсом Берцелиусом в 1814 году, А= Z + N — массовое число (число нуклонов в ядре), а Z — атомный номер элемента. Часто атомный номер Z внизу слева от символа не указывают, т.к. он, по сути, дублирует информацию о химическом элементе Х, или обозначение нуклида записывают в одну строку, добавляя массовое число через дефис после символа. Например, 92235U, 235U, U-235 означают нуклид урана-235, а два нуклида Ne-20 и Ne-22, относящиеся к одному химическому элементу, представляют изотопы неона.
Первоначально, когда в 1913 году Фредерик Содди предложил термин «изотопы» для химически идентичных атомов с разной массой, занимающих одну и ту же клетку в периодической таблице Менделеева, он привел научное определение изотопов как атомов, у которых «алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов в ядре одинакова, тогда как арифметическая сумма зарядов различна» [2]. При этом автор исходил из представлений того времени, в соответствии с которыми считалось, что ядра атомов состоят из положительных ядер водорода и отрицательных электронов. Электрон как носитель элементарного отрицательного заряда открыл Джозеф Томсон в 1897 году, а существование элементарной частицы, представляющей положительный ион водорода, Эрнест Резерфорд окончательно доказал в 1919 году и предложил назвать ее протоном [3]. Название созвучно с термином «протил», которым Уильям Праут называл атомы водорода, предполагая, что из этой первичной материи образованы атомы всех элементов. Гипотеза Праута, выдвинутая в 1815 году, вызвала многочисленные дискуссии о строении атомов и о существовании изотопов.
Однако математическая формулировка Содди не прижилась из-за смены представлений. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл электрически нейтральную частицу — нейтрон [4], а Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель строения ядер атомов [5, 6]. Изотопами стали называть атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но разного числа нейтронов. Это наиболее прозрачное определение термина продержалось до 1947 года, пока в Чикаго не родилось новое слово — «нуклид» [7].
Словотворец из Чикаго
Автор нового термина профессор университета Чикаго Трумэн Пауль Коман (1916–2010) за свою продолжительную жизнь участвовал в реализации ряда ключевых событий в развитии атомной науки и техники. В 1938 году, после получения степени бакалавра химии в Гарвардском колледже, он работал в Металлургической лаборатории Чикагского университета, вовлеченной в Манхэттенский проект для работ по созданию атомной бомбы. В сентябре 1942 года Коман возглавлял группу химиков, которые готовили для анализа и взвешивания микрограммовый образец плутония, впервые полученный на циклотроне путем бомбардировки нейтронами массивной урановой болванки [8]. После защиты в 1943 году докторской диссертации в Университете штата Висконсин на тему «Производство радиоактивных индикаторов нейтронами» [9] Коман продолжил работу в Чикаго и в Хэнфорде в качестве исследователя-радиохимика. В активе его научных трудов подготовка секретного Руководства по измерению радиоактивности, изучение свойств радия, неодима-144, железа-60 и ряд других исследований [10].
17 июля 1945 года, на следующий день после первого испытания плутониевой бомбы на полигоне «Тринити», Коман поставил подпись под петицией, подготовленной Лео Сцилардом, с призывом к президенту США Гарри Трумэну воздержаться от применения атомной бомбы против людей. На решение президента петиция влияния не оказала, а после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки генерал Лесли Гровс, руководивший Манхэттенским проектом, стал искать доказательства незаконного поведения Сциларда. Коман, как и большинство из 70 подписантов петиции, был отстранен от работы над ядерным оружием. В 1947 году химик Коман временно занимал должность профессора физики в университете Чикаго, а с 1948 по 1981 год преподавал химию и астрономию в Университете Карнеги — Меллона в Питтсбурге. В 1954 году он проводил эксперименты по применению нуклида алюминий-26 для определения возраста метеоритов, а позже участвовал в изучении некоторых образцов из 21,55 кг лунного грунта, доставленного в 1969 году на Землю экипажем Apollo 11. Уйдя в отставку в 1981-м, он продолжал до 1990 года преподавать вводный курс астрономии в школе. До конца своей жизни он выступал за мирное использование ядерной энергии.
Коман внес заметный вклад и в метрологию атомной физики. В 1959 году он в соавторстве с двумя коллегами обосновал переход на углеродную шкалу при измерении масс атомов и элементарных частиц [11]. В 1960 году это предложение получило одобрение, было принято IUPAC и IUPAP (Международный союз теоретической и прикладной физики), и до настоящего времени атомная единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерод-12, повсеместно применяется в научном мире вместо ранее использовавшейся кислородной шкалы. Но, в отличие от метрологии, со словотворчеством автор неологизма «нуклид», как говорится, попал пальцем в небо.
Противоречивый термин
Коман предложил любой атом, после того как в его ядре будет сосчитано количество нейтронов и протонов, называть нуклидом. Это похоже на то, как человека после получения соответствующего документа с его реквизитами (например, свидетельства о рождении ребенка или паспорта для иностранца) можно называть гражданином. До 1947 года такие атомы называли изотопами, у каждого из них также было определено число нейтронов и протонов в ядре. Коман обратил внимание, что термин «изотопы» был первоначально установлен для группы атомов, и усомнился в правомерности применения этого термина для отдельного атома. Иначе говоря, для единственного числа понятия «изотопы» Коман придумал термин «нуклид»!
Предложение Комана получило поддержку IUPAC, который рекомендовал к изотопам относить различные виды атомов только одного элемента (Z = const), а различные не только по числу нейтронов, но также и по числу протонов и электронов ядра и атомы следует называть нуклидами. Однако до сих пор позиции международных научных организаций не приведены к единообразию и термин «изотоп» в единственном числе продолжает широко применяться вместо нуклида, в том числе и в официальных материалах IUPAC и IUPAP. Несмотря на принятые в 1950-е годы международные соглашения, за многие десятилетия термин «нуклид» так и не смог заменить термин «изотоп» везде, где это было возможно.
Автор термина «нуклид» изначально заложил в него противоречие, назвав разновидность атома дословно видом ядра. Видимо, слово «атомид» показалось ему слишком банальным. Многие известные ученые продолжали использовать старую привычную терминологию или применяли термин «нуклид» как синоним слова «ядро». Так лауреат Нобелевской премии по физике Эмилио Сегре в монографии 1977 года [12] утверждает, что термины «ядро» и «нуклид» являются синонимами и могут быть взаимозаменяемыми. Таким образом, Сегре толковал предложенный Команом термин «нуклид» буквально — как разновидность ядра. Это один из примеров того, как смысл термина, изначально в него заложенный, перестает соответствовать понятию, для обозначения которого этот термин используется. Впрочем, как и «атом», который, в противоречии с названием, оказался делимым на составные части.
Альянс автора и редактора
Автор этих строк должен признаться, что не мог уловить разницу между терминами «изотоп» и «нуклид», пока не ознакомился с оригинальной статьей Комана [7]. По сути, в статье предложено название единственного числа слова «изотопы», первоначально определенного во множественном числе. Для опубликования статьи Коман летом 1947 года направил ее в редакцию «Американского журнала физики», ориентированного в основном на преподавателей этой дисциплины. В списке цитируемой литературы Коман указал статью главного редактора этого журнала Дуэйна Роллера под названием «Подход к изучению физической терминологии». Профессор Роллер в январе 1947 года стал обладателем медали Эрстеда за заслуги в преподавании физики, а в марте того же года в своем журнале привел в статье основные критерии формулировки терминов. Предложение Комана использовать два непохожих слова («нуклид» и «изотопы») для единственного и множественного числа одного понятия нарушало один из ключевых критериев Роллера, тем не менее статья Комана была принята и напечатана в июльском номере журнала. По-видимому, на решение главного редактора могло повлиять то, что в ссылках у Комана Роллер увидел свою фамилию в одном ряду с такими корифеями науки, как Уильям Харкинс, Георг Хевеши, Фриц Панет, Фредерик Содди, Фрэнсис Астон, Отто Ган, Лиза Мейтнер, Карл Вайцзеккер, Гленн Сиборг.
Вскоре после выхода в свет «Американского журнала физики» Коман позаботился, чтобы его нововведение стало достоянием не только учителей физики, но и ученых. В выпуске авторитетного научного еженедельника SCIENCE от 18 июля 1947 года в рубрике «Комментарии читателей» было напечатано краткое сообщение. В нем «читатель» Коман сообщил, что новое слово «нуклид» определяется как «разновидность атома, характеризующаяся строением его ядра» и предлагается использовать этот термин вместо таких «неверных или неудобных выражений, как изотоп, ядро, вид атома или вид ядра» [13]. За подробностями Коман отправил читателей журнала SCIENCE по ссылке на свою статью в журнале для преподавателей.
От нуклидов к изомерам
В 1982 году IUPAC уточнил определение термина «нуклид», добавив к его характеристикам «энергетическое состояние ядер и время жизни, достаточное для наблюдения». C этим добавлением стало возможным дать формальное определение для ядерных изомеров, которое теперь формулируется следующим образом: «Изомеры (ядерные) — это нуклиды, имеющие одинаковое массовое число и атомный номер, но находящиеся в разных ядерных энергетических состояниях» [14]. Оказалось, что у некоторых атомов с одинаковыми Z и Aмогут существовать разновидности, отличающиеся уровнем энергии ядра, другими ядерно-физическими характеристиками и называемые изомерами. Термин «изомеры» был предложен Берцелиусом в 1830 году для химических веществ, молекулы которых состоят из одинакового набора атомов, но отличаются свойствами из-за разного расположения атомов в пространстве.
Впервые с явлением ядерной изомерии столкнулся Отто Ган в 1921 году, когда обнаружил, что у радиоактивного ядра протактиния (Z = 91, А = 234) существуют две разновидности, с разными периодами полураспада. В 1935 году Игорь Курчатов с сотрудниками ленинградского ФТИ открыли изомерию у радиоактивного брома-80, образующегося при захвате нейтрона стабильным изотопом бром-79. Первую теорию ядерной изомерии описал Карл Вайцзеккер в 1936 году [15]. Для обозначения изомера после массового числа нуклида добавляется буква m,например 234mPa или 80mBr.Если нуклид имеет более одного метастабильного возбужденного состояния, то они обозначаются в порядке роста энергии буквами m, n, p, q и далее по алфавиту либо буквой m с добавлением индекса: m1, m2 и т. д.
Русские долго запрягают…
Эволюция терминологии в русскоязычных словарях и справочниках происходит с большой задержкой. До сих пор в большинстве отечественных изданий и онлайн-справочников термин «нуклид» определен без добавки, касающейся его энергетического состояния и времени жизни, а толкование термина «изомер» дается без привязки к термину «нуклид». Единственный русскоязычный источник, где удалось обнаружить современное толкование термина «нуклид», нашелся в базе данных «РОСТЕРМ», разработанной во Всероссийском научно-исследовательском институте классификации, терминологии и информации по стандартизации и качеству (ВНИИКИ) [16]. Рабочая группа РГ 1 по теме «Терминология в области использования атомной энергии», созданная в составе Технического комитета по стандартизации ТК 322 «Атомная техника», объединяет представителей организаций, входящих в структуры Росатома и Ростехнадзора, а также других экспертов, специализирующихся в области использования атомной энергии.
Онлайн-словарь базы данных «РОСТЕРМ» выдает три варианта термина «нуклид». Два из них приводятся со ссылкой на устаревшие стандарты ГОСТ 15484-81 («Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и определения») и ГОСТ Р МЭК 60050-881-2008 («Международный электротехнический словарь. Глава 881. Радиология и радиологическая физика»). И только третий вариант по международному стандарту ISO 921:1997 («Ядерная энергия. Словарь») соответствует определению нуклида, сформулированному IUPAC в 1982 году.
Нуклиды становятся изотопами
Возбужденное энергетическое состояние ядра, как и ограниченное время его жизни, характеризует нестабильность атома и является атрибутом радиоактивности. Поэтому эта добавка к формулировке термина в первую очередь затрагивает радиоактивные нуклиды, число которых уже приближается к четырем тысячам. Из 4122 всех нуклидов, описанных в 11-ом издании Карты нуклидов Карлсруэ, вышедшем в марте 2022 года [17], подавляющее большинство представляют радионуклиды, искусственно полученные в ядерных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. Из 288 существующих в природе изотопов 253 стабильны, а еще 23 распадаются очень медленно с длительными периодами полураспада и не представляют радиационной опасности. Дюжина природных радиоактивных изотопов, включая изотопы урана и тория, сохранились с момента формирования Земли и называются первозданными (primordial) радиоизотопами. Кроме того, в естественных условиях можно обнаружить в следовых количествах еще около шести десятков радиоизотопов, представляющих дочерние продукты распада трех радиоактивных семейств Th-232, U-235 и U-238 и космогенные радионуклиды.
Таким образом, в распоряжении Высшего Творца было всего около 350 разновидностей кирпичиков, из которых он умудрился создать все многообразие мироздания, включающего вещества и тела живой и минеральной природы. Свыше 90% известных на сегодня радионуклидов имеют рукотворное происхождение — они получены искусственно в ходе экспериментов в ядерных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. Исследования продолжаются, и список нуклидов ежегодно пополняется на несколько десятков. В предыдущем, 10-м издании Карты нуклидов Карлсруэ, вышедшем в феврале 2018 года, насчитывалось 4040 нуклидов, включая 754 изомера.
Глядя на карту нуклидов и руководствуясь рекомендациями IUPAC, практически любой нуклид из 4122 представленных экземпляров можно назвать изотопом, так как у каждого из 117 химических элементов имеется не менее двух разновидностей атомов, отличающихся массой. На сегодняшний день единственным исключением является самый тяжелый синтетический элемент, включенный в таблицу Менделеева под номером 118 и недавно получивший название оганесон (oganesson). Имя дано в честь физика Юрия Оганесяна, под руководством которого в Дубне осуществлен синтез ряда сверхтяжелых элементов. Пока ученым удалось наблюдать только один нуклид 118-го элемента — оганесон-294. Как только в экспериментах будет обнаружен атом оганесона с другим массовым числом, то, следуя правилам IUPAC, можно будет и нуклид 118294Og назвать изотопом.
Искусственное слово — для искусственных атомов
Из утверждения, что любой нуклид можно назвать изотопом, а любой изотоп — нуклидом, следует, что эти термины вопреки рекомендациям IUPAC являются синонимами. На практике во многих публикациях термин «нуклид» используется исключительно для обозначения радиоактивных атомов. Такое распределение сфер применения терминов представляется вполне логичным, если учесть, что большая часть искусственных нуклидов получена и изучена после 1947 года, когда появился искусственный термин «нуклид». Из уважения к научным заслугам Кюри, Томсона, Резерфорда, Содди, Астона и других основоположников современной науки, которые свои открытия совершали, не зная слова «нуклид», логично сохранить термин «изотоп» за каждым из объектов их исследований, включая существующие в природе стабильные и радиоактивные изотопы. Представляется целесообразным синтетический термин «нуклид» закрепить в нормативных документах за искусственно полученными радиоактивными атомами.
На практике многие авторитетные издания следуют подобному принципу разграничения терминов. Например, в тексте описания Международной системы единиц [18] термин «изотоп» используется для стабильных атомов водорода, углерода, кислорода, а термин «нуклид» встречается только с приставкой радио- для обозначения радиоактивных атомов. Похожая картина имеет место в словарях терминов, используемых в области ядерной безопасности и радиационной защиты, издаваемых МАГАТЭ на шести языках [19]. В глоссарии МАГАТЭ термин «изотоп» в основном используется для обозначения атомов урана, свинца и других природных элементов, а термин «нуклид» исключительно как радионуклид. В Большом словаре-справочнике синонимов русского языка системы ASIS [20] среди синонимов к слову «изотоп» указаны «стабильный дейтерий», а также «ионий» (историческое название тория-230) и «мезоторий» (историческое название радия-228 и актиния-228), а единственным синонимом к слову «нуклид» назван «радионуклид». Вызывает симпатии подход к терминам рабочей группы из пяти ядерных стран, подготовившей четырехъязычный словарь ключевых ядерных терминов [21]. Изотопы в этом документе определены «по старинке», как «ядра с одинаковым числом протонов (то есть одного и того же химического элемента), но разным числом нейтронов, например 235U и 238U являются изотопами урана». Отдельной формулировки для термина «нуклид» в словаре не приводится, но в тексте неоднократно упоминаются радионуклиды.
Реакция ученых на туманный термин
Как видно, нельзя утверждать, что такие солидные организации, как Международное бюро мер и весов в Париже, Национальный институт стандартов и технологий в США, Международное агентство по атомной энергии в Вене, как и коллектив составителей глоссария из пяти ведущих ядерных держав, безоговорочно выполнили рекомендации IUPAC в части применения терминов «изотоп» и «нуклид». На этом фоне интересно узнать, как к новому термину отнеслись известные ученые, чья деятельность проходила в период, охватывающий время до и после его появления.
Для примера проведен анализ некоторых трудов американского ученого Гленна Сиборга, удостоенного в 1951 году Нобелевской премии «за открытия в области химии трансурановых элементов», и советского физика-теоретика Якова Зельдовича, создавшего общую теорию ядерного взрыва и удостоенного высокого звания Героя Социалистического Труда. Результаты поиска терминов «nuclide» и «нуклид» в электронных копиях их работ [22, 23] оказались удивительными: ни тот, ни другой автор этот термин вообще не использовали (заметим, без какого-либо ущерба для качества изложения)! Можно предположить, что найдутся и другие ученые, проигнорировавшие этот весьма туманный термин. Впрочем, каждый автор в условиях сложившейся терминологической неопределенности вправе сам выбрать тот или иной подход к выбору терминов.
Кстати, сам Коман, доживший до 94 лет, забыл или не счел нужным включить упоминаемую статью в список своих избранных публикаций, размещенный в интернете [10]. Он или не посчитал свой вклад в терминологию достаточно значимым на фоне более существенных достижений, или испытывал разочарование старости, сожалеющей о незрелом рыцарстве молодости.
Список используемой литературы
1. Compendium of Chemical Terminology / International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). (Gold Book). Version 2.3.3. 2014-02-24.
2. Soddy F. Intra-atomic Charge // Nature. 1913. Vol. 92. P. 399–400.
3. Rutherford Е. Collision of a-particles with light atoms. I. Hydrogen. II. Velocity of the hydrogen atom. III. Nitrogen and oxygen atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen // Philosophical Magazine. 1919. Vol. 37. P. 537–587.
4. Chadwick J. Possible existence of a neutron // Nature. 1932. Vol. 129. P. 402; The existence of a neutron // Proceedings of the Royal Society. 1932. Ser. A. Vol. 136. P. 692.
5. Iwanenko D. The neutron hypotesis // Nature. 1932. Vol. 129. P. 798.
6. Heisenberg W. Über den Bau der Atomkerne // Zeitschrift für Physik. 1932. # 77. S. 1–11; 1932. # 78. S. 156–168; 1933. # 80. S. 587.
7. Kohman Т. P. Proposed New Word: Nuclide // American Journal of Physics. 1947. V. 15. Issue 4. P. 356–357.
8. Recollections and Reminiscences at the 25th Anniversary of the first weighing of plutonium / University of Chicago. 1967. September 10.
9. Kohman T. P. The Production of Radioactive Indicators with Neutrons / University of Wisconsin-Madison. 1943. 304 p.
10. Truman P., Kohman’s research while affiliated with Pittsburgh Technical Institute and other places [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/scientific-contributions/Truman-P-Kohman-32745559 ; Truman P. Kohman’s research while affiliated with Carnegie Mellon University and other places [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/scientific-contributions/Truman-P-Kohman-2035287677
11. Kohman T. P., Mattauch J. H., Wapstra A. H. New Reference Nuclide: The use of 12C as the basis for a unified scale of nuclidic masses and atomic weights is proposed // Science. 1958. Jun 20. Vol. 127 (3312). P. 1431–1432.
12. Segre E. Nuclei and Particles. 2nd edition. W.A. Benjamin, Inc., 1977.
13. Kohman T. P. Proposed Use of Nuclide // Science. 18 Jul. 1947. Vol. 106. Issue 2742. P. 62.
14. De Bruin M. Glossary of Terms Used in Nuclear Analytical Chemistry // International Union of Pure and Applied Chemistry. 1982. Vol. 54. No. 8. P. 1533–1554.
15. Ишханов Б.С. Радиоактивность: учеб. пособие / МГУ. М.: Университетская книга, 2011.
16. Национальная терминологическая база [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://tk322.org/glossary
17. Magill J., Dreher R., Sóti Z. Karlsruhe Nuclide Chart [Электронный ресурс]. 11th edition. 2022. Режим доступа: https://www.nucleonica.com/wiki/index.php?title=Category%3AKNC
18. The International System of Units (SI) / The BIPM and the Metre Convention. 9th edition. 2019.
19. Глоссарий МАГАТЭ по вопросам безопасности. Вена, 2007; IAEA Nuclear Safety and Security Glossary / International Atomic Energy Agency. Vienna, 2022.
20. Тришин В. Н. Большой словарь-справочник синонимов русского языка системы ASIS [Электронный ресурс]. 2013. Режим доступа: http://rus-yaz.niv.ru/doc/synonyms-trishin/index.htm?ysclid=lij37oz9xe683931327
21. Глоссарий ключевых ядерных терминов «ядерной пятерки». Пекин, 2015.
22. Seaborg G., Corliss W. Man and atom building a new world through nuclear technology. New York: Dutton & Co., 1971.
23. Зельдович Я. Б. Избранные труды. Частицы, ядра, Вселенная. М.: Наука, 1985. 464 с.
Фото: фотобанк «Фотодженика»
