Атомные массы меняются?!

Два знака препинания в заголовке не случайны. Вопросительный означает, что атомная масса — это физическая (или, если угодно, химическая) константа, величина неизменная. С чего бы ей меняться? Восклицательный означает, что на самом деле атомные массы химических элементов, которые указываются в таблицах (в том числе на знакомых всем периодических таблицах), время от времени изменяются. Посмотрите в таблицу — наибольшие изменения произошли в XIX веке. Это связано с уточнением формул веществ и с усовершенствованием методов измерения.

Заметим, что со временем менялось само определение. В основном принимали О= 16, причем со временем физики и химики разошлись во мнениях — первые имели в виду изотоп кислород-16, а химики — природный кислород. Это называлось «физическая и химическая шкала атомных весов». Разница небольшая, в 1,000275 раза. С 1960 года (ИЮПАК) и 1961-го (ИЮПАП) за единицу принята 1/12 от углерода-12. (ИЮПАК — это Международный союз теоретической и прикладной химии, а ИЮПАП — Международный союз теоретической и прикладной физики.)

Прежде всего бросаются в глаза необычные представления относительных атомных масс (согласно решению ИЮПАК, сейчас можно говорить, как когда-то, об атомных весах), приведенные в нижней строке таблицы. Мы привыкли, что эта величина всегда была представлена лишь одним значением — с большей или меньшей точностью. Однако для семи (из этих восьми) элементов атомные веса представлены двумя числами. Эти числа дают диапазон возможных изменений атомного веса данного элемента, добытого из природы, — данная вариация отражает геологическую историю в течение миллиардов лет преобразования земной коры. Новшество коснулось также бора (10,806; 10,821), магния (24,304; 24,307), кремния (28,084; 28,086), брома (79,901; 79,707) и таллия (204,382; 204,385) (см. www.ciaaw.org/atomic-weights.htm). Со временем подобные «вилки» будут указаны и для других элементов.

Все процессы в большей или меньшей мере идут по-разному для разных изотопов — изменяются скорости диффузии, температуры плавления и скорости испарения. Поэтому в ходе образования тех или иных соединений, тех или иных минералов мог слегка изменяться изотопный состав. В результате для некоторых элементов данные сегодня приводятся всего лишь с четырьмя значащими цифрами, так что точность определения составляет сотые доли процента. Вот эти элементы: цинк: 65,38(2), стронций: 87,62(1) и молибден: 95,95(1). Связана такая относительно невысокая точность именно с вариацией изотопного состава в природных образцах, для подобных элементов нет смысла определять относительную атомную массу с предельно доступной высокой точностью.

Минимальная вариация значений атомного веса достигается для так называемых элементов-одиночек, представленных в природе единственным нуклидом (таких элементов 20). Для них значения атомных весов были в последние годы значительно уточнены, как это видно из сравнения данных, опубликованных ИЮПАК в 2001 и 2014 годах — во второй таблице. Цифры в скобках указывают погрешность в последнем знаке. Впечатляет точность определения атомных масс; для нескольких элементов эта величина дается с 11 значащими цифрами, что означает относительную точность измерения в стомиллионные доли процента!

Сказанное вовсе не означает, что нужно срочно перепечатывать все учебники, справочники, монографии и отдельно выпущенные таблицы элементов. Содержащихся в них данных более чем достаточно практически для всех расчетов и анализов. В то же время новые данные об атомных весах — прекрасное свидетельство научного прогресса.