Четыре дамы и молодой человек в вакууме. Нестандартные задачи обо всем на свете

1. В XIX веке за единицу измерения атомных масс принимали массу атома водорода. Измерения показали, что относительная атомная масса кислорода в 15,90 раза больше, чем у водорода. Поэтому для атомной массы кислорода приняли значение 15,9. А атомная масса гелия тогда не была известна.

2. Так как кислород образует значительно больше соединений с другими элементами, чем водород, его атомная масса является более удобной единицей для измерения атомных масс других элементов. Поэтому появилась «кислородная шкала», в которой относительная атомная масса кислорода была принята ровно за 16 (за 1 ее принимать было неудобно, так как при этом изменились бы атомные массы всех элементов, а для шести элементов она стала бы меньше 1). А так как соотношение атомных масс кислорода и водорода не зависит от выбора единицы измерения, то для водорода получили значения: в 1930-е годы 16/15,876 = 1,0078, в 1950-е годы 16/15,873 = 1,0080 (соотношение атомных масс кислорода и водорода измерялось все более точно, и последнее отношение почти не отличается от современного).

3. Это связано с более точными методами определения относительных атомных масс элементов.

4. Не следует путать массовое число (число нуклонов в ядре, которое всегда целое) c относительной атомной массой элемента, которая определяется из относительных атомных масс его изотопов с учетом их распространенности в природе. Относительные атомные массы различных нуклидов (т. е. атомов с данным числом протонов и нейтронов в ядре) не являются целыми числами. Во-первых, массы протонов и нейтронов (именно они вносят основной вклад в массу атомов) не равны в точности 1. Во-вторых, из-за дефекта масс массы ядер всегда меньше суммы масс составляющих их частиц – протонов, нейтронов и электронов: образование атомного ядра из отдельных нуклидов связано с выделением огромной энергии и, соответственно, с уменьшением массы. Так, масса ¹⁶О равна 15,9949,

¹⁷О – 16,9991, ¹⁸О – 17,9992. Поскольку в природном кислороде нуклид ¹⁶О значительно преобладает (его 99,76 %), усредненная атомная масса природной смеси изотопов кислорода немного «недотягивает» до 16. Конечно, если бы в природе было немного больше ¹⁷О и (или) ¹⁸

О, его атомная масса была бы больше 16.

То же и для гелия. В природном газе почти 99,9999 % ⁴Не (масса 4,0026) и только 0,0001 % ³Не (масса 3,0160). Понятно, что если бы в природе было немного больше гелия-3, средняя атомная масса смеси была бы меньше 4.

Абсолютное значение дефекта масс увеличивается с ростом массы атомов, т. е. от гелия к кислороду. Дефект массы у углерода промежуточный между ними, а именно на массе атома углерода (точнее, нуклида ¹²C) основана сейчас единица атомных масс (углеродная единица). Вот и получается, что точная относительная атомная масса атомов гелия отклоняется от их массовых чисел (4) в одну сторону, а атомов кислорода – в другую (даже относительно самого легкого изотопа кислорода ¹⁶O).

5. Из приведенных данных следует, что точность, с которой определяется относительная атомная масса данного элемента, зависит не только от точности измерений, но и от какого-то другого фактора. Этот фактор – непостоянство изотопного состава данного элемента: в разных образцах соотношение изотопов не вполне одинаковое (причины этого мы сейчас не рассматриваем), потому приводить очень точные значения атомных масс просто не имеет смысла. Кстати, по точности, с какой приводятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «разделение изотопов» данного элемента, и насколько сильно.

6. Цифра в скобках обозначает точность, с которой приводится последняя значащая цифра; например, для гелия 4,002602 ± 0,000002. Важно отметить, что упомянутое выше непостоянство изотопного состава приводит к тому, что в последнее время для некоторых элементов значение атомной массы задается интервалом. Так, в последнем бюллетене Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights) указывает атомный вес кислорода так: атомный вес кислорода лежит в диапазоне между 15,99903 и 15,99977 а.е.м. Для обычных расчетов (даже в научной практике) вполне можно округлять атомный вес кислорода до 16.

Калий согревает Землю

1. Так как A_r

для калия в целом меньше, чем для ⁴⁰K, значение A_r со временем уменьшается.

2. Испускание бета-частицы происходит в результате превращения в ядре нейтрона в протон и электрон: n → р + е, в результате из ⁴⁰K образуется элемент со следующим порядковым номером – кальций; к этому же выводу можно прийти из соображений сохранения заряда: образование отрицательно заряженного электрона должно быть скомпенсировано появлением в атоме еще одного положительного заряда.

3. Со времени образования Земли прошло 5,1/1,275 = 4 периода полураспада калия-40; следовательно, его количество уменьшилось в 2⁴ = 16 раз.