Распространенность элементов зависит от свойств атомных ядер и их устойчивости. Это обнаружили после открытия стабильных изотопов и точного определения изотопного состава всех природных элементов. Сведения об относительной распространенности изотопов в земной коре получены для всех химических элементов. Соотношения между изотопами одного элемента самые различные. Некоторые элементы, например медь и европий, состоят из двух изотопов с почти равной распространенностью, распространенность двух изотопов лантана отличается между собой почти в 100 раз. Наименьшую относительную распространенность имеет изотоп Не3 — всего лишь 0,00013 % общего числа всех атомов атмосферного гелия.
Изучение относительной распространенности изотопов показало, что изотопный состав химических элементов на Земле постоянен. Например, у хлора, извлеченного из морской воды и выделенного из минералов — апатита и других, атомный вес оказался одинаковым. То же самое обнаружено для никеля, железа, кремния, ртути, азота, сурьмы и меди.
Изучение изотопного состава элементов в метеоритах показало, что он аналогичен их изотопному составу на Земле. Ниже приведен изотопный состав железа в земной коре и метеорите (табл. 8). Постоянство изотопного состава многих элементов в земной коре и метеоритах указывает, видимо, на их происхождение из одного и того же космического вещества и на одинаковый характер ядерных реакций, приводящих к синтезу элементов Земли и метеоритов.
Изотопный состав атмосферы звезд изучен еще совершенно недостаточно. Однако имеются указания, что он может быть различным. Впервые это показал советский ученый Г. А. Шайн для изотопов углерода — С12 и С13. Отношение их распространенностей для атмосфер некоторых углеродных звезд меняется от 1 до 50. В настоящее время найдено, что для Земли, метеоритов и атмосферы Солнца отношение С13/С12 равно 0,011, а для атмосфер звезд класса N колеблется от 0,05 до 0,5, для атмосфер звезд класса R — от 0,02 до 0,3. Для межзвездного вещества оно равно 0,2. Эти различия имеют очень большое значение для решения вопроса о происхождении химических элементов, их синтезе в звездах и последующей эволюции в космическом пространстве и планетах.
Таблица 8
Изотопный состав железа(содержание Fe56 принято за 100 °/0)
Распространенность изотопов подчиняется определенным закономерностям, главные из них следующие.
1. Наибольшей распространенностью обладают изотопы с четным числом протонов и нейтронов. На их долю приходится около 60 % числа всех стабильных изотопов. Изотопы с нечетным числом протонов или нейтронов менее распространены — их сумма составляет около 36 %. На долю изотопов с нечетным числом протонов и нейтронов приходится всего 4 %.
2. Максимальной распространенностью обладают изотопы, атомный вес которых кратен четырем, например Не4, О16, Ne20, Mg24, Fe56 и другие. На долю таких изотопов приходится 86,81 % веса земной коры.
3. В области элементов с Z<35 изотопы с большим избытком нейтронов менее распространены; в области элементов с Ζ>35, наоборот, преобладают изотопы с большим избытком нейтронов. Этот факт указывает на различный характер процессов, приведших к образованию этих двух групп элементов.
Рис. 29. Зависимость распространенностей изотопов химических элементов от массового числа.
Все существовавшие ранее гипотезы образования химических элементов исходили из средней космической распространенности изотопов природных элементов, к рассмотрению которой мы сейчас и переходим. На рис. 29 показана зависимость средней распространенности изотопов химических элементов от их массового числа. Она проведена по данным, полученным на основании анализа химического состава 50 звезд, Солнца, Земли и метеоритов. Средняя распространенность легких элементов берется из данных спектрального анализа атмосфер звезд в предположении, что для огромного их большинства происходит непрерывное перемешивание вещества между оболочкой звезды и ее центральными областями. Для относительно тяжелых элементов взяты данные анализов каменных метеоритов, которые многими учеными принимаются в качестве образцов среднего состава первичного вещества всех тел Солнечной системы. Следует при этом иметь в виду некоторую неоднозначность приведенных величин. Она обусловлена прежде всего различной погрешностью методов, применяемых отдельными исследователями. Например, данные по распространенности многих элементов (титана, ванадия, калия и других) в метеоритах, полученные в последнее время с помощью активационного анализа, оказались в 50—100 раз меньшими по сравнению с прежними определениями, при которых использовались обычные химические методы. Следовательно, по мере усовершенствования методов анализа вещества различных космических тел будет, безусловно, изменяться ход отдельных участков кривой средней космической распространенности химических элементов.