Если сравнить относительные атом­ные массы элементов А_r в таблице Менделеева, можно обнаружить неко­торые, на первый взгляд, «странности». Одна из них — разная степень точно­сти представленных данных. Напри­мер, современное значение А_r для С содержит пять значащих цифр, для О — шесть, для Al и Р — по семь, для F — девять, тогда как для Zn, Ge, Li, Se, Kr, Mo, Ni, Pb, Sr, Ti — лишь по четы­ре. Почему?

Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса элемента, зависит не только от тщательности измерений, но и от непо­стоянства его изотопного состава. В разных образцах соотношение изо­топов не вполне одинаковое: лёгкие изотопы могут концентрироваться в одних породах, тяжёлые — в других. Поэтому давать 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.

Вторая «странность» заключается вот в чём. Относительные атомные массы, рассчитанные по «физической кислородной шкале» и углеродной, различаются. Хотя, казалось бы, они должны быть совершенно одинаковы­ми, так как при определении единицы измерения в первом случае делили массу атома ¹⁶О (8 протонов, 8 нейтро­нов, 8 электронов) на 16, а во вто­ром — массу атома ¹²С (6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов) на Однако в действительности всё не так: 1/12 массы атома ¹²С больше 1/16 массы атома ¹⁶О! При образовании ядра слиянием протонов и нейтронов выделяется огромная энергия. В соот­ветствии с уравнением Эйнштейна Е=mс² (с — скорость света), выделив­шаяся энергия Е «уносит» с собой часть массы т. Следовательно, масса нового атома не равна сумме масс его составляющих. Разница в массах (её назвали дефектом массы) может быть заметной — почти 1% для некоторых атомов. Больше всего «худеют» при об­разовании атомы с массовым числом около 50 (середина четвёртого ряда элементов в периодической системе). До этих элементов дефект массы рас­тёт с увеличением атомного номера, после них — постепенно падает. Для ¹⁶О дефект массы больше, чем для ¹²С. Вот почему кислородная и углеродная единицы не совпадают.

И наконец, остановимся ещё на одной «странности» атомных масс. Из­вестно, что природный водород пред­ставлен двумя стабильными нуклидами с массовыми числами 1 и 2 (99,984 % ¹Н и 0,016% ²Н), поэтому А_r(Н) немно­го больше 1. Гелий также представлен двумя стабильными нуклидами с массо­выми числами 3 и 4, причём ³Не в при­роде всего 0,00013%. Однако A_r(Не) не меньше, а больше 4. С другой стороны, кислород в природе — это смесь трёх стабильных нуклидов: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Но A_r(О)=15,9994, т. е. меньше 16. Всё это — проявления дефекта массы, а также следствие того факта, что массы протона и нейтрона больше 1 а. е. м.

Для иллюстрации дефекта массы просуммируем массы покоя двух элек­тронов, двух протонов и двух нейтронов

в атоме ⁴Не: 2m_p+2m_n+2m_e=2•1,00728+2•1,00867+2х 0,00055 = 4,0330. Но на самом деле из-за дефекта массы А_r (⁴Не) = 4,0026 — и всё же больше 4. Итак, при образова­нии атомов из отдельных частиц обыч­ная арифметика «не работает».

Теперь не покажется удивитель­ным, что точные массы трёх изотопов кислорода в углеродных единицах со­ставляют соответственно 15,9949; 16,9991 и 17,9992 и не равны массо­вым числам (т. е. 16, 17 и 18), а усред­нённая масса кислорода, рассчитанная из этих значений с учётом распростра­нённости изотопов в природе, как раз и равна 15,9994.

Для атомов углерода дефект массы тоже существует: он больше, чем у ге­лия и меньше, чем у кислорода. Одна­ко А_r (¹²С) принята равной 12.

«Парадоксальные» относительные атомные массы можно найти и у дру­гих элементов — F, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Lu, Au, Bi, U, Th. Из них только у лютеция и урана имеются два или три стабильных (или очень долгоживуших) изотопа, остальные — элементы-одиночки с единственным стабильным изотопом, и для них дефект массы выявляется наи­более наглядно. Так, атомная масса марганца меньше 55 и равна 54,9380.

Несмотря на то что дефект массы несколько «портит» стройную гипоте­зу Праута, вряд ли сам учёный, живи он в наши дни, был бы этим огорчён. Ско­рее наоборот: он считал бы, что его гипотеза восторжествовала. Действи­тельно, атомы (вернее ядра) любого химического элемента построены из целого числа простейших «кирпичи­ков» — протонов и нейтронов.