Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Раз «дочерние элементы» образуются медленно и быстро распадаются, значит, в руде урана и тория они содержатся лишь в исчезающе малых количествах. «Дочерние элементы» не поддаются обнаружению с помощью обычных химических методов, однако по испускаемым ими излучениям их можно обнаружить с большой точностью. Излучение каждого из дочерних элементов обладает своими уникальными характеристиками и интенсивностью.

В 1898 году Мария Кюри и ее муж, французский физик Пьер Кюри (1859–1906), обычными химическими методами разделили большое количество урановой руды по свойствам на фракции, отсеивая обладающие высокой радиоактивностью. В том же году им удалось обнаружить два неизвестных ранее элемента, первый из которых они назвали полоний (созвучно с названием родной страны Марии Кюри), а второй, из-за его высокой радиоактивности, — радий.

Радиоактивность этих элементов была гораздо выше, чем у урана и тория. На самом деле скорость распада радия и полония настолько высока, что ни один из них не дошел бы до наших дней в чистом виде, даже если 5 миллиардов лет назад, во время образования планеты, они существовали бы в достаточном количестве. Сегодня эти элементы существуют лишь благодаря тому, что они постоянно образуются из урана и тория. А вот скорость распада последних настолько низкая, что их запасы за 5 миллиардов лет практически не уменьшились, несмотря на постоянно продолжающийся процесс распада.

Сколько же существует таких «недолговечных» дочерних элементов урана и тория? Во времена Кюри никто точного ответа дать не мог, так как не было известно, сколько же еще осталось незаполненных клеток периодической таблицы. Концепция атомных чисел, разработанная Мозли в 1913 году, внесла в этот вопрос некоторую ясность.

Все элементы с атомными числами до 84 включительно (до висмута) являются нерадиоактивными, в том числе и еще неизвестные элементы (43, 91, 72 и 75). И действительно, гафний и рений, открытые в 1923-м и 1926 годах соответственно, оказались нерадиоактивными. Тогда ученые переключили свое внимание на элементы с атомным числом выше 83.

Торий (атомное число 90) и уран (атомное число 92) являются первыми открытыми радиоактивными элементами. Атомные числа обнаруженных Кюри полония (84) и радия (88) также выше 83.

Последовал целый ряд открытий. В 1899 году французский химик Андре Дебьерн (1874–1949) открыл актиний (атомное число 89); в 1900 немецкий химик Фридрих Дорн (1848–1916) открыл радон (атомное число 86); в 1917 году немецкий химик Отто Ган (1879–1968) совместно с австрийским физиком Лизе Майт-нер (1878–1968) открыл протактиний (атомное число 91).

Две оставшиеся ячейки этой части периодической таблицы, 85 и 87, оставались незаполненными еще целых 25 лет. Ученые были убеждены, что эти элементы также являются радиоактивными (что впоследствии и подтвердилось).

И тем не менее эти так замечательно вписывающиеся в таблицу элементы поставили перед химиками вопрос, который чуть было не опроверг сам принцип периодической системы, однако в итоге лишь в очередной раз доказал ее непоколебимость. Обо всем этом вы узнаете из следующей главы.

Открытие в 1898 году нескольких новых элементов в радиоактивной руде вызвало некоторые затруднения. В периодической таблице было место лишь для 9 радиоактивных элементов (атомные числа от 84 до 92). То есть для радия, полония и некоторых других элементов место было, но что делать с остальными? Ведь если брать только дочерние элементы урана и тория с четко выраженными свойствами и определенной интенсивностью излучения, у физиков будет несколько десятков новых элементов.

Каждому типу излучения было дано свое название. Например, уран Xp, уран Xy, радий А, радий В и так далее вплоть до радия G. Были также излучения тория от А до D, два мезотория, один радиоторий и т. д. Но если элементов действительно столько же, сколько и различных излучений, как же их вписать в таблицу? С открытием Мозли атомного числа задача еще более усложнилась.

Для начала давайте рассмотрим природу этих радиоактивных излучений и их влияние на испускающий их атом. (Я прибегну к протонно-нейтронной модели атомного ядра, несмотря на то что изначально описываемый мною анализ был сделан на основе протонно-электронной модели.)

Возьмем произвольный элемент Q, ядро которого состоит из∙протонов и у нейтронов. Значит, его атомное число равняется x, а его атомный вес x + y. Запишем атомное число текстом нижнего регистра перед символом элемента, а атомный вес — текстом верхнего регистра после символа. Получаем xQx+y.

Теперь предположим, что атом этого элемента испустил одну альфа-частицу (обозначается греческой α). Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, следовательно, ее атомное число 2, а атомный вес 4. В записи это выглядит как 2α4.

То, что остается от исходного атома после выхода альфа-частицы, должно содержать x–2 протона и y–2 электрона. Атомное число уменьшается на 2 (и образуется новый элемент R), атомный вес — на 4. Это можно записать так:

xQx+y→ x–2Rx+y–4+ 2α4 (Уравнение 8.1)

Если же исходный атом испустил бета-частицу (обозначается греческой β), ситуация будет несколько иной. Выход бета-частицы означает, что внутри ядра один нейтрон превратился в протон. Значит, теперь количество протонов в ядре будет x+1, а нейтронов у–1. Атомное число увеличится на 1, а атомный вес останется прежним, т. к. x + 1 + y – 1 = x + y.

Атомный вес самой бета-частицы практически равен 0. (Точнее, 0,00054, но в данном случае мы можем сократить его до 0.) Так как атомный вес равняется числу положительно заряженных частиц в ядре и так как бета-частица является электроном, а следовательно, обладает единичным отрицательным зарядом, ее атомное число равняется –1. Таким образом, бета-частицу можно обозначить как –1β0, а процесс выхода как

xQx+y → x+1Rx+y + –1β0 (Уравнение 8.2)

Обратите внимание, что в уравнениях 8.1 и 8.2 сумма атомных чисел правой части равняется сумме атомных чисел левой части в соответствии с законом сохранения электрического заряда. То же можно сказать и об атомных весах правой части формулы 8.2 согласно закону сохранения массы. (Пока мы можем пренебречь небольшим изменением массы при ее переходе в энергию.)

Гамма-луч обозначается греческой буквой γ. Гамма-излучение является электромагнитным, следовательно, не имеет ни атомного веса, ни атомного числа. Запись будет выглядеть как 0γ0. Добавляем следующую формулу:

xQx+y → xQx+y + 0γ0. (Уравнение 8.3)