ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

АТОМЫ-БРАТЬЯ

Олгое время химики были твердо уверены в том, что ато­мы химических элементов неизменны и вечны. И это не­удивительно. При любых химических процессах, при всех известных физических воздействиях атомы одного элемен­та никогда не превращаются в атомы другого элемента; они только целиком переходят из молекулы одного химиче­ского соединения в молекулы другого или выделяются в свободном виде.

Теперь мы знаем, почему это так: при химических реак­циях во взаимодействие вступают лишь электронные обо­лочки атомов, а ядра, которые определяют свойства эле­ментов, остаются без изменения.

В самом конце XIX века в физике было сделано очень важное открытие, после которого представление о неиз­меняемости атомов пришлось пересмотреть. В 1896 году французский ученый А. Беккерель обнаружил, что неко­торые вещества, в состав которых входит химический эле­мент уран, непрерывно излучают особые лучи. Два года спустя М. Склодовская-Кюри со своим мужем П. Кюри открыла два новых, неизвестных до того времени элемента,

Испускающих такие же лучи, как и уран. Один из них они назвали полонием (в честь родины Марии Склодовской Польши), а другой, сходный по своим химическим свойст­вам с элементом барием, радием (что по-латыни означает лучистый). В дальнейшем все химические элементы, излу­чающие лучи, подобные лучам урана, радия и полония, получили общее название радиоактивных элементов, а са­мо явление самопроизвольного излучения—радиоактив­ности.

В короткое время было открыто семь радиоактивных эле­ментов: полоний, радон, радий, актиний, торий, протак­тиний и уран. Позднее список естественных радиоактивных элементов значительно пополнился.

Радиоактивность естественных элементов может прояв­ляться в различных видах. Например, атомы полония при радиоактивном распаде могут испускать два рода излуче­ний: альфа-лучи и бета-лучи. Альфа-лучи — это ядра ато­мов гелия. Их называют также альфа-частицами.

Бета-лучи — это поток электронов. Только это не те электроны, которые образуют электронную оболочку во­круг ядра атома. Электроны бета-лучей, или бета-частиц, имеют иное происхождение (о возникновении бета-частиц в процессе радиоактивного превращения ядер мы скажем позже).

Испускание ядром альфа-частицы или бета-частицы часто сопровождается излучением, напоминающим лучи Рент­гена. И те и другие по своей природе подобны обычному свету, только обладают значительно большей энергией и находятся в невидимой ультрафиолетовой области спектра. Такое излучение, испускаемое при радиоактивном пре­вращении ядер, называют гамма-лучами. Всякое радиоак­тивное излучение исходит из ядра атома.

Радиоактивный распад элементов наглядно показывает, что атомы не являются вечными и неизменными образова­ниями. Средняя продолжительность жизни атомов неко­торых радиоактивных элементов составляет миллиарды лет, других — тысячи лет, третьих — дни или недели, а четвертых — ничтожные доли секунды.

«Смерть» естественного радиоактивного атома сопровож­дается вылетом из его ядра альфа-или бета-частицы и носит характер взрыва. К чему же приводит такой взрыв? Возь­мем для примера атом полония. Он занимает 84-ю клетку в периодической таблице элементов (см. таблицу). Заряд его ядра равен по величине заряду 84 протонов. Вот из ядра вылетает альфа-частица, или, что то же, ядро атома гелия. Гелий стоит во 2-й клетке таблицы. Заряд его ядра равен заряду двух протонов. Масса — четырем единицам массы. Покинув ядро, альфа-частица уносит с собой два положи­тельных заряда и четыре единицы массы. Ядро, лишенное двух положительных зарядов, не может уже больше оста­ваться в своей клетке, потому что это уже не ядро полония. Его место на две клетки ближе к началу таблицы. Так атом полония превращается при альфа-распаде в новый атом, мас­са которого на четыре единицы меньше, чем у полония, и заряд ядра равен 82 протонам. Это атом свинца.

Если радиоактивный распад ядра атома полония со­провождается вылетом бета-частицы (электрона), то масса ядра практически не изменяется, остается прежней. Но по­ложительный заряд ядра при этом увеличивается на еди­ницу. Ядро полония становится ядром другого атома с за­рядом 85. Он должен стоять в клетке под номером 85, ко­торая занята астатином. Таким образом, при бета-распаде атом элемента полония превращается в атом астати - на. Значит, при радиоактивном распаде атомы одних эле­ментов самопроизвольно переходят в атомы других эле­ментов.

Теперь посмотрим, все ли атомы одного и того же эле­мента одинаковы между собой. Исходя из периодического закона Д. И. Менделеева, знаменитый русский ученый А. М. Бутлеров еще в 1882 году утверждал, что атомы одно­го и того же элемента могут отличаться сво(й массой. Четыре года спустя, в 1886 году, ту же мысль высказал английский химик и физик У. Крукс. Прошло около 30 лет, прежде чем эти взгляды получили опытное подтверж­дение.

Детально изучая радиоактивный распад естественных элементов, ученые обнаружили, что атомы урана и тория как бы возглавляют целые «семейства» радиоактивных пре­вращений. После распада «отца семейства» «потомки» ока­зываются также радиоактивными и со временем сами рас­падаются. Так, уран-1 в результате альфа-распада превра­щается в радиоактивный уран-Хр уран-Хг, испуская бета - частицу, переходит в уран-Х2; это ядро испускает еще одну бета-частицу и превращается в уран-11. Затем последо­вательно образуются атомы иония, радия, радона, ра - дия-А, радия-В и т. д. Радиоактивный распад про -

Несколько упрощенная схема радиоактивных превра­щений, где во главе семейства стоит уран-1, показана на рис. 4. На рис. 5 приведена по­добная жесхема превращений,

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 4. Схема последова­тельного радиоактивного распада семействаурана-1.

Стрелки указывают переход одного элемента в другой. Буква а — переход, сопровож­дающийся выделением альфа - частицы; буква Р—выделением бета-частицы.

Рис. 5. Схема последова­тельного радиоактивного распада семейства тория.

Где «отец семейства»—атом тория. Имеется еще семейство ак­тиния и семейство, члены которого являются продуктами распада уже не существующего на нашей планете элемен -

Та нептуния; глава и все члены этого семейства в настоя­щее время получены искусственно. При образовании нашей планеты среди других элементов, видимо, был и нептуний, но средняя продолжительность жизни его атомов мала, все­го около двух с четвертью миллионов лет. За время сущест­вования Земли все атомы этого элемента и его «потомки» распались вплоть до образования атомов устойчивого эле­мента висмута. На рисунках 4 и 5 в правых колонках даны округленные до целых чисел атомные веса изотопов — их массовые числа (см. стр. 20).

Заметим, кстати, что среди атомов, которые мы считаем сейчас устойчивыми, на самом деле могут быть радио­активные, но распад их настолько медленный, что не может быть уловлен современными приборами.

Итак, исследование радиоактивных семейств привело к открытию многих «новых» элементов. Естественно возник вопрос: как их разместить в таблице Менделеева? Ведь свободных клеток для них нет.

Взгляните еще раз на рисунки 5 и 6. Вот три элемента: радий, мезоторий-1 и торий-Х, которые отличаются своими массами (226, 228 и 224) и радиоактивными свойствами, но все они имеют одинаковый заряд ядра. Элементы радий-А, радий-С', радий-Ё, торий-А и торий-С' тоже имеют одина­ковый заряд ядер — 84. Где же поместить их в таблице Менделеева?

Может быть, отказаться от правила размещения элементов в периодической таблице соответственно заряду их ядер? Отказаться от прямой связи заряда ядра с местом элемента в таблице равносильно тому, что совсем отказаться от закона Менделеева. Не правильнее ли будет пересмотреть установившееся в науке представление о химических элементах?

Вот тогда и вспомнили высказывания А. М. Бутлерова и У. Крукса. Может быть, в самом деле атомы, принадлежа­щие одному и тому же элементу, не вполне одинаковы и мо­гут отличаться своей массой? Надо проверить, не принадле­жат ли «новые» атомы с равными зарядами ядер одному и тому же элементу.

Были тщательно изучены и сопоставлены свойства пред­ставителей различных радиоактивных семейств с элемен­тами, прочно занимающими свои места-клетки в таблице. При этом, действительно, многие вновь открытые элементы оказались очень похожими по физическим и химическим свойствам как друг на друга, так и на постоянных «обитате­лей» таблицы. В отдельных случаях сходство было настоль­ко велико, что после смешения их не удавалось вновь раз­делить никакими известными тогда способами. Например, выделенный при распаде тория элемент мезоторий-1, сме­шанный с радием, полученным из урановой руды, давал неразделимую смесь. Сам элемент торий оказался совер­шенно одинаков по химическим свойствам с ионием. Отли­чаются эти элементы только своими радиоактивными свой­ствами и массовыми числами.

В результате этих исследований английский физик Ф. Содди в 1910 году предложил атомы, несколько отлич­ные по своей массе и радиоактивности, но обладающие оди­наковыми физическими и химическими свойствами, счи­тать принадлежащими одному химическому элементу и располагать их в одной клетке периодической таблицы. Он назвал такие разновидности атомов изотопами, что в пере­воде с греческого языка означает «занимающие одно и то же место».

Этим было подтверждено, что положение элемента в периодической таблице, а значит, и его свойства определяют­ся не его массой или атомным весом, а только зарядом ядра. Заряд ядра объединяет все изотопы данного химического элемента «под одну крышу» — собирает их в одной клетке периодической таблицы.

Так закон Менделеева выдержал еще одно серьезное ис­пытание.