Образование химических элементов в космических телах 1

Детальное исследование радиоактивных превращений урана, радия, тория и других элементов позволило установить, что некоторые из них превращаются в другие радиоактивные элементы. Оказалось, что цепочки радиоактивных превращений весьма длинны и продолжаются до свинца, который не обнаруживает радиоактивных свойств. Установлена генетическая связь между многими продуктами распада, найдены три радиоактивных семейства — семейство урана, актиния и тория. На рис. 10, например, приведена цепочка последовательных радиоактивных превращений урана.

На основании изучения цепочек распада было сделано два важных вывода.

Во-первых, К. Фаянс и Ф. Содди сформулировали правило сдвига: если при распаде какого-нибудь радиоактивного элемента испускаются альфа-лучи, то дочерний продукт будет представлять собой элемент, располагающийся в системе Д. И. Менделеева на две клетки левее; если же радиоактивное вещество распадается с испусканием бета-лучей, то образующееся дочернее вещество будет по своим химическим свойствам представлять элемент, располагающийся на одну клетку правее. При этом атомный вес уменьшается на четыре единицы при альфа-распаде и остается без изменения при бета-распаде.

Во-вторых, изучение радиоактивных цепочек привело к открытию явления изотопии. Было замечено, что многие радиоактивные элементы, составляющие определенные звенья в цепочке распада, обладают одинаковыми химическими свойствами и их невозможно разделить никакими химическими операциями. Например, при распаде полония и таллия (см. рис. 10) образуются элементы, подобные по своим свойствам свинцу. При распаде радона и висмута образуются «два» полония. Видно, что эти «элементы» различаются только атомными весами. Так, свинец имеет три вида атомов с атомными весами 214, 210 и 206; висмут — два вида с атомными весами 214 и 210. Содди в 1911 г. такие разновидности атомов одного химического элемента назвал изотопами, что означает «занимающие одно место» в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Следует вспомнить, что А. М. Бутлеров еще в начале 80-х годов XIX в. сделал предположение о возможности существования различных видоизменений химических элементов, обладающих различными атомными весами. Как видно, предвидение Бутлерова оправдалось и не только на примере радиоактивных элементов.

Рис. 10. Схема радиоактивного семейства U²³⁸.

В 1913 г. Дж. Томсон на примере неона получил первые сведения о существовании изотопов среди нерадиоактивных элементов. С помощью маес-спектрометрического анализа удалось найти изотопы многих других природных элементов, например магния, кальция и других. В настоящее время изучен. изотопный состав всех известных природных элементов. Оказывается, что только 22 элемента: фтор, натрий, фосфор, ванадий, марганец, празеодим, золото, висмут и другие — состоят из одного вида изотопов. Все они являются нечетными элементами, т. е. имеют нечетный порядковый номер. Остальные элементы, в основном четные, имеют несколько стабильных изотопов. Особенно много изотопов у олова и ксенона, которые представляют собой смеси из 9 стабильных изотопов; по 8 изотопов имеют теллур и кадмий. Многие тяжелые элементы имеют по семь изотопов. К ним относятся ртуть, осмий, иттербий, диспрозий, гадолиний, самарий, неодим, и элементы средней части периодической системы Д. И. Менделеева — рутений и молибден. Из сравнительно легких элементов наибольшее число изотопов имеет кальций (пять изотопов). Сейчас известно 225 стабильных изотопов. На диаграмме атомных ядер (рис. 11) они закрашены в черный цвет. Видно, что в ядрах стабильных изотопов легких элементов число протонов примерно равно числу нейтронов. Начиная с кальция (Ζ>20), число нейтронов у стабильных изотопов резко возрастает, и для изотопов самых тяжелых элементов отношение числа нейтронов и протонов составляет 1,6. Наличие в ядрах ядерных сил между нуклонами и электростатических сил отталкивания между протонами приводит к тому, что стабильными могут быть только те изотопы, у которых отношения между числами протонов и нейтронов в ядрах лежат в определенных пределах, изменяющихся по мере увеличения порядкового номера элемента. Из диаграммы видно, что все стабильные изотопы занимают сравнительно узкую область. Исключение составляют изотопы таких элементов, как кальций, цирконий, олово и другие, которые имеют замкнутые протонные или нейтронные оболочки и поэтому обладают повышенной устойчивостью.