Путешествие в Страну элементов

Еще в самом начале изучения явлений радиоактивного распада ученые обнаружили интересное явление: радиоактивные элементы в природе обычно встречаются группами. Так, в минералах урана всегда есть радий, а радиоактивный газ радон всегда сопутствует радию. Это навело ученых на мысль, что радиоактивные элементы генетически связаны между собой.

Например, уран, выбрасывая альфа-частицу, превращается в другое радиоактивное вещество, которое ученые назвали уран-икс-1 (UX1). Отделив его от «материнского» элемента урана и тщательно исследовав химические свойства, ученые обнаружили, что уран-икс-1 очень похож на известный элемент торий. Позднее выяснилось, что уран-икс-1 является одним из изотопов тория. Отличие тория и урана-икс-1 заключалось лишь в их разных радиоактивных свойствах. Если период полураспада тория составляет около 10¹⁰ лет, то период полураспада урана-икс-1 равен всего 24 дням. Кроме того, торий при радиоактивном превращении выбрасывает из ядра альфа-частицу, а уран-икс-1 — бета-частицу. При этом он переходит в элемент протактиний, точнее — в его изотоп, названный ураном-икс-2 (UX2), период полураспада которого равен всего одной минуте. Уран-икс-2, выбрасывая из ядра последовательно одну бета-частицу и две альфа-частицы, превращается в радий. Тот, в свою очередь, испуская альфа-частицу, переходит в радон и т. д. Цепь последовательных превращений урана оказалась довольно длинной и в конечном итоге заканчивалась стабильным изотопом свинца с массовым числом^[6] 206. Таким образом, уран — родоначальник целой серии радиоактивных элементов, которые входят в семейство урана.

Учеными было найдено, что «родоначальниками» аналогичных семейств являются и еще два элемента, существующих в природе. Это торий (Th) с массовым числом 232 и изотоп урана с массовым числом 235, называемый иногда актиноураном (AcU).

Если сравнить существующие в природе радиоактивные семейства друг с другом, обнаруживается любопытная деталь. Оказывается, массовые числа всех изотопов, входящих в семейство тория, без остатка делятся на 4. Следовательно, атомный вес их можно выразить очень простой формулой 4n, где n — целое число. Если же делить на 4 массовые числа изотопов, входящих в состав семейства урана, то во всех случаях в остатке остается число 2, значит массовые числа представителей уранового семейства можно описать формулой 4n + 2. Для семейства актиноурана получаем формулу 4n + 3. Иногда эти семейства так и называют. Например, вместо того чтобы сказать «семейство тория», говорят «семейство 4n», а вместо «семейство урана» говорят «семейство 4n + 2».

Ученым удалось искусственно «создать» в 1940 году семейство 4n + 1, когда был получен элемент нептуний (Np) с зарядом 93 и массовым числом 237. Он и оказался родоначальником семейства 4n + 1.

Искусственная радиоактивность

В 1919 году знаменитый английский ученый Эрнест Резерфорд поставил замечательный опыт. Он обстрелял ядра азота альфа-частицами. Когда он попытался разобраться в результатах эксперимента, то обнаружилась удивительная картина. Оказалось, что, поглощая альфа-частицу, ядро азота, имеющее заряд 7 и массу 14, превращается на какое-то мгновение в ядро с массой 18 и зарядом 9. Но это ядро неустойчиво, оно тут же испускает протон и превращается в ядро с массой 17 и зарядом 8. Согласно же периодической системе заряд ядра, равный 8, имеют лишь атомы кислорода. Следовательно, в результате взаимодействия ядер азота с альфа-частицами получался изотоп кислорода:

¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H.

Эту ядерную реакцию можно записать и короче: ¹⁴₇N(αp)¹⁷₈O.

В такой «транскрипции» первым пишется ядро, которое подвергается превращению, затем в скобке — частица, которая его вызывает, после нее записывается вылетающая частица и уже после скобки — новое, образующееся ядро.

Затем Резерфорд выяснил, что с альфа-частицами взаимодействуют также ядра бора, фтора, натрия и некоторых других элементов. Так мечта человека о превращении одних элементов в другие стала реальностью.

В начале тридцатых годов был отмечен интересный факт. Если «обстреливать» альфа-частицами бериллий, то появляется какое-то новое излучение, обладающее необыкновенными свойствами. «Бериллиевые лучи» не отклонялись в электрическом поле и могли проходить сквозь такой слой свинца, через который не могли пройти даже гамма-лучи. В течение долгого времени не могли объяснить ученые их природу. Наконец ученик Резерфорда Чэдвик доказал: «бериллиевые лучи» представляют собой поток нейтральных частиц, по массе равных ядрам атома водорода, протонам. Он назвал их нейтронами, подчеркнув этим их электронейтральность. Оказалось, что взаимодействие альфа-частиц с бериллием происходит по реакции:

⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n,

то есть при этом образуется изотоп углерода и выделяется один нейтрон. Нейтронам суждено было сыграть выдающуюся роль в ядерной физике.

Через пятнадцать лет после эксперимента Резерфорда мир был потрясен новой сенсацией.