Превращение ядер при радиоактивном распаде. Превращение атомных ядер законы радиоактивного распада. Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации

Вопросы.

1. Что происходит с радием в результате α-распада?

При распаде радия Ra (металл) происходит его превращение в радон Ra (газ) с испусканием α- частиц.

2. Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- или β-распада?

При α- и при β- распаде происходит превращение одного химического элемента в другой.

3. Какая часть атома — ядро или электронная оболочка — претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?

При радиоактивном превращении претерпевает изменение ядро атома, т.к. именно ядро атома определяет его химические свойства.

4. Запишите реакцию α-распада радия и объясните, что означает каждый символ в этой записи.

5. Как называются верхнее и нижнее числа, стоящие перед буквенным обозначением элемента?

Они называются массовое и зарядовое число.

6. Чему равно массовое число? зарядовое число?

Массовое число равно целому числу атомных единиц массы данного атома.
Зарядовое число равно числу элементарных электрических зарядов ядра данного атома.

7. На примере реакции а -распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.

Закон сохранения массового числа и зарядов гласит, что при радиоактивных превращениях величина суммы массовых чисел атомов и суммы зарядов всех частиц участвующих в превращениях - величина постоянная.

8. Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?

Был сделан вывод, что ядра атомов имеют сложный состав.

9. Что такое радиоактивность?

Радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Упражнения.

1. Определите массу (в а. е. м. с точностью до целых чисел) и заряд (в элементарных зарядах) ядер атомов следующих элементов: углерода 12 6 C; лития 6 3 Li; кальция 40 20 Ca.

2. Сколько электронов содержится в атомах каждого из химических элементов, перечисленных в предыдущей задаче?

3. Определите (с точностью до целых чисел), во сколько раз масса ядра атома лития 6 3 Li больше массы ядра атома водорода 1 1 Н.

4. Для ядра атома бериллия 9 4 Be определите: а) массовое число; б) массу ядра в а. е. м. (с точностью до целых чисел); в) во сколько раз масса ядра больше 1/12 массы атома углерода 12 6 С (с точностью до целых чисел): г) зарядовое число; д) заряд ядра в элементарных электрических зарядах; е) суммарный заряд всех электронов в атоме в элементарных электрических зарядах; ж) число электронов в атоме.

5. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, определите массовое число и заряд ядра химического элемента X, образующегося в результате следующей реакции β-распада:

14 6 C → X + 0 -1 e,

где 0 -1 e — β-частица (электрон). Найдите этот элемент в таблице Д. И. Менделеева на форзаце учебника. Как он называется?

1. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии в английской семье. В Новой Зеландии он получил высшее образование, а затем в 1895 г. приехал в Кембридж и занялся научной работой в качестве ассистента Томсона. В 1898 г. Резерфорд был приглашен на кафедру физики Монреальского университета Мак-Гилла (Канада), где продолжал исследование радиоактивности, начатое еще в Кембридже.

В 1899 г. в Монреале коллега Резерфорда Оунз сообщил ему, что радиоактивность тория чувствительна к потокам воздуха. Это наблюдение показалось любопытным, Резерфорд заинтересовался и обнаружил, что радиоактивность соединений тория, если торий находится в закрытой ампуле, сохраняет постоянную интенсивность, если же опыт производится на открытом воздухе, то она быстро уменьшается, причем на результатах сказываются даже слабые потоки воздуха. Кроме того, тела, расположенные по соседству с соединениями тория, спустя некоторое время сами начинают испускать излучение, как если бы они тоже были радиоактивными. Это свойство Резерфорд назвал «возбужденной активностью».

Резерфорд довольно скоро понял, что все эти явления можно легко объяснить, если предположить, что соединения тория испускают, кроме α-частиц, еще другие частицы, которые в свою очередь радиоактивны. Вещество, состоящее из этих частиц, он назвал «эманацией» и считал его подобным радиоактивному газу, который, располагаясь тончайшим невидимым слоем на телах, находящихся рядом с выделяющим эту эманацию торием, сообщает этим телам кажущуюся радиоактивность. Руководствуясь этим предположением, Резерфорд сумел отделить этот радиоактивный газ с помощью простой вытяжки воздуха, имевшего соприкосновение с препаратом тория, а затем, введя его в ионизационную камеру, определил таким образом его активность и основные физические свойства. В частности, Резерфорд показал, что степень радиоактивности эманации (окрещенной позднее тороном, подобно тому как были названы радоном и актиноном радиоактивные газы, испускаемые радием и актинием) очень быстро уменьшается в геометрической прогрессии в зависимости от времени: каждую минуту активность уменьшается вдвое, через десять минут она уже становится совсем незаметной.

Тем временем супруги Кюри показали, что радий тоже обладает свойством возбуждать активность близлежащих тел. Для объяснения радиоактивности осадков радиоактивных растворов они приняли выдвинутую Беккерелем теорию и назвали это новое явление «индуцированной радиоактивностью». Супруги Кюри полагали, что индуцированная радиоактивность вызывается каким-то особым возбуждением тел лучами, испускаемыми радием: нечто похожее на фосфоресценцию, которой они прямо уподобляли это явление. Впрочем, Резерфорд, говоря о «возбужденной активности», первое время тоже, должно быть, имел в виду явление индукции, которое физика XIX века вполне готова была принять. Но Резерфорду уже было известно нечто большее, нежели супругам Кюри: он знал, что возбуждение, или индукция, было не прямым следствием воздействия тория, а результатом действия эманации. Тогда Кюри еще не открыли эманации радия, она была получена Латером и Дорном в 1900 г., после того как они повторили такие же исследования радия, какие Резерфорд провел ранее с торием.

Весной 1900г., опубликовав свое открытие, Резерфорд прервал исследования и вернулся в Новую Зеландию, где должна была состояться его свадьба. По возвращении в Монреаль в том же году он встретился с Фредериком Содди (1877-1956), окончившим химический факультет в Оксфорде в 1898 г. и также недавно приехавшим в Монреаль. Встреча этих двух молодых людей была счастливым событием для истории физики. Резерфорд рассказал Содди о своем открытии, о том, что ему удалось выделить торон, подчеркнул широкое поле исследований, которое здесь открывалось, и предложил ему объединиться для совместного химико-физического изучения соединения тория. Содди согласился.

Это исследование заняло у молодых ученых два года. Содди, в частности, изучил химическую природу эманации тория. В результате своих исследований он показал, что новый газ совершенно не вступает ни в какие известные химические реакции. Поэтому оставалось предположить, что он принадлежит к числу инертных газов, а именно (как Содди определенно показал в начале 1901 г.) новый газ по своим химическим свойствам подобен аргону (сейчас известно, что это один из его изотопов), который Рэлей и Рамсей обнаружили в воздухе в 1894 г.

Упорная работа двух молодых ученых увенчалась новым значительным открытием: вместе с торием в их препаратах был обнаружен другой элемент, отличавшийся по химическим свойствам от тория, а по активности превосходивший торий по крайней мере в несколько тысяч раз. Этот элемент был химически отделен от тория осаждением с помощью аммиака. По примеру Уильяма Крукса, который в 1900 г. назвал радиоактивный элемент, полученный им из урана, ураном X, молодые ученые назвали новый радиоактивный элемент торием X. Активность этого нового элемента в течение четырех дней уменьшается наполовину; этого времени было достаточно, чтобы обстоятельно изучить его. Исследования позволили сделать не подлежащий сомнению вывод: эманация тория получается вовсе не из тория, как это казалось, а из тория X. Если в некотором образце тория торий X отделялся от тория, то интенсивность радиации тория была сначала намного меньше, чем до разделения, но постепенно она увеличивалась со временем по экспоненциальному закону благодаря постоянному образованию нового радиоактивного вещества.

В первой работе 1902 г. ученые, объясняя все эти явления, пришли к выводу, что

«...радиоактивность - это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества. Эти изменения д0лжны происходить внутри атома, а радиоактивные элементы являются, должно быть, спонтанными превращениями атомов... Поэтому радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса» (Philosophical Magazine, (6), 4, 395 (1902) ).

А в следующем году они писали уже более определенно:

«Радиоактивные элементы обладают среди всех других элементов самым большим атомным весом. Это, собственно, и есть их единственное общее химическое свойство. В результате атомного распада и выбрасывания тяжелых заряженных частиц с массой того же порядка, что и масса атома водорода, остается новая система, более легкая, чем первоначальная, с физическими и химическими свойствами, совершенно отличными от свойств исходного элемента. Процесс распада, начавшись однажды, затем уже переходит с одной ступени на другую с определенными скоростями, вполне измеримыми. На каждой ступени испускается одна или несколько α-частиц, пока не достигаются последние ступени, когда α-частицы или электроны уже испущены. По-видимому, целесообразно было бы дать специальные названия этим новым осколкам атомов и новым атомам, которые получаются из первоначального атома после испускания частицы и существуют лишь ограниченный отрезок времени, постоянно подвергаясь дальнейшим изменениям. Их отличительным свойством является неустойчивость. Количества, в которых они могут скопляться, очень невелики, так что маловероятно, чтобы их можно было изучать обычными способами. Неустойчивость и связанное с ней испускание лучей и дают нам способ их изучения. Поэтому мы предлагаем называть эти осколки атомов "метаболонами"» (Philosophical Magazine, (6), 5, 536 (1903) ).

Предложенный термин не удержался, потому что эта первая осторожная попытка сформулировать теорию была вскоре исправлена самими авторами и уточнена в ряде неясных пунктов, которые, наверно, отметил и сам читатель. В исправленном виде теория уже не нуждалась в новом термине и лет десять спустя одним из этих молодых ученых, ставшим к тому времени уже ученым с мировым имененем и лауреатом Нобелевской премии по физике, была выражена так:

«Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев с огромной скоростью выбрасывается осколок атома - α-частица, в некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением рентгеновских лучей, обладающих большой проникающей способностью и известных под названием γ-излучения. Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распада. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само тоже неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения...

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях» (E. Rutherford, The structure of the atom, Scientia, 16, 339 (1914) ).

В уже цитировавшейся статье 1903 г. Резерфорд и Содди составили таблицу «метаболонов», которые, согласно их теории, образуются в соответствии с их собственными опытами и опытами других ученых как продукты распада:

Таковы первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Постепенно другие вещества заняли свое место в этих семействах естественных радиоактивных элементов, и было установлено, что таких семейств всего три, из коих два имеют родоначальником уран, а третье - торий. Первое семейство насчитывает 14 «потомков», т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате последовательного распада, второе - 10, третье - 11; в любом современном учебнике физики можно найти подробное описание этих «генеалогических деревьев».

Позволим себе одно замечание. Сейчас может казаться вполне естественным, более того, само собой разумеющимся тот вывод, к которому пришли в результате своих опытов Резерфорд и Содди. По сути дела, о чем шла речь? О том, что спустя некоторое время в первоначально чистом тории оказывалась примесь нового элемента, из которого в свою очередь образовывался газ, также обладающий радиоактивностью. Образование новых элементов можно видеть наглядно. Наглядно, но не очень. Нужно иметь в виду, что количества, в которых образовывались новые элементы, были очень далеки от тех минимальных доз, которые в то время были необходимы для самого точного химического анализа. Речь шла о едва заметных следах, которые можно обнаружить лишь радиоактивными методами, по фотографии и ионизации. Но все эти эффекты можно было объяснить и другим способом (индукцией, присутствием новых элементов в исходных препаратах с самого начала, как это было при открытии радия, и т. п.). То, что распад вовсе не был так уж очевиден, ясно хотя бы из того, что ни Крукс, ни Кюри не увидели ни малейшего намека на это, хотя и наблюдали аналогичные явления. Нельзя умолчать и о том, что нужно было большое мужество, чтобы в 1903 г., в самый разгар триумфа атомистики, говорить о превращениях элементов. Эта гипотеза отнюдь не была защищена от всевозможной критики и, быть может, не устояла бы, если бы Резерфорд и Содди с удивительным упорством не отстаивали ее в течение целых десятилетий, прибегая все к новым доказательствам, о которых мы еще будем говорить.

Нам кажется уместным прибавить здесь, что теория радиоактивной индукции также оказала большую услугу науке, предотвратив распыление сил в поисках новых радиоактивных элементов при каждом проявлении радиоактивности у нерадиоактивных элементов.

2. ПРИРОДА α-ЧАСТИЦ

Очень важным пунктом в теории радиоактивного распада, который мы до сих пор обходили, однако, молчанием в целях простоты изложения, является природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, ибо гипотеза, приписывающая им корпускулярные свойства, имеет определяющее значение для теории Резерфорда и Содди.

Сначала α-частицы - медленная, легко поглощаемая веществом компонента излучения - после их открытия Резерфордом не привлекали особого внимания физиков, интересовавшихся преимущественно быстрыми β-лучами, обладающими в сто раз большей проникающей способностью, нежели α-частицы.

Тот факт, что Резерфорд предугадал важность α-частиц для объяснения радиоактивных процессов и многие годы посвятил их изучению, является одним из самых ясных проявлений гениальности Резерфорда и одним из главных факторов, определивших успех его деятельности.

В 1900 г. Роберт Рэлей (Роберт Стретт, сын Джона Уильяма Рэлея) и независимо от него Крукс выдвинули гипотезу, не подтвержденную никаким опытным доказательством, согласно которой α-частицы несут положительный заряд. Сегодня очень хорошо можно понять те трудности, которые стояли на пути экспериментального исследования α-частиц. Этих трудностей две: во-первых, α-частицы намного тяжелее β-частиц, поэтому они незначительно отклоняются под воздействием электрических и магнитных полей, и, конечно, простого магнита было недостаточно, чтобы получить заметное отклонение; во-вторых, α-частицы быстро поглощаются воздухом, отчего наблюдать их становится еще труднее.

В течение двух лет Резерфорд пытался добиться отклонения α-частиц в магнитном поле, но все время получал неопределенные результаты. Наконец, в конце 1902 г., когда ему удалось благодаря любезному посредничеству Пьера Кюри получить достаточное количество радия, он смог надежно установить отклонение α-частиц в магнитном и электрическом полях с помощью показанного на стр. 364 устройства.

Наблюдавшееся им отклонение позволило определить, что α-частица несет положительный заряд; по характеру отклонения Резерфорд определил также, что скорость α-частицы приблизительно равна половине скорости света (позднейшие уточнения уменьшили скорость примерно до одной десятой скорости света); отношение e/m получилось равным приблизительно 6000 электромагнитных единиц. Из этого следовало, что если α-частица несет элементарный заряд, то ее масса должна быть вдвое больше массы атома водорода. Резерфорд отдавал себе отчет в том, что все эти данные в высшей степени приближенны, но один качественный вывод они все же позволяли сделать: α-частицы обладают массой того же порядка, что и атомные массы, и поэтому подобны каналовым лучам, которые наблюдал Гольдштейн, но обладают значительно большей скоростью. Полученные результаты, говорит Резерфорд, «проливают свет на радиоактивные процессы», и отражение этого света мы уже видели в цитировавшихся отрывках из статей Резерфорда и Содди.

В 1903 г. Мария Кюри подтвердила открытие Резерфорда с помощью описываемой теперь во всех учебниках физики установки, в которой благодаря сцинтилляции, вызываемой всеми лучами, которые испускает радий, можно было одновременно наблюдать противоположные отклонения α-частиц и β-лучей и невосприимчивость γ-излучения к электрическому и магнитному полям.

Теория радиоактивного распада навела Резерфорда и Содди на мысль, что все устойчивые вещества, получающиеся при радиоактивных превращениях элементов, должны присутствовать в радиоактивных рудах, в которых эти превращения происходят уже в течение многих тысяч лет. Не следует ли тогда считать гелий, найденный Рамсеем и Траверсом в урановых рудах, продуктом радиоактивного распада?

С начала 1903 г. изучение радиоактивности получило неожиданно новый толчок благодаря тому, что Гизель (фирма «Хининфабрик», Брауншвейг) выпустил в продажу по сравнительно умеренным ценам такие чистые соединения радия, как гидрат бромистого радия, содержащий 50% чистого элемента. До этого приходилось работать с соединениями, содержавшими самое большее 0,1% чистого элемента!

К тому времени Содди вернулся в Лондон, чтобы продолжать там изучение свойств эманации в химической лаборатории Рамсея - единственной тогда в мире лаборатории, где можно было проводить исследования такого рода. Он купил 30 мг поступившего в продажу препарата, и этого количества оказалось ему достаточно, чтобы вместе с Рамсеем в том же 1903 г. доказать, что гелий присутствует в радии, имеющем возраст несколько месяцев, и что при распаде эманации образуется гелий.

Но какое место занимал гелий в таблице радиоактивных превращений? Был ли он конечным продуктом превращений радия или же продуктом какой-то из стадий его эволюции? Резерфорд очень скоро догадался, что гелий образуемся α-частицами, испускаемыми радием, что каждая α-частица является атомом гелия с двумя положительными зарядами. Но чтобы доказать это, понадобились годы работы. Доказательство было получено лишь тогда, когда Резерфорд и Гейгер изобрели счетчик α-частиц, о котором мы говорили в гл. 13. Измерение заряда отдельной α-частицы и определение отношения e/m сразу же дало для ее массы m значение, равное массе атома гелия.

И все же все эти исследования и подсчеты еще не доказывали решительно, что α-частицы тождественны с ионами гелия. В самом деле, если бы, скажем, одновременно с выбрасыванием α-частицы освобождался атом гелия, то все опыты и расчеты оставались бы в силе, но α-частица могла бы быть и атомом водорода или какого-нибудь другого неизвестного вещества. Резерфорд хорошо понимал возможность такой критики и, чтобы отклонить ее, в 1908 г. вместе с Ройдсом дал решительное доказательство своей гипотезы с помощью установки, схематически изображенной на приведенном рисунке: α-частицы, испускаемые радоном, собираются и накапливаются в трубке для спектроскопического анализа; при этом наблюдается характерный спектр гелия.

Таким образом, начиная с 1908 г. уже не было никаких сомнений в том, что α-частицы являются ионами гелия и что гелий представляет собой составную часть естественных радиоактивных веществ.

Прежде чем перейти к другому вопросу, добавим еще, что через несколько лет после обнаружения гелия в урановых рудах американский химик Болтвуд, исследуя руды, содержащие уран и торий, пришел к выводу, что последним нерадиоактивным продуктом последовательного ряда превращений урана является свинец и что, кроме того, радий и актиний - сами продукты распада урана. Таблица «метаболонов» Резерфорда и Содди должна была, таким образом, претерпеть существенное изменение.

Теория атомного распада приводила к еще одному новому интересному следствию. Поскольку радиоактивные превращения происходят с неизменной скоростью, которую не мог изменить никакой физический фактор, известный в то время (1930 г.), то по соотношению количеств урана, свинца и гелияг присутствующих в урановой руде, можно определить возраст самой руды, т. е. возраст Земли. Первый подсчет дал цифру в один миллиард восемьсот миллионов лет, но Джон Джоли (1857-1933) и Роберт Рэлей (1875-1947), проведшие важные исследования в этой области, считали эту оценку весьма неточной. Сейчас возраст урановых руд считают примерно равным полутора миллиардам лет, что не очень отличается от первоначальной оценки.

3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОСТИ

Мы уже говорили, что Резерфорд установил на опыте экспоненциальный закон убывания активности эманации тория со временем: активность уменьшается вдвое примерно за одну минуту. Все радиоактивные вещества, исследованные Резерфордом и другими, подчинялись качественно такому же закону, но каждому из них соответствовал свой период полураспада. Этот экспериментальный факт выражается простой формулой (Эта формула имеет вид

где λ постоянная полураспада, а обратная ей величина есть среднее время жизни элемента. Время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, называется периодом, или временем, полураспада. Как мы уже сказали, А, сильно изменяется от элемента к элементу и, следовательно, меняются и все другие зависящие от нее величины. Например, среднее время жизни урана I равно 6 миллиардам 600 миллионам лет, а актиния А - трем тысячным долям секунды), устанавливающей соотношение между числом N 0 радиоактивных атомов в начальный момент и числом еще не распавшихся атомов в момент t. Этот закон можно выразить иначе: доля атомов, распадающихся за определенный промежуток времени, является постоянной, характеризующей элемент, и называется постоянной радиоактивного распада, а величина, обратная ей, называется средним временем жизни.

До 1930 г. не было известно какого-либо фактора, который влиял бы хоть в малейшей степени на естественную скорость этого явления. Начиная с 1902 г., Резерфорд и Содди, а затем и многие другие физики помещали радиоактивные тела в самые различные физические условия, но ни разу не получили ни малейшего изменения постоянной радиоактивного распада.

«Радиоактивность, - писали Резерфорд и Содди, - согласно нашим сегодняшним знаниям о ней, следует рассматривать как результат процесса, остающегося совершенно вне сферы действия известных нам и контролируемых сил; она не может быть ни создана, ни изменена, ни остановлена» (Philosophical Magazine, (6), 5, 582 (1903). ).

Среднее время жизни элемента - это точно определенная константа, неизменная для каждого элемента, однако индивидуальное время жизни отдельного атома данного элемента совершенно неопределенно. Среднее время жизни не уменьшается со временем: оно одно и то же как для группы только что образовавшихся атомов, так и для группы атомов, образовавшихся в ранние геологические эпохи. Короче говоря, прибегая к антропоморфному сравнению, можно сказать, что атомы радиоактивных элементов умирают, но не стареют. В общем с самого начала основной закон радиоактивности показался совершенно непостижимым, каким остается и до наших дней.

Из всего сказанного ясно, и это было понятно сразу же, что закон радиоактивности - закон вероятностный. Он утверждает, что возможность распада атома в данный момент одинакова для всех имеющихся радиоактивных атомов. Речь идет, таким образом, о статистическом законе, который тем яснее выявляется, чем больше число рассматриваемых атомов. Если бы на явление радиоактивности влияли внешние причины, то объяснение этого закона было бы довольно простым: в таком случае атомами, распадающимися в данный момент, были бы как раз те атомы, которые находятся по отношению к воздействующей внешней причине в особенно благоприятных услов-виях. Эти особые условия, приводящие к распаду атома, можно было бы, например, объяснить тепловым возбуждением атомов. Иными словами, статистический закон радиоактивности имел бы тогда такой же смысл, как и статистические законы классической физики, рассматриваемые как синтез частных динамических законов, которые из-за большого их числа просто удобно рассматривать статистически.

Но данные опыта не давали абсолютно никакой возможности свести этот статистический закон к сумме частных законов, определяемых внешними причинами. Исключив внешние причины, стали искать причины превращения атома в самом атоме.

«Так как, - писала Мария Кюри, - в совокупности большого числа атомов некоторые из них немедленно разрушаются, в то время как другие продолжают существовать в течение очень долгого времени, то нельзя уже рассматривать все атомы одного и того же простого вещества как совершенно одинаковые, а следует признать, что различие в их судьбе определяется индивидуальными различиями. Но тогда возникает новая трудность. Различия, которые мы хотим учитывать, должны быть такого рода, что они не должны определять, так сказать, «старения» вещества. Они должны быть такими, чтобы вероятность того, что атом проживет еще некоторое данное время, не зависела от того времени, в течение которого он уже существует. Любая теория строения атомов должна удовлетворять этому требованию, если она основана на высказанных выше соображениях» (Rapports et discussions du Conseil Solvay tenu a Bruxelles du 27 au 30 avril 1913, Paris, 1921, p. 68-69 ).

Точку зрения Марии Кюри разделял и ее ученик Дебьерн, который выдвинул предположение, что каждый радиоактивный атом непрерывно быстро проходит через многочисленные различные состояния, сохраняя неизменным и независимым от внешних условий некое среднее состояние. Отсюда следует, что в среднем все атомы одного и того же вида обладают одинаковыми свойствами и одинаковой вероятностью распада, обусловливаемого неустойчивым состоянием, через которое атом время от времени проходит. Но наличие постоянной вероятности распада атома предполагает чрезвычайную его сложность, поскольку он должен состоять из большого числа элементов, подверженных беспорядочным движениям. Это внутриатомное возбуждение, ограниченное центральной частью атома, может привести к необходимости введения внутренней температуры атома, которая значительно выше внешней.

Эти соображения Марии Кюри и Дебьерна, не подтвержденные, однако, никакими опытными данными и не приведшие ни к каким реальным следствиям, не нашли отклика среди физиков. Мы вспомнили их потому, что оказавшаяся безрезультатной попытка классического истолкования закона радиоактивного распада была первым, или по крайней мере наиболее убедительным, примером статистического закона, который нельзя получить из законов индивидуального поведения отдельных объектов. Возникает новая концепция статистического закона, данного непосредственно, безотносительно к поведению индивидуальных объектов, составляющих совокупность. Такая концепция станет ясной лишь спустя десять лет после безуспешных усилий Кюри и Дебьерна.

4. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

В первой половине прошлого века некоторые химики, в частности Жан Батист Дюма (1800-1884), В заметили определенную связь между атомным весом элементов и их химическими и физическими свойствами. Эти наблюдения были завершены Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907), который в 1868 г. опубликовал свою гениальную теорию периодической системы элементов, одно из самых глубоких обобщений в химии. Менделеев расположил известные в то время элементы в порядке возрастания атомного веса. Вот первые из них, с указанием их атомного веса по данным того времени:

7Li; 9,4Ве; 11В; 12С; 14N; 160; 19F;

23Na; 24Mg; 27,3Al; 28Si; 31P; 32S; 35,50Сl.

Менделеев заметил, что химические и физические свойства элементов являются периодическими функциями от атомного веса. Например, в первом ряду выписанных элементов плотность регулярно возрастает с увеличением атомного веса, достигает максимума в середине ряда, а затем уменьшается; такую же периодичность, хотя и не столь четкую, можно видеть и в отношении других химических и физических свойств (точка плавления, коэффициент расширения, проводимость, окисляемость и т. п.) для элементов как первого, так и второго ряда. Эти изменения происходят по одинаковому закону в обоих рядах, так что элементы, которые находятся в одной и той же колонке (Li и Na, Be и Mg и т. д.), обладают аналогичными химическими свойствами. Эти два ряда называются периодами. Таким образом, все элементы можно распределить по периодам в соответствии с их свойствами. Из этого и следует закон Менделеева: свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов.

Здесь не место рассказывать об оживленной дискуссии, которую вызвала периодическая классификация, и о ее постепенном утверждении благодаря бесценным услугам, которые она оказала развитию науки. Достаточно лишь указать, что к концу прошлого столетия она была принята почти всеми химиками, которые принимали ее как опытный факт, убедившись в тщетности всех попыток теоретически ее интерпретировать.

В самом начале XX века при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал, торианит, который, как известно сейчас, представляет собой ториево-урановый минерал. Некоторое количество торианита было послано в Англию для анализа. Однако при первом анализе из-за ошибки, которую Содди приписывает известной немецкой работе по аналитической химии, был спутан торий с цирконием, из-за чего исследуемое вещество, считавшееся урановой рудой, было подвергнуто обработке по методу Кюри для отделения радия от урановой руды. В 1905 г., применив указанный способ, Вильгельм Рамсей и Отто Хан (последний обессмертил свое имя тридцать лет спустя, открыв реакцию деления урана) получили вещество, которое химический анализ определял как торий, но которое отличалось от него гораздо более интенсивной радиоактивностью. Как и в случае тория, в результате его распада образовались торий X; торон и другие радиоактивные элементы. Интенсивная радиоактивность свидетельствовала о наличии в полученном веществе нового радиоактивного элемента, химически еще не определенного. Его назвали радиоторием. Вскоре выяснилось, что он представляет собой элемент из ряда распада тория, что он ускользнул от предшествовавшего анализа Резерфорда и Содди и должен быть вставлен между торием и торием X. Среднее время жизни радиотория оказалось равным примерно двум годам. Это достаточно долгий срок, чтобы радиоторий мог заменить в лабораториях дорогостоящий радий. Помимо чисто научного интереса, эта экономическая причина побудила многих химиков попытаться выделить его, но все попытки оказались безрезультатными. Никаким химическим процессом отделить его от тория не удавалось, более того, в 1907 г. проблема, казалось, еще более усложнилась, потому что Хан открыл мезоторий - элемент, порождающий радиоторий, который тоже оказался неотделимым от тория. Американские химики Мак-Кой и Росс, потерпев неудачу, имели смелость объяснять ее и неудачи других экспериментаторов принципиальной невозможностью отделения, но их современникам такое объяснение показалось лишь удобной отговоркой. Между тем в период 1907-1910 гг. были отмечены другие случаи, когда одни радиоактивные элементы не удавалось отделить от других. Наиболее типичными примерами были торий и ионий, мезоторий I и радий, радий D и свинец.

Некоторые химики уподобляли неотделимость новых радиоэлементов случаю с редкоземельными элементами, с которым химия столкнулась в XIX веке. Первое время сходные химические свойства редких земель заставили считать свойства этих элементов одинаковыми, и лишь позднее по мере совершенствования химических методов постепенно удалось отделить их. Однако Содди считал, что эта аналогия надуманная: в случае с редкими землями трудность состояла не в том, чтобы разделить элементыг а в том, чтобы установить факт их разделения. Напротив, в случае радиоактивных элементов с самого начала ясно различие двух элементов, а вот отделить их не удается.

В 1911 г. Содди провел систематическое исследование коммерческого препарата мезотория, содержащего также радий, и обнаружил, что относительное содержание одного из этих двух элементов увеличить невозможно, даже прибегая к многократной фракционной кристаллизации. Содди пришел к выводу, что два элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами и тем не менее иметь настолько сходные другие химические и физические свойства, что они оказываются неразделимыми с помощью обычных химических процессов. Если два таких элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, их следует помещать на одно и то же место в периодической таблице элементов; поэтому он назвал их изотопами.

Исходя из этой основной идеи, Содди попытался дать теоретическое объяснение, сформулировав «правило смещения при радиоактивных превращениях»: испускание одной α-частицы приводит к смещению элемента на два места влево в периодической системе. Но превращенный элемент может впоследствии вернуться в ту же клетку периодической системы при последующем испускании двух β-частиц, в результате чего два элемента будут обладать одинаковыми химическими свойствами, несмотря на различные атомные веса. В 1911 г. химические свойства радиоактивных элементов, испускающих β-лучи и обладающих, как правило, очень малой продолжительностью жизни, были еще мало известны, поэтому, прежде чем принять такое объяснение, нужно было лучше узнать свойства элементов, испускающих β-лучи. Содди поручил эту работу своему ассистенту Флекку. Работа потребовала много времени, и в ней приняли участие оба ассистента Резерфорда - Рессел и Хевеши; позднее этим занялся также Фаянс.

Весной 1913 г. работа была завершена и правило Содди было подтверждено без всяких исключений. Его можно было сформулировать очень просто: испускание α-частицы уменьшает атомный вес данного элемента на 4 единицы и смещает элемент на два места влево в периодической системе; испускание же β-частицы не меняет существенно атомного веса элемента, но смещает его на одно место вправо в периодической системе. Поэтому если за превращением, вызванным испусканием α-частицы, следует два превращения с испусканием β-частиц, то после трех превращений элемент возвращается на первоначальное место в таблице и приобретает те же химические свойства, что и исходный элемент, обладая, однако, атомным весом, меньшим на 4 единицы. Из этого ясно следует также, что изотопы двух различных элементов могут иметь одинаковый атомный вес, но различные химические свойства. Стьюарт назвал их изобарами. На стр. 371 воспроизведена схема, иллюстрирующая правило смещения при радиоактивных превращениях в форме, данной Содди в 1913 г. Сейчас мы знаем, конечно, значительно больше радиоактивных изотопов, чем знал Содди в 1913 г. Но нам не стоит, пожалуй, прослеживать все эти последующие технические завоевания. Важнее лишний раз подчеркнуть главное: α-частицы несут два положительных заряда, а β-частицы - один отрицательный заряд; испускание любой из этих частиц изменяет химические свойства элемента. Глубокий смысл правила Содди состоит, таким образом, в том, что химические свойства элементов, или по крайней мере радиоактивных элементов, пока это правило не распространено дальше, связаны не с атомным весом, как это утверждала классическая химия, а с внутриатомным электрическим зарядом.

Радиоактивные превращения

В 1903 Пьер Кюри обнаружил, что соли урана непрерывно и без видимого уменьшения со временем выделяют тепловую энергию, которая в расчете на единицу массы представлялась огромной по сравнению с энергией самых энергичных химических реакций. Еще больше теплоты выделяет радий – около 107 Дж в час в расчете на 1 г чистого вещества. Получалось, что имеющихся в глубинах земного шара радиоактивных элементов достаточно (в условиях ограниченного теплоотвода) чтобы расплавить магму

Где же находится источник этой, казалось бы, неисчерпаемой энергии? Мария Кюри выдвинула в самом конце 19 в. две гипотезы. Одна из них (ее разделял лорд Кельвин) заключалась в том, что радиоактивные вещества улавливают какое-то космическое излучение, запасая нужную энергию. В соответствии со второй гипотезой излучение сопровождается какими-то изменениями в самих атомах, которые при этом теряют энергию, которая и излучается. Обе гипотезы казались равно невероятными, но постепенно накапливалось все больше данных в пользу второй.

Большой вклад в понимание того, что же происходит с радиоактивными веществами, внес Эрнест Резерфорд. Еще в 1895 английский химик Уильям Рамзай, который прославился открытием в воздухе аргона, обнаружил в минерале клевеите другой благородный газ – гелий. Впоследствии значительные количества гелия были обнаружены и в других минералах – но только тех, которые содержали уран и торий. Это казалось удивительным и странным – откуда в минералах мог взяться редкий газ? Когда Резерфорд начал исследовать природу альфа-частиц, которые испускают радиоактивные минералы, стало ясно, что гелий является продуктом радиоактивного распада (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ). Значит, одни химически элементы способны «порождать» другие – это противоречило всему опыту, накопленному несколькими поколениями химиков.

Однако «превращением» урана и тория в гелий не ограничилось. В 1899 в лаборатории Резерфорда (в то время он работал в Монреале) наблюдали еще одно странное явление: препараты элемента тория в закрытой ампуле сохраняли постоянную активность, а на открытом воздухе их активность зависела от. Сквозняков. Резерфорд быстро понял, что торий испускает радиоактивный газ (его назвали эманацией тория – от лат. emanatio – истечение, или тороном), активность этого газа очень быстро уменьшалась: вдвое примерно за одну минуту (по современным данным – за 55,6 с). Подобная газообразная «эманация» была открыта также у радия (ее активность уменьшалась значительно медленнее) – ее назвали эманацией радия, или радоном. Своя «эманация», исчезающая всего за несколько секунд, обнаружилась и у актиния, ее назвали эманацией актиния, или актиноном. Впоследствии выяснилось, что все эти «эманации» являются изотопами одного и того же химического элемента – радона (см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ).

После соотнесения каждого члена ряда одному из изотопов известных химических элементов, стало ясно, что ряд урана начинается с урана-238 (T 1/2 = 4,47 млрд. лет) и заканчивается стабильным свинцом-206; поскольку одним из членов этого ряда является очень важный элемент радий), этот ряд называют также рядом урана – радия. Ряд актиния (другое его название – ряд актиноурана) тоже берет свое начало от природного урана, но от другого его изотопа – 235 U (Т 1/2 = 794 млн. лет). Ряд тория начинается с нуклида 232 Th (T 1/2 = 14 млрд. лет). Наконец, не представленный в природе ряд нептуния начинается с искусственно полученного самого долгоживущего изотопа нептуния: 237 Np  233 Pa  233 U  229 Th  225 Ra  225 Ac  221 Fr  217 At  213 Bi  213 Po  209 Pb  209 Bi. В этом ряду тоже есть «вилка»: 213 Bi с вероятностью 2% может превратиться в 209 Tl, а тот уже переходит в 209 Pb. Более интересной особенностью ряда нептуния является отсутствие газообразных «эманаций», а также конечный член ряда – висмут вместо свинца. Период полураспада родоначальника этого искусственного ряда равен «всего» 2,14 млн. лет, поэтому нептуний, даже если бы он присутствовал при формировании Солнечной системы, не смог бы «дожить» до наших дней, т.к. возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет, и за это время (более 2000 периодов полураспада) от нептуния не осталось бы ни единого атома.

В качестве примера можно привести распутанный Резерфордом сложный клубок событий в цепи превращения радия (радий-226 – шестой член радиоактивного ряда урана-238). На схеме приведены как символы времен Резерфорда, так и современные обозначения нуклидов, а также тип распада и современные данные о периодах полураспада; в приведенном ряду также существует небольшая «вилка»: RaC с вероятностью 0,04% может перейти в RaC""(210 Tl), который затем превращается в тот же RaD (T 1/2 = 1,3 мин). У этого радиоактивного свинца довольно большой период полураспада, поэтому за время эксперимента часто можно не считаться с его дальнейшими превращениями.

Последний член этого ряда, свинец-206 (RaG), стабилен; в природном свинце его 24,1%. Ряд тория приводит к стабильному свинцу-208 (содержание его в «обычном» свинце 52,4%), ряд актиния – к свинцу-207 (содержание в свинце 22,1%). Соотношение этих изотопов свинца в современной земной коре, конечно, связано как с периодом полураспада материнских нуклидов, так и с их исходным соотношением в веществе, из которого образовалась Земля. А «обычного», нерадиогенного, свинца в земной коре всего 1,4%. Так что не будь исходно на Земле урана и тория, свинца в ней было бы не 1,6·10 –3 % (примерно как кобальта), а в 70 раз меньше (как, например, таких редких металлов как индий и тулий!). С другой стороны, воображаемый химик, прилетевший на нашу планету несколько миллиардов лет назад, нашел бы в ней значительно меньше свинца и намного больше урана и тория...

Когда Ф.Содди в 1915 выделил из цейлонского минерала торита (ThSiO 4) образовавшийся при распаде тория свинец, его атомная масса оказалась равной 207,77, то есть больше, чем у «обычного» свинца (207,2) Это отличие от «теоретического» (208) объясняется тем, что в торите было немного урана, который дает свинец-206. Когда американский химик Теодор Уильям Ричардс, авторитет в области измерения атомных масс, выделил свинец из некоторых урановых минералов, не содержащих тория, его атомная масса оказалось равной почти в точности 206. Чуть меньше была и плотность этого свинца, причем она соответствовала расчетной: (Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), где (Pb) = 11,34 г/см 3 . Эти результаты наглядно показывают, почему для свинца, как и для ряда других элементов, нет смысла измерять атомную массу с очень высокой точностью: образцы, взятые в разных местах, дадут немного разные результаты (см. УГЛЕРОДНАЯ ЕДИНИЦА).

В природе непрерывно происходят приведенные на схемах цепочки превращений. В результате одни химические элементы (радиоактивные) превращаются в другие, и такие превращения происходили в течение всего периода существования Земли. Начальные члены (их называют материнскими) радиоактивных рядов – самые долгоживущие: период полураспада урана-238 равен 4,47 млрд. лет, тория-232 – 14,05 млрд. лет, урана-235 (он же «актиноуран» – родоначальник ряда актиния) – 703,8 млн. лет. Все последующие («дочерние») члены этой длинной цепочки живут существенно меньше. В таком случае наступает состояние, которое радиохимики называют «радиоактивным равновесием»: скорость образования промежуточного радионуклида из материнского урана, тория или актиния (эта скорость очень мала) равна скорости распада этого нуклида. В результате равенства этих скоростей содержание данного радионуклида постоянно и зависит только от периода его полураспада: концентрация короткоживущих членов радиоактивных рядов мала, долгоживущих членов – больше. Такое постоянство содержания промежуточных продуктов распада сохраняется в течение очень длительного времени (это время определяется периодом полураспада материнского нуклида, а оно очень велико). Простые математические преобразования приводят к следующему выводу: отношение числа материнских (N 0) и дочерних (N 1, N 2, N 3...) атомов прямо пропорционально их периодам полураспада: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Так, период полураспада урана-238 составляет 4,47·10 9 лет, радия-226 – 1600 лет, поэтому отношение числа атомов урана-238 и радия-226 в урановых рудах равно 4,47·10 9:1600, откуда легко подсчитать (с учетом атомных масс этих элементов), что на 1 т урана при достижении радиоактивного равновесия приходится всего 0,34 г радия.

И наоборот, зная соотношение в рудах урана и радия, а также период полураспада радия, можно определить период полураспада урана, при этом для определения периода полураспада радия не нужно ждать более тысячи лет – достаточно измерить (по его радиоактивности) скорость распада (т.е. величину dN /dt ) небольшого известного количества этого элемента (с известным числом атомов N ) и затем по формуле dN /dt = –N определить величину  = ln2/T 1/2.

Закон смещения. Если на периодическую таблицу элементов нанести последовательно члены какого-либо радиоактивного ряда, то окажется, что радионуклиды в этом ряду не смещаются плавно от материнского элемента (урана, тория или нептуния) к свинцу или висмуту, а «прыгают» то вправо, то влево. Так, в ряду урана два нестабильных изотопа свинца (элемент № 82) превращаются в изотопы висмута (элемент № 83), затем – в изотопы полония (элемент № 84), а те – снова в изотопы свинца. В результате радиоактивный элемент часто возвращается назад – в ту же клетку таблицы элементов, однако при этом образуется изотоп с другой массой. Оказалось, что во этих «прыжках» есть определенная закономерность, которую в 1911 заметил Ф.Содди.

Сейчас известно, что при -распаде из ядра вылетает -частица (ядро атома гелия, ), следовательно, заряд ядра уменьшается на 2 (смещение в периодической таблице на две клетки влево), а массовое число уменьшается на 4, что позволяет предсказать, какой именно изотоп нового элемента образуется. Иллюстрацией может служить -распад радона:  + . При -распаде, наоборот, число протонов в ядре увеличивается на единицу, а масса ядра не изменяется (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ), т.е. происходит смещение в таблице элементов на одну клетку вправо. Примером могут служить два последовательных превращения образовавшегося из радона полония:   . Таким образом, можно подсчитать, сколько всего альфа- и бета-частиц испускается, например, в результате распада радия-226 (см. ряд урана), если не учитывать «вилки». Исходный нуклид , конечный – . Уменьшение массы (вернее, массового числа, то есть суммарного числа протонов и нейтронов в ядре) равно 226 – 206 = 20, следовательно, было испущено 20/4 = 5 альфа-частиц. Эти частицы унесли с собой 10 протонов, и если бы не было -распадов, заряд ядра конечного продукта распада был бы равен 88 – 10 = 78. В действительности в конечном продукте 82 протона, следовательно, в ходе превращений 4 нейтрона превратились в протоны и было испущено 4 -частицы.

Очень часто после -распада следуют два -распада, и таким образом образующийся элемент возвращается в исходную клетку таблицы элементов – в виде более легкого изотопа исходного элемента. Благодаря этим фактам стало очевидным, что периодический закон Д.И.Менделеева отражает связь между свойствами элементов и зарядом их ядра, а не их массой (как это было сформулировано первоначально, когда строение атома не было известно).

Окончательно закон радиоактивного смещения был сформулирован в 1913 в результате кропотливых исследований многих ученых. Среди них следует отметить ассистента Содди Александра Флека, стажера Содди А.С.Рассела, венгерского физикохимика и радиохимика Дьёрдя Хевеши, который в 1911–1913 работал у Резерфорда в Манчестерском университете, и немецкого (а впоследствии американского) физикохимика Казимира Фаянса (1887–1975). Этот закон часто называют законом Содди – Фаянса.

Искусственное превращение элементов и искусственная радиоактивность. Еще со времен Беккереля было замечено, что самые обычные вещества, побывавшие рядом с радиоактивными соединениями, сами становятся в большей или меньшей степени радиоактивными. Резерфорд называл это «возбужденной активностью», супруги Кюри – «наведенной активностью», но суть явления долго никто не мог объяснить.

В 1919 Резерфорд изучал прохождение -частиц через различные вещества. Оказалось, что при ударе быстро летящих -частиц о ядра легких элементов, например, азота, из них изредка могут выбиваться быстро летящие протоны (ядра водорода), при этом сама -частица входит в состав ядра, которое увеличивает свой заряд на единицу. Таким образом, в результате реакции +  + из азота образуется другой химический элемент – кислород (тяжелый его изотоп). Это была первая искусственно проведенная реакция превращения одного элемента в другой. В этой, а также всех других ядерных процессах сохраняется как суммарный заряд (нижние индексы), так и массовое число, т.е. суммарное число протонов и нейтронов (верхние индексы).

Сбылась вековая мечта алхимиков: человек научился превращать одни элементы в другие, правда, практического выхода от этого умения во времена Резерфорда никто не ожидал. Действительно, для получения -частиц, нужно было иметь их источник, например, препарат радия. Хуже того, на миллион «выпущенных по азоту» -частиц в среднем получалось всего лишь 20 атомов кислорода.

Со временем были реализованы и другие ядерные реакции, и многие из них получили практическое применение. В апреле 1932 на заседании английской Академии наук (Королевского общества) Резерфорд объявил, что в его лаборатории успешно осуществлены реакции расщепления легких элементов (например, лития) протонами. Для этого протоны, полученные из водорода, разгоняли с помощью высокого напряжения, равного десяткам или даже сотням тысяч вольт. Протоны, имея меньший, чем -частицы, заряд и массу, легче проникают в ядро. Внедряясь в ядро лития-7, протон превращает его в ядро бериллия-8, которое практически мгновенно «сбрасывает» избыток энергии, разваливаясь пополам, на две -частицы: +  ()  2. Если же взять легкий изотоп лития (в природном литии его 7,5%), то образуются ядра двух изотопов гелия: +  ()  + . При обстреле протонами кислорода был получен фтор: +  + ; при обстреле алюминия – магний: + + .

Множество разнообразных превращений было проведено с разогнанными до высоких скоростей дейтронами – ядрами тяжелого изотопа водорода дейтерия. Так, в ходе реакции +  + впервые был получен сверхтяжелый водород – тритий. Столкновение двух дейтронов может идти иначе: +  + , эти процессы важны для изучения возможности управляемой термоядерной реакции. Важной оказалась реакция +  ()  2, поскольку она идет уже при сравнительно небольшой энергии дейтронов (0,16 МэВ) и сопровождается при этом выделением колоссальной энергии – 22,7 МэВ (напомним, что 1 МэВ = 10 6 эВ, а 1 эВ = 96,5 кДж/моль).

Большое практическое значение получила реакция, идущая при обстреле бериллия -частицами: +  ()  + , она привела в 1932 к открытию нейтральной частицы нейтрона, а радий-бериллиевые источники нейтронов оказались очень удобными для научных исследований. Нейтроны с разной энергией можно получать и в результате реакций +  + ; +  + ; +  + . Не имеющие заряда нейтроны особенно легко проникают в атомные ядра и вызывают разнообразные процессы, которые зависят как от обстреливаемого нуклида, так и от скорости (энергии) нейтронов. Так, медленный нейтрон может быть просто захвачен ядром, а от некоторого избытка энергии ядро освобождается путем испускания гамма-кванта, например: +  + . Эта реакция широко используется в ядерных реакторах для регулирования реакции деления урана: для замедления реакции в ядерный котел вдвигаются кадмиевые стержни или пластины.

В 1934 супуги Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри сделали важное открытие. Подвергнув бомбардировке -частицами некоторые легкие элементы (их испускал полоний), они ожидали реакции, сходной с уже известной для бериллия, т.е. выбивания нейтронов, например:

Если бы дело ограничивалось этими превращениями, то после прекращения -облучения нейтронный поток должен был немедленно иссякнуть, так что, убрав полониевый источник, они ожидали прекращения всякой активности, но обнаружили, что счетчик частиц продолжает регистрировать импульсы, которые постепенно затухали – в точном соответствии с экспоненциальным законом. Это можно было интерпретировать единственным способом: в результате альфа-облучения возникали не известные ранее радиоактивные элементы с характерным периодом полураспада – 10 мин для азота-13 и 2,5 мин для фосфора-30. Оказалось, что эти элементы претерпевают позитронный распад:  + e + ,  + e + . Интересные результаты получились с магнием, представленным тремя стабильными природными изотопами, и оказалось, что при -облучении все они дают радиоактивные нуклиды кремния или алюминия, которые претерпевают 227- или позитронный распад:

Получение искусственных радиоактивных элементов имеет большое практическое значение, так как позволяет синтезировать радионуклиды с удобным для конкретной цели периодом полураспада и нужным видом излучения с определенной мощностью. Особенно удобно использовать в качестве «снарядов» нейтроны. Захват нейтрона ядром часто делает его настолько нестабильным, что новое ядро становится радиоактивным. Устойчивым оно может стать за счет превращения «лишнего» нейтрона в протон, то есть за счет 227-излучения; таких реакций известно очень много, например: +   + e. Очень важна протекающая в верхних слоях атмосферы реакция образования радиоуглерода: +  + (см. РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА). Путем поглощения медленных нейтронов ядрами лития-6 синтезируют тритий. Многие ядерные превращения можно получить под действием быстрых нейтронов, например: +  + ; +  + ; +  + . Так, облучая нейтронами обычный кобальт, получают радиоактивный кобальт-60, являющийся мощным источником гамма-излучения (оно выделяется продуктом распада 60 Со – возбужденными ядрами ). Путем облучения нейтронами получают некоторые трансурановые элементы. Например, из природного урана-238 образуется сначала неустойчивый уран-239, который при -распаде (Т 1/2 = 23,5 мин) превращается в первый трансурановый элемент нептуний-239, а он, в свою очередь, также путем -распада (Т 1/2 = 2,3 сут) превращается в очень важный так называемый оружейный плутоний-239.

Можно ли искусственным путем, проведя нужную ядерную реакцию, получить золото и таким образом осуществить то, что не удалось алхимикам? Теоретически для этого нет препятствий. Более того, такой синтез уже был проведен, однако богатство не принес. Проще всего было бы для искусственного получения золота облучать потоком нейтронов ртуть – элемент, следующий в периодической таблице за золотом. Тогда в результате реакции +  + нейтрон выбил бы из атома ртути протон и превратил его в атом золота. В этой реакции не указаны конкретные значения массовых чисел (А ) нуклидов ртути и золота. Золото в природе представлено единственным стабильным нуклидом , а природная ртуть – это сложная смесь изотопов с А = 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) и 204 (6,87%). Следовательно, по приведенной схеме можно получить только неустойчивое радиоактивное золото. Его и получила группа американских химиков из Гарвардского университета еще в начале 1941, облучая ртуть потоком быстрых нейтронов. Через несколько дней все полученные радиоактивные изотопы золота путем бета-распада вновь превратились в исходные изотопы ртути...

Но есть и другой путь: если атомы ртути-196 облучать медленными нейтронами, то они превратятся в атомы ртути-197: +  + . Эти атомы с периодом полураспада 2,7 сут претерпевают электронный захват и превращаются, наконец, в стабильные атомы золота: + e  . Такое превращение осуществили в 1947 сотрудники Национальной лаборатории в Чикаго. Облучая 100 мг ртути медленными нейтронами, они получили 0,035 мг 197Au. По отношению ко всей ртути выход очень мал – всего 0,035%, но относительно 196Hg он достигает 24%! Однако изотопа 196 Hg в природной ртути как раз меньше всего, кроме того, и сам процесс облучения и его длительность (облучать потребуется несколько лет), и выделение стабильного «синтетического золота» из сложной смеси обойдется неизмеримо дороже, чем выделение золота из самых бедных его руд (см. также ЗОЛОТО). Так что искусственное получение золота имеет лишь чисто теоретический интерес.

Количественные закономерности радиоактивных превращений. Если бы можно было проследить за конкретным нестабильным ядром, то бы предсказать, когда он распадется, не удалось бы. Это случайный процесс и лишь в отдельных случаях можно оценить вероятность распада в течение определенного времени. Однако даже в мельчайшей пылинке, почти не видимой в микроскоп, содержится огромное число атомов, и если эти атомы радиоактивны, то их распад подчиняется строгим математическим закономерностям: вступают в силу статистические законы, характерные для очень большого числа объектов. И тогда каждый радионуклид можно охарактеризовать вполне определенной величиной – периодом полураспада (T 1/2) – это время, за которое распадается половина имеющегося числа ядер. Если в начальный момент было N 0 ядер, то спустя время t = T 1/2 их останется N 0/2, при t = 2T 1/2 останется N 0/4 = N 0/2 2 , при t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 и т.д. В общем случае при t = nT 1/2 останется N 0/2 n ядер, где n = t /T 1/2 – число периодов полураспада (оно не обязательно должно быть целым). Легко показать, что формула N = N 0/2 t / T 1/2 эквивалентна формуле N = N 0e –   t , где  – так называемая постоянная распада. Формально она определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью распада dN /dt и имеющимся числом ядер: dN /dt = –N (знак минус показывает, что N уменьшается со временем). Интегрирование этого дифференциального уравнения и дает экспоненциальную зависимость от времени числа ядер. Подставляя в эту формулу N = N 0/2 при t = T 1/2, получают что постоянная распада обратно пропорциональна периоду полураспада:  = ln2/T 1/2 = 0,693/T 1/2. Величина  = 1/ называется средним временем жизни ядра. Например, для 226 Ra T 1/2 = 1600 лет,  = 1109 лет.

По приведенным формулам, зная величину T 1/2 (или ), легко рассчитать количество радионуклида через любой промежуток времени, по ним же можно рассчитать период полураспада, если известно количество радионуклида в разные моменты времени. Вместо числа ядер можно подставить в формулу активность излучения, которая прямо пропорциональна наличному числу ядер N . Активность обычно характеризуют не общим числом распадов в образце, а пропорциональным ему числом импульсов, которые регистрирует прибор, измеряющий активность. Если есть, например, 1 г радиоактивного вещества, то чем меньше период его полураспада, тем большей активностью будет обладать вещество.

Другие математические закономерности описывают поведение малого числа радионуклидов. Здесь можно говорить лишь о вероятности того или иного события. Пусть, например, есть один атом (точнее, одно ядро) радионуклида с T 1/2 = 1 мин. Вероятность того, что этот атом проживет 1 минуту, равна 1/2 (50%), 2 минуты – 1/4 (25%), 3 минуты – 1/8 (12,5%), 10 минут – (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 мин – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Для единственного атома шанс ничтожный, но когда атомов очень много, например, несколько миллиардов, то многие из них, без сомнения, проживут и 20 периодов полураспада и намного больше. Вероятность же того, что атом распадется за некоторый промежуток времени, получается вычитанием полученных значений из 100. Так, если вероятность атома прожить 2 минуты равна 25%, то вероятность распада того же атома в течение этого времени равна 100 – 25 = 75%, вероятность распада в течение 3 минут – 87,5%, в течение 10 минут – 99,9% и т.д.

Формула усложняется, если нестабильных атомов несколько. В этом случае статистическая вероятность того или иного события описывается формулой с биномиальными коэффициентами. Если есть N атомов, и вероятность распада одного из них за время t равна p , то вероятность того, что за время t из N атомов распадется n (и останется соответственно N – n ), равна P = N !p n (1–p ) N – n /(N –n )!n ! Подобные формулы приходится использовать при синтезе новых нестабильных элементов, атомы которых получают буквально поштучно (например, когда группа американских ученых в 1955 открыла новый элемент Менделевий, они получили его в количестве всего 17 атомов).

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых , удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения.
На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась.
На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления.
Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых , очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии.
Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр.
В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался.
Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж.
И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия?
По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений.
Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы.
Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать.
Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее.
В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов.
Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала.
И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Итак, при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов.
Остановимся на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число а-частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле.
Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается.
Ученый предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.

Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность.
Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем.
Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю.
Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом.
Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.

Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий.
Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям.
В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается.
В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица.
В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-излучением.

Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества.
Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.
Ведь α-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент.
Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.

Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц .

Правило смещения

Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения , сформулированному впервые Содди.

При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и его масса М убывает примерно на четыре атомные единицы массы.
В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы.

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа.
Например, водород обозначается символом
Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д.
При β-распаде из ядра вылетает электрон
В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при β-распаде часть энергии.
Образованием антинейтрино сопровождается β-распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.

После β-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. .

Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.

Итак,
при радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.