Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

На два последних вопроса ответят теория относительности и квантовая механика. На первый вопрос вскоре нашли ответ сами радиохимики.

Главное затруднение химиков заключалось в том, что радиоэлементы, как правило, нельзя было выделить в количествах, достаточных для проведения стандартных химических анализов. Поэтому их присутствие устанавливали по испускаемому ими характерному излучению, а между собой их различали по присущим им периодам полураспада. Постепенно произошла подмена понятий: радиоэлементом стали называть не вещество с набором характерных химических свойств, а элемент с определенным периодом полураспада. В этом проявилось изменение психологии исследователей: совсем недавно они встретили гипотезу радиоактивного распада как отрицание самой идеи неизменных химических элементов, теперь же, чтобы установить присутствие в смеси какого-либо радиоэлемента, они используют именно факт распада его атомов! При всем остроумии и плодотворности этого метода, окончательное суждение о химической природе радиоэлемента остается за химией. Именно этим правилом руководствовалась Мария Кюри в своем стремлении выделить химически чистый радий, и, достигнув цели, она одновременно доказала, что радиоактивность никак не изменяет химических свойств элемента и, в свою очередь, не зависит от них.

Другая проблема, которая ставила в тупик радиохимиков той поры, состояла в том, что в некоторых случаях радиоэлементы, явно различающиеся между собой и периодом полураспада, и типом излучения, никак не удавалось отделить друг от друга известными химическими методами. Например, радий D не отделялся от свинца, радий С — от висмута, а «ионий» — от тория. И, наконец, радиоэлементов стало слишком много: казалось положительно невозможным разместить 30 элементов с различными периодами полураспада в те 12 клеток таблицы Менделеева, которые к тому времени оставались свободными.

В 1913 г. несколько исследователей одновременно подошли к решению этих загадок. В то время об атоме уже знали много больше, чем на пороге века: в 1909 г. сообщил о своих первых опытах Перрен, в том же году Милликен измерил заряд электрона, в 1911 г. Резерфорд доказал существование ядер атомов, годом позже стали известны опыты Лауэ, а в 1913 г. появились сразу: модель атома Бора, работа Мозли и гипотеза Ван ден Брука о равенстве заряда ядра его порядковому номеру в таблице Менделеева. Все это, несомненно, помогло Фредерику Содди сформулировать понятие изотоп и тем самым завершить многолетний труд радиохимиков.

ИЗОТОПЫ

Представьте, что у вас в руках 30 монет разного достоинства: одна, две, три, пять и т. д. копеек, — рассортировать их по стопкам должным образом не составляет труда. При этом никого не смущает тот очевидный факт, что в каждой из стопок не все монеты полностью одинаковы. Например, кроме цифры 5 на пятикопеечных монетах выбит еще год их выпуска, и, весьма вероятно, у некоторых он различен. Но если мы интересуемся лишь покупательной способностью монет, то эту деталь можно не принимать во внимание.

С радиоактивными элементами нужно было поступить точно так же: разбить их на группы с одинаковыми химическими свойствами и, не обращая внимания на различие

периодов полураспада элементов, попавших в эту группу, поместить их в одну и ту же клетку таблицы Д. И. Менделеева. («Изотоп» в переводе с греческого именно это и означает: «занимающий одно и то же место».)

В наше время эта мысль может показаться попросту тривиальной. В самом деле, общеизвестно, что атом — это система, состоящая из ядра и электронов. Ядро имеет две характеристики: заряд и массу. Заряд ядра равен количеству электронов в атоме и полностью определяет химические свойства элемента. Масса ядра определяет его атомную массу и период полураспада, но никак не влияет на его химические свойства и вовсе не обязана быть одинаковой у всех ядер атомов одного и того же элемента. Поэтому не следует удивляться, если в одной клетке таблицы Д. И. Менделеева окажется несколько атомов с разной атомной массой, но — обязательно — одинаковым зарядом ядра. Такая смесь изотопов совершенно однородна и неразложима никакими химическими способами, хотя, с точки зрения радиохимика, представляет собой совокупность различных радиоэлементов с характерным для каждого из них периодом полураспада.

Обращаясь к нашей аналогии с монетами, химиков можно уподобить обычным людям — они интересуются лишь достоинством монет. Радиохимики же напоминают нумизматов, для которых наибольший интерес представляет как раз год выпуска монеты, а не их достоинство.

Глубокий смысл гипотезы об изотопах окончательно прояснится лишь в 1932 г., после того, как будет открыт нейтрон и утвердится протонно-нейтронная модель ядра. Однако следствия из этой гипотезы можно было извлечь немедленно. Прежде всего, теперь для полного определения элемента необходимо было задавать две характеристики: заряд и массу ядра, которые обычно пишут слева от символа элемента. Например, символ

означает изотоп радия с зарядом ядра 88 и массой 226, символ 12Н — тяжелый изотоп водорода — дейтерий, а символ 24Не2+ — дважды ионизированный атом гелия с массой 4, то есть попросту α-частицу.

Радиоактивный распад радия на радон и гелий можно представить теперь в виде схемы

которая очень напоминает уравнения обычных химических реакций. В действительности это и есть настоящая реакция, только реакция ядерная (наконец-то мы можем пользоваться этим термином!). В реакции α-распада масса исходного ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2, поэтому химические свойства образовавшегося атома полностью отличны от свойств исходного, так как в таблице Менделеева он смещается на 2 клетки влево.

При β-распаде, согласно тогдашним представлениям, из ядра каким-то образом излучается электрон, в результате чего заряд исходного ядра увеличивается на 1 (в таблице Менделеева исходный элемент смещается на 1 клетку вправо), а его масса остается практически неизменной. Например, именно так образуется из радиоактивного висмута полоний, открытый Марией и Пьером Кюри:

С помощью этих простых правил (так называемых правил смещения Содди — Фаянса) удалось, наконец, распутать цепочки радиоактивных превращений и каждому радиоэлементу найти свое место в периодической системе: все они спокойно уместились в семь клеток таблицы Менделеева в промежутке между свинцом и ураном. Оказалось, кроме того, что все известные в то время радиоэлементы группируются в три радиоактивных семейства: урана, тория и актиния, в которых каждый последующий элемент ряда получается из предыдущего путем излучения α- или β-частицы.

РАДИОАКТИВНОЕ СЕМЕЙСТВО УРАНА

На схеме представлено семейство урана. Не торопитесь ее перелистывать! Представьте на минуту, сколько