Дмитрий Иванович Менделеев

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ИЗУЧЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

Периодический закон помог раскрыть строение атома, он позволил вскрыть природу валентности и химических реакций. Периодический закон помог также проникнуть внутрь самого атомного ядра.

Атомное ядро занимает весьма малый объем по сравнению с объемом всего атома; но именно в ядре сосредоточена в основном масса атома, так как электроны обладают массой, примерно в 1836 раз меньшей, чем масса частиц, входящих в состав атомного ядра. Диаметр атомного ядра в десятки тысяч раз меньше, чем диаметр атома. Если бы диаметр атома увеличился до размеров диаметра Москвы, то атомное ядро выглядело бы как футбольный мяч.

С представлением о составе атомных ядер связана важная проблема, поставленная периодической системой. В этой системе мы встречаем, во-первых, порядковое число, правильно вырастающее на единицу при переходе от клетки к соседней, следующей клетке. Во-вторых, мы встречаем атомный вес, характеризующий элемент, находящийся в каждой клетке. Атомный вес также растет, но он растет не так правильно, как порядковый номер элемента. Это отношение между порядковым числом (номером) и атомным весом разъяснилось в 30-е годы нашего столетия, когда были открыты электрически незаряженные частицы — нейтроны — и выяснилось, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют примерно одинаковую массу (равную, естественно, массе атомного ядра водорода, так как ядро водорода— это протон). Эту массу можно принять за единицу. Тогда масса ядра каждого атома, например, кислорода (атомный номер 8), равна 16. В тяжелых же ядрах, например, в ядре ртути (атомный номер 80, масса, или, точнее, массовое число, 200) на 80 протонов приходится 120 нейтронов. Таким образом, массовое число равно числу нейтронов и протонов вместе в данном ядре. Это дает нам ответ на вопрос о параллельном возрастании порядковых номеров и атомных весов элементов. При данном числе протонов атомные ядра могут обладать в известных пределах различным числом нейтронов. Веса подобных ядер, а значит и атомов, будут различны, но заряд ядра и число электронов, вращающихся вокруг ядра, — одинаковы. Следовательно, химические свойства этих атомов будут также практически совпадать, и мы должны будем поместить их в одну и ту же клетку периодической системы.

Подобные разновидности элементов, состоящие из атомов с одним и тем же числом протонов и различным числом нейтронов в ядре, называются изотопами. Они были впервые открыты у естественно радиоактивных элементов. Дальнейшие исследования показали, что и все обычные устойчивые элементы также являются смесями изотопов. Кислород, например, есть смесь изотопов с массами 16, 17, 18. Кроме обычного водорода, существует еще «тяжелый водород», или дейтерий, с массой 2, который, соединяясь с кислородом, дает «тяжелую воду». Масса атома дейтерия приблизительно вдвое больше массы атома водорода, потому что в ядре дейтерия, так называемом дейтероне, содержится протон плюс нейтрон, а ядро водорода состоит только из одного протона. Дейтерий содержится в обычном водороде в очень небольших количествах, в среднем около 0,02 %.

Природный уран также является смесью различных изотопов. Большую часть смеси составляет тяжелый изотоп, в ядре которого, кроме 92 протонов, имеется 146 нейтронов — всего 238 частиц. Это так называемый уран 238 (U²³⁸). Наряду с ним в природном уране имеется небольшое количество (около 0,7 %) более легкого изотопа, в ядре которого вместе с 92 протонами содержится 143 нейтрона — всего 235 частиц. Этот более легкий изотоп урана называется уран 235 (U²³⁵).

Теперь нам придется вернуться к радиоактивному излучению. Выше говорилось об альфа-лучах. Они представляют собой поток альфа-частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, альфа-частица — это ядро гелия. Мы писали и о других лучах, испускаемых радиоактивными телами, — бета-лучах. Бета-лучи — это поток электронов. Радиоактивное излучение происходит вследствие распада атомных ядер. Альфа-распад (т. е. распад, в результате которого возникают альфа-лучи) означает, что из ядра данного элемента вылетает альфа-частица, т. е. ядро гелия. Иными словами, при альфа-распаде ядро теряет четыре частицы: два протона и два нейтрона. Потеря четырех частиц означает уменьшение атомного веса на четыре единицы. При бета-распаде, т. е. при вылете из атомного ядра электрона, образуется новое ядро почти с тем же атомным весом (масса электрона очень мала), но при этом заряд ядра становится на единицу больше. Дело в том, что при бета-распаде один из нейтронов превращается в протон плюс электрон; электрон-то и вылетает из ядра, а образовавшийся вместо нейтрона протон увеличивает заряд ядра на единицу. Поэтому после бета-распада каждый элемент оказывается уже в другой клетке менделеевской таблицы, так как его порядковое число (равное положительному заряду атома) становится на единицу больше. Иначе говоря, элемент переходит направо, в следующую клетку менделеевской таблицы. Напротив, при альфа-распаде атомное ядро теряет два нейтрона и два протона, иначе говоря — два положительных заряда, поэтому число протонов и вместе с тем заряд ядра уменьшается на две единицы, следовательно, элемент передвигается на две клетки налево, приближаясь к началу периодической таблицы. Если в ядро влетает нейтрон — частица, электрически незаряженная, то заряд ядра не меняется, а масса ядра увеличивается примерно на единицу атомного веса. Таким образом, элемент остается в той же клетке периодической системы и его порядковый номер не изменяется. Однако, поскольку число нейтронов и, следовательно, масса ядра увеличивается при этом на единицу, перед нами оказывается новый, более тяжелый изотоп того же элемента.

Нужно сказать, что попадания протонов в ядра могут происходить лишь при определенных условиях: протон заряжен положительно, так же как и ядро атома, поэтому ядро и протон отталкиваются друг от друга и протон может попасть в ядро лишь при движении с большой скоростью. Поэтому бомбардировка атомного ядра протонами требует, чтобы летящим протонам была сообщена очень большая энергия.

Бомбардировка атомных ядер протонами, нейтронами или альфа-частицами широко применялась в начале 30-х годов нашего века и привела к ряду важных в практическом и теоретическом отношении открытий. Значительные успехи были достигнуты после того, как для бомбардировки ядер начали применять нейтроны. Нейтроны не имеют электрического заряда, они не испытывают отталкивания со стороны атомного ядра и легче попадают в цель.

В самом конце 30-х годов нашего века с помощью нейтронной бомбардировки были получены результаты, все значение которых можно было оценить только впоследствии. Благодаря работам немецких ученых О. Гана и Ф. Штрассмана, а также австрийского физика Лизы Мейтнер выяснилось, что при бомбардировке нейтронами ядер урана ядро раскалывается на приблизительно равные части. Эти части ядер, имея положительный заряд, отталкиваются друг от друга с громадной силой. Поэтому деление ядер урана — источник чрезвычайно большого количества энергии. Ее можно было получить только в том случае, если реакция распада, раз начавшись, продолжалась бы сама собой, иначе процесс для своего продолжения требовал бы затраты большой энергии со стороны.

Подобная цепная, непрерывная и самоускоряющаяся, реакция деления атомных ядер урана была получена главным образом благодаря работам Фредерика Жолио-Кюри, который в 1939 году одним из первых открыл, что при раскалывании (делении) ядра урана (как впоследствии выяснилось, урана 235) выделяются свободные нейтроны, которые могут попасть в соседние ядра урана и т. д. и вызвать непрерывную и быстро ускоряющуюся реакцию. Деление урана будет продолжаться в быстро растущих масштабах. Когда речь идет о делении атомного ядра урана, для начала цепной реакции даже и не нужен внешний источник нейтронов. Советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли важное свойство урана. Оказывается, ядра урана время от времени самопроизвольно делятся. Это происходит крайне редко, но этого достаточно, чтобы в куске урана началась цепная реакция деления.

В дальнейшем усилия физиков были направлены на то, чтобы осуществить цепную реакцию деления урана. Дело в том, что наиболее распространенный в природных условиях изотоп — уран 238 — захватывает выделившиеся нейтроны, и они остаются в атомных ядрах этого изотопа, не приводя к делению и появлению новых нейтронов. Цепная реакция могла бы осуществляться, если бы удалось выделить из природного урана легкий изотоп — уран 235. Но оба изотопа химически почти не отличаются друг от друга, и их трудно разделить. В конце концов это удалось сделать. Одновременно физики пришли к другому результату, также значительно приблизившему возможность получения и использования атомной энергии. Уран 238, захватывая нейтроны, переходит в новый, более тяжелый изотоп — уран 239. Этот радиоактивный изотоп испускает бета-частицы, в результате чего, как мы знаем, увеличивается порядковый номер, иначе говоря, элемент переходит в следующую клетку периодической таблицы, получается новый элемент с порядковым номером 93 (порядковый или атомный номер обычно обозначают буквой Z). Новый элемент получил название нептуния. Он также радиоактивен и испытывает бета-распад. Из него образуется новый элемент плутоний с порядковым номером 94. Этот элемент распадается медленно, период его полураспада около 24 тысяч лет. Наиболее важным для получения атомной энергии является то, что плутоний 239, как и уран 235, делится под влиянием столкновений с нейтронами и при делении каждого ядра вылетает в среднем два нейтрона. В этом отношении плутоний ведет себя так же, как и уран 235: деление ядер плутония приобретает характер ускоряющейся цепной реакции.

Впоследствии удалось получить ряд так называемых трансурановых элементов, занимающих следующие после урана клетки периодической системы Менделеева. За нептунием (Z=93) и плутонием (Z=94) идет америций (Z=95), кюрий (Z=96), беркелий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99), фермий (Z=100), менделевий (Z=101), нобилий (Z=102). Названия элементов 96, 99, 100 и 101 напоминают о естествоиспытателях, проложивших путь к открытию трансурановых элементов и в целом к новой эпохе в развитии представлений об элементах, атомах и атомных ядрах. Мировая наука запечатлела в названиях элементов имена Кюри, Эйнштейна, Ферми и Менделеева. Имя супругов Кюри связано с открытием радия и началом систематического изучения ядерных реакций, объяснивших связь между различными элементами, установленную еще в 60-е годы прошлого века открытием периодического закона. Эйнштейн показал связь энергии с массой вещества и этим далеко продвинул вперед изучение энергии атомного ядра. Ферми внес очень большой вклад в представления о воздействии нейтронной бомбардировки на атомные ядра и в разработку представлений о ядрах атомов. Имя Менделеева, запечатленное в названии 101 элемента, периодической системы, напоминает о великом научном подвиге русского ученого, указавшего на связь между элементами как на универсальный закон природы. Расшифровывая эту связь, наука поднялась на новую ступень, пришла к представлению об элементарных частицах, к новой картине строения атомных ядер, атомов и молекул, к новой картине строения вещества в целом.

Новая ступень в развитии науки неразрывно связана с новой техникой, использованием новых источников энергии, перестройкой на этой основе технологии всех отраслей промышленности, созданием новой техники транспорта и новых условий быта. Речь идет об атомной энергии и ее промышленном применении.

В конце 1942 года Ферми и его ученики и сотрудники построили новую установку, в которой происходило деление атомных ядер урана. Такая установка получила название атомного реактора, или «атомного котла». В таком реакторе находятся урановые стержни, и с течением времени из урана образуется плутоний. Урановые стержни через некоторое время вынимают из котла, отправляют в химические цехи, где плутоний отделяют от урана различными химическими операциями. Уран направляется снова в атомный котел, а плутоний хранится на складах небольшими кусками. Почему эти куски должны быть небольшими? Здесь мы подходим к чрезвычайно важному обстоятельству. Когда начинается цепная реакция, то появившиеся вторичные нейтроны до того, как они сталкиваются с атомными ядрами, проходят в среднем сравнительно большое расстояние — около 10 см. Если кусок урана 235 или плутония невелик, то большая часть нейтронов вылетает наружу и не поддерживает цепную реакцию. Но если масса куска урана равна или больше так называемой критической массы, то значительная часть нейтронов не достигает поверхности куска, попадает в ядра урана, вызывает деление этих ядер, и дело принимаем иной оборот. С каждым новым делением нейтронов становится все больше, реакция ускоряется после каждого нового деления, число свободных нейтронов растет в прогрессии 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и т. д., т. е. чрезвычайно быстро. В течение миллионной доли секунды произойдет примерно сто последовательных делений, т. е. за этот срок большая часть ядер урана разделится, или, проще говоря, этот кусок урана взорвется. Если быстро соединить два куска урана, не достигающих критической массы, в один кусок, превышающий критическую массу, то произойдет атомный взрыв.

При взрыве освобожденная энергия резко повышает температуру среды, окружающую точку, в которой произошел взрыв. В центре огненного шара эта температура достигает на короткое время миллионов градусов. Огненный шар быстро увеличивается и, остывая, превращается в клубящееся облако, которое поднимается на высоту 10–15 км и постепенно рассеивается. Атомный взрыв сопровождается одновременным действием мощной ударной волны, светового излучения, проникающей радиации, а также радиоактивным заражением воздуха и местности.

Атомные бомбы, сброшенные в 1945 году на японские города Хиросима и Нагасаки, были причиной гибели сотен тысяч мирных жителей. Народы всего мира ведут непрерывную борьбу за запрещение атомного оружия, за мирное применение энергии ядер.

Наряду с распадом атомных ядер тяжелых элементов, например урана, существует другой способ получения атомной энергии, основанный уже не на распаде, а на соединении легких ядер в более тяжелые. Из тяжелых элементов, находящихся в самом конце периодической таблицы Менделеева — урана, плутония и т. д., энергия выделяется при распаде ядер, а у легких элементов, стоящих в начале менделеевской периодической системы, энергия выделяется при образовании более тяжелых ядер из легких. Подобные реакции называются термоядерными. Примером их служит образование ядра гелия из ядер водорода. Такая реакция используется в водородной бомбе. Водородная бомба — еще более разрушительное оружие, чем атомная бомба из урана или плутония.

Если применение деления тяжелых атомных ядер и термоядерных реакций в военных целях угрожает человечеству разрушительными взрывами атомных и водородных бомб, то мирное применение ядерных реакций позволяет создать новую техническую базу во всех отраслях производства. Советский Союз, располагая атомным и водородным оружием, борется за его запрет и за мирную атомную и термоядерную энергетику. Его поддерживает в этой борьбе подавляющее большинство человечества.

На пороге атомной эры человечество отметило пятидесятилетие со дня смерти великого русского ученого, который своим гениальным открытием — периодической системой — помог науке проникнуть в тайны внутренней структуры атома и найти пути освобождения атомной энергии. Человечество видит в Менделееве одного из тех людей, чьи работы стали вехами прогресса. Жизнь ученого, его постоянное стремление принести возможно большую пользу родному народу и всему человечеству, благородная настойчивость, поразительная научная смелость делают образ Менделеева близким и дорогим советскому народу и всем простым людям мира. Они хранят благодарную память о мыслителе, весь жизненный и творческий путь которого был непрерывным служением людям и научной истине.