Путешествие в Страну элементов

Превращение элементов

Все началось с открытия Рентгена. В 1895 году он обнаружил невидимые лучи, способные проходить сквозь вещества, непроницаемые для обычных световых лучей. Их можно было заметить по действию на фотопластинку, которую они засвечивали, даже если она была обернута в черную бумагу. Рентген назвал их икс-лучами, поскольку не мог установить их природы. Теперь они известны всем как рентгеновы.

Икс-лучи вызвали огромный интерес ученых всего мира.

Французский физик Анри Беккерель решил выяснить, не связано ли появление рентгеновых лучей с флуоресценцией. Так называется холодное свечение некоторых веществ. К ним относится, в частности, калий уранил-нитрат. «Облученные ярким солнечным светом соли урана испускают рентгеновы лучи», — вскоре заявил Беккерель. Казалось, все было в порядке вещей, но ученый обнаружил, что урановые соединения испускали лучи, даже если их предварительно не освещали. Более того, интенсивность излучения всегда была пропорциональна содержанию урана в солях. Наиболее «лучистым» оказался металлический уран. Пришлось Беккерелю заявить, что он открыл новые, «урановые» лучи.

Вскоре супруги Мария и Пьер Кюри, систематически исследовав многие соединения, пришли к любопытному выводу: неизвестные лучи испускают также и препараты тория. Появились новые, «ториевые» лучи. Все это было загадочно и непонятно. «Лучевая лихорадка» приобрела характер эпидемии. То и дело в печати появлялись сообщения об открытии новых и новых видов лучей.

Супруги Кюри между тем продолжали исследовать лучи Беккереля. Скоро они установили, что минералы урана испускают лучей гораздо больше, чем если бы они состояли целиком из чистого урана. Это уже было совсем удивительно. Может, дело вовсе не в уране и последний элемент таблицы Менделеева не повинен в странном лучеиспускании?

Молодые ученые продолжают работу. В 1898 году они открывают сразу два новых элемента, которые способны испускать беккерелевы лучи, но эта способность у них примерно в миллион раз выше, чем у урана и тория. Один из элементов был назван полонием, в честь Польши — родины Марии Кюри, а второй — радием, от латинского слова «радиус», что значит «луч».

Способность веществ самопроизвольно испускать невидимые лучи супруги Кюри назвали радиоактивностью, а вещества, обладающие такой способностью, — радиоактивными.

Суть этого явления теперь не представляет загадки. Не все атомные ядра устойчивы. Особенно тяжелые ядра, принадлежащие атомам элементов конца таблицы Менделеева. Эти неустойчивые ядра способны самопроизвольно распадаться, превращаясь в другие.

Все эти превращения можно разбить на несколько групп. К первой группе относятся те, которые связаны с испусканием ядрами так называемых альфа (α) — частиц. Вес каждой альфа-частицы равен четырем атомным единицам массы, причем она несет два положительных заряда. Следовательно, альфа-частицы — это не что иное, как ядра атомов элемента гелия. Из ядер тяжелых атомов они выбрасываются с громадной скоростью, равной 15–20 тысячам километров в секунду. Различают альфа-частицы по величине их энергии, однако чаще пользуются на практике другой характеристикой — длиной свободного пробега. Длина пути альфа-частицы в каждом веществе строго постоянна; она тем больше, чем больше ее энергия. Радиоактивные элементы конца периодической системы испускают альфа-частицы с длиной пробега в воздухе от 2 до 8 сантиметров. При движении в веществе альфа-частицы сталкиваются с его атомами, вызывая их ионизацию, а потому, теряя энергию, довольно быстро замедляются.

Что же происходит с ядром, когда оно испускает альфа-частицу? Поскольку заряд его уменьшается на две единицы, очевидно, оно превращается в ядро элемента, стоящего на две клетки левее в периодической системе. Атомный вес его уменьшается на четыре единицы. В качестве примера можно привести превращение атома радия в радон: радий → радон + альфа-частица.

В ядерной физике это уравнение записывается так:

Следующая группа превращений связана с испусканием ядрами бета (β) — частиц, или электронов. Этот процесс обязан своим происхождением избытку нейтронов в ядрах некоторых атомов. Схему его можно представить следующим образом: нейтрон → протон + электрон, или n → p + e^– то есть нейтрон переходит в протон, и образующийся при этом электрон покидает ядро. Нетрудно догадаться, что при бета-распаде образующийся элемент располагается в периодической системе на одну клетку вправо, а атомный вес остается без изменения, поскольку масса электрона близка к нулю. В качестве примера можно привести превращение протактиния в уран:

В отличие от альфа-частиц бета-частицы не обладают ни постоянной величиной пробега, ни постоянной энергией. Такое положение наблюдается для любого радиоактивного вещества, испускающего бета-частицы. Это дало повод некоторым ученым даже сомневаться в фундаментальном законе природы — законе сохранения энергии.

Объяснил это явление знаменитый итальянский ученый Энрико Ферми. Он доказал, что испускание бета-частицы ядром атома должно сопровождаться вылетом из ядра еще одной частицы, не имеющей электрического заряда, с массой, близкой к нулю. Эта частица получила название «нейтрино», что по-итальянски значит «маленький нейтрон», «нейтрончик».

Поскольку ядро выбрасывает две частицы, энергия между ними может распределиться самым различным образом. Нейтрино может забрать много энергии, и тогда на долю бета-частицы достанется лишь малая ее часть. Нейтрино может и не получить ничего, тогда бета-частица будет иметь максимальную энергию, которой и характеризуется бета-излучение. Бета-частицы вылетают из ядер с громадной скоростью, близкой к скорости света. А поскольку заряд их мал, то в отличие от альфа-частиц они редко вызывают ионизацию атомов вещества, в котором движутся. Поэтому и пробег их значительно больше, чем у альфа-частиц.

Кроме отрицательно заряженных бета-частиц, существуют еще и положительные, которые обозначаются значком р+ и называются позитронами. Если ядро испускает позитрон, образующийся элемент передвигается на одну клетку влево в периодической системе.

Еще одна группа превращений связана с явлением, которое получило название электронного захвата. Он наблюдается, когда ядра содержат избыточное количество протонов. В этом случае ядро захватывает электрон с ближайшей электронной оболочки, и один из протонов превращается в нейтрон:

Обычно ядро захватывает электрон с оболочки, ближе всего расположенной к ядру, с так называемой K-оболочки, почему это явление и получило название «K-захват». В результате захвата в электронной оболочке образуется «вакантное» место, которое занимает электрон, находившийся раньше на оболочке, более удаленной от ядра. Переход электрона с одной оболочки на другую является причиной рентгеновского излучения.

При K-захвате образующийся элемент оказывается в периодической системе на одну клетку влево.

Известен вид радиоактивных превращений, называемый спонтанным делением. К нему «склонны» только очень тяжелые ядра, например тория и урана. Суть процесса заключается в самопроизвольном «раскалывании» ядра на две части. В результате образуются ядра элементов середины периодической системы.

Наконец, к последней группе превращений относится так называемый изомерный переход. Пояснить его можно так. Пусть у нас есть два совершенно одинаковых ядра. Равны их массы, равны их заряды. Но только одно ядро, как говорят физики, находится на более высоком энергетическом уровне, то есть у него имеется избыток энергии. Такие ядра называются изомерами. Чтобы перейти в свое нормальное, стабильное состояние, возбужденное ядро должно освободиться от избыточной энергии, что оно и делает, испуская гамма (γ) — лучи. Они представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. При их испускании, как можно понять, не изменяются ни масса атома, ни его порядковый номер. Поскольку гамма-лучи не являются частицами вещества и электронейтральны, они слабо взаимодействуют с веществом, а потому и обладают очень большой проникающей способностью, какая недоступна альфа- и бета-частицам.

Таковы основные виды превращений ядер.

Атомы радиоактивных элементов не могут «жить» сколь угодно долго. Все они с течением времени претерпевают те или иные превращения. Но если «жизнь» атома ограничена во времени, значит можно говорить об их «времени распада». Ученые заметили, что если для наблюдения взять большое количество радиоактивного вещества, то за единицу времени распадется много атомов. Если же взять небольшое количество — число распадающихся атомов и интенсивность излучения пропорционально уменьшаются. Чем меньше радиоактивного вещества было взято, тем медленнее оно распадалось, но процент распадающихся атомов во всех случаях был одинаков. Этот «постоянный процент» носит название радиоактивной постоянной и обычно обозначается греческой буквой λ (ламбда). Наконец, каждый радиоактивный элемент распадается наполовину, сколько бы его ни было взято, за строго определенное время. Его называют периодом полураспада и обозначают T½^[5].

Периоды полураспада известных в настоящее время радиоактивных изотопов различны — от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Так, период полураспада одного из изотопов радона равен 3,8 дня, а урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет. Для многих радиоактивных изотопов период полураспада можно измерить непосредственно по уменьшению интенсивности его излучения.

Закон радиоактивного распада, хотя он и не очень сложен, выводится при помощи высшей математики. Однако, правда с меньшей точностью, его можно получить при помощи несложных алгебраических преобразований.

Пусть у нас в какой-то момент есть какое-то количество атомов радиоактивного элемента, равное N₀. Тогда по прошествии некоторого времени t у нас останется лишь N₁ его атомов. Очевидно, что скорость превращения равна отношению числа распавшихся атомов к величине прошедшего промежутка времени, то есть

Скорость же распада, как было найдено учеными, пропорциональна числу атомов радиоактивного элемента, имевшемуся вначале, то есть

В этом уравнении λ — коэффициент пропорциональности, или, как мы уже знаем, доля атомов радиоактивного элемента, претерпевающих превращение в единицу времени. А теперь преобразуем наше уравнение:

Это и есть основной закон распада (в несколько упрощенном виде), которому подчиняются все радиоактивные элементы.

Здесь N₀ — количество атомов радиоактивного элемента, имевшееся в начальный момент времени; N₁ — количество атомов, которое осталось по прошествии времени t.

Как же применить наше уравнение для практических целей? Давайте попробуем провести несложный расчет. Только для этого нам необходимо знать, что, как нашли ученые, K — радиоактивная постоянная, характерная для каждого вида радиоактивных атомов, связана с периодом полураспада следующим отношением:

Таким образом, зная период полураспада, мы легко можем определить радиоактивную постоянную.

А теперь давайте подсчитаем, сколько радиоактивного изотопа тория ²³²₉₀Th распалось за все время существования нашей планеты. Примем, что возраст Земли равен 5 миллиардам лет, а период полураспада тория-232, как было установлено, равен 1,39·10¹⁰ лет. Для начала находим радиоактивную постоянную:

Тогда произведение λt равно:

и, следовательно:

Это значит, что к настоящему времени осталось 75 процентов тория, а 25 процентов распалось за время жизни Земли.

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.

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:

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:

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.

В 1934 году французские исследователи Фредерик Жолио и Ирен Кюри доказали всему миру, что настало время, когда человек может искусственно получать радиоактивные изотопы.

Облучая альфа-частицами алюминиевую пластинку, они обнаружили, что она сохраняет радиоактивность, даже когда источник «снарядов» убирали. Облученная пластинка испускала позитроны, и этот процесс подчинялся закону радиоактивного распада, причем активность уменьшалась вдвое примерно за 3 минуты. Известные природные радиоактивные изотопы не обладали таким периодом полураспада. Вывод мог быть один: позитрон испускается искусственным радиоактивным изотопом, возникшим при облучении алюминия альфа-частицами. Ученые предположили, что алюминий при облучении альфа-частицами превращается в фосфор:

а искусственный изотоп фосфора с массой 30 является неустойчивым и распадается с испусканием позитронов:

Вскоре Жолио и Ирен Кюри подтвердили свою догадку. С помощью химических операций они доказали, что в результате бомбардировки алюминия альфа-частицами действительно образуется радиоактивный изотоп фосфора.

Взаимодействия альфа-частиц с ядрами различных элементов были первыми ядерными реакциями, которые удалось осуществить человеку. Затем арсенал ядерной физики пополнился другими «снарядами»: оказалось, что нейтрон, протон, дейтрон, электрон и даже фотон способны «реагировать» с ядрами.

Так начала развиваться ядерная химия — наука о превращении атомных ядер.

Хотя учеными созданы электронные микроскопы, позволяющие «разглядеть» некоторые крупные молекулы (например, белка), нам, по-видимому, никогда не удастся увидеть атом. Ведь размер атома около 0,00 000 001 (10^–8) сантиметра. Однако, хотя мы не видим и еще меньшие частицы материи, например протоны, нейтроны, электроны, мы имеем о них довольно полное представление. Как же нам это удается?

Радиоактивные изотопы химических элементов обладают свойством излучать различные частицы. Регистрация этого излучения и дает возможность «видеть» невидимое — отдельные атомы.

Под действием потока альфа- или бета-частиц некоторые вещества, например сернистый цинк, начинают светиться, — это знали еще на заре изучения радиоактивности. Как только поток частиц прекращается, перестает светиться сернистый цинк. Таков принцип действия одного из первых приборов для регистрации радиоактивных веществ. Его назвали спинтарископом, что в переводе означает «наблюдать вспышки». Конструкция его очень проста. На иглу наносится какое-либо радиоактивное вещество, способное испускать частицы. Поток этих частиц, достигая экрана, вызывает его свечение. Если вещества на игле очень мало, можно наблюдать отдельные вспышки — «следы» долетающих до экрана частиц — и непосредственно подсчитывать число распавшихся атомов.

Пожалуй, самым «старым» методом является «метод авторегистрации» излучения. Ведь еще Беккерель обнаружил, что радиоактивные вещества действуют на фотопластинки, засвечивая их. Однако лишь в тридцатых годах советские ученые Л. В. Мысовский и Л. П. Жданов предложили использовать фотопластинки для регистрации отдельных частиц. Проходя сквозь светочувствительные эмульсии, альфа- или бета-частицы действуют на молекулы бромистого серебра. После проявления и фиксирования на такой пластинке остается след частицы, прошедшей сквозь эмульсию.

Наиболее распространенные методы регистрации радиоактивного излучения основаны на его ионизирующей способности. Если около заряженного электроскопа поместить радиоактивное вещество, то он разряжается. Под действием излучения воздух, который является довольно хорошим изолятором, становится проводником электрического тока.

На этом принципе Марией и Пьером Кюри был построен прибор для количественной оценки как интенсивности излучения, так и радиоактивного вещества. Схема его очень проста. К нижней из двух металлических пластин, отделенных друг от друга слоем воздуха, подключается положительный полюс батареи, а верхняя соединяется через электрометр с землей. Если между пластинами поместить какое-либо радиоактивное вещество, то стрелка электрометра отклонится от нуля и покажет, что между пластинами идет ток. Чем больше радиоактивного вещества будет между пластинами, тем больше отклонится стрелка электрометра.

Примерно на таком же принципе построен и наиболее распространенный в настоящее время для обнаружения и регистрации радиоактивности прибор, называемый счетчиком Гейгера — Мюллера. Он представляет собой полую металлическую трубку, по оси которой натянута металлическая нить. На трубку подается отрицательное напряжение, а на нить — положительное. Внутреннее пространство счетчика заполнено смесью газов. Когда внутрь счетчика попадает бета-частица, она производит ионизацию газа, и образовавшиеся ионы двигаются в соответствии со знаком своего заряда к аноду или катоду. Между электродами счетчика течет ток, который регистрируется счетным устройством. Время срабатывания счетчика очень мало, и поэтому при его помощи можно «сосчитывать» до миллиона частиц в секунду.

Однако с помощью описанных приборов можно «увидеть» лишь радиоактивные атомы. А как же быть, если нужно различить отдельные радиоактивные изотопы в смеси? Например, уран и радий — оба альфа-излучатели, и спинтарископ не покажет нам отличия альфа-частиц урана от альфа-частиц радия. Так же вместе будут регистрироваться и бета-частицы, если у нас, скажем, исследуется смесь радиоактивных изотопов фосфора и йода.

Оказывается, решить такую задачу, вообще говоря, можно, лишь определив основные характеристики присутствующих радиоактивных элементов или изотопов, их периоды полураспада. А для этого в большинстве случаев необходимо отделить их друг от друга.

Помните, как в известной детской сказке Золушке пришлось выбирать чечевицу из мешка золы? Братья Гримм великолепно рассказали о трогательной судьбе сироты. Но вряд ли они представляли, сколь трудна была работа Золушки.

Давайте немного посчитаем. Пусть каждая пылинка золы в тысячу раз меньше зерна чечевицы. Тогда, если равномерно перемешать мешок золы и мешок чечевицы, на каждую тысячу пылинок золы приходится лишь одно зернышко чечевицы. Трудная, конечно, задача — разобрать такую смесь.

Но представьте себе, что в современных условиях, при работе ядерного реактора на 1 грамм урана получается 10^–6 грамма какого-нибудь радиоактивного изотопа. Ведь это соответствует тому, как если бы злая мачеха один мешок чечевицы смешала с тысячью мешков золы!

Золушке помогли волшебные голуби. У современных радиохимиков таковых нет. И, кроме всего прочего, выделение радиоактивных изотопов при таких соотношениях усложняется тем, что в растворах они присутствуют в исключительно малых концентрациях, порядка 10^–10–10^–16 грамма в литре. В этих условиях элементы теряют многие специфические свойства (обычно полезные) и приобретают новые, далеко не способствующие их выделению. Такие количества нельзя, например, выделить в виде осадка обычными химическими методами. Необходимо еще добавить, что в результате реакций деления образуется не один радиоактивный изотоп, а более трех десятков, принадлежащих различным элементам периодической системы (от цинка до гадолиния). Это уже во много раз хуже тысячи мешков золы. Однако современные «Золушки» нашли выход из положения.

В начале нашего столетия немецкий химик Отто Ган попытался отделить радиоактивный свинец от нерадиоактивного. Два года продолжалась напряженная работа, и, наконец, Ган отступил. Никакими химическими опытами нельзя было отделить их друг от друга.

Как раз это обстоятельство часто используют сейчас для выделения радиоактивных изотопов. Чтобы получить радиоактивный изотоп, присутствующий в смеси в крайне малых количествах, к нему добавляют стабильный изотоп этого же элемента, а затем уже используют химические реакции, характерные только для него.

Допустим, у нас в смеси радиоактивные изотопы цезия, бария и серебра. В таком случае в раствор добавляют их стабильные изотопы, а затем последовательно выделяют из него серебро, прибавляя какой-либо растворимый хлорид, в виде хлористого серебра и барий, добавляя карбонат; в растворе остается лишь цезий. Метод такого выделения получил название осаждения с носителями. Кстати, не всегда обязательно добавляют в раствор, содержащий радиоактивный элемент, стабильный изотоп именно этого элемента. Можно заменить его элементом, который лишь частично по свойствам похож на него. Так, для отделения плутония от урана первоначально использовалась способность четырехвалентного плутония соосаждаться с фторидом лантана. Таким образом, выделение изотопов в радиохимически чистом виде (то есть свободных от примеси других радиоактивных изотопов) оказалось не слишком тяжелой задачей для радиохимиков.

Одним из первых методов выделения радиоактивных изотопов без носителя был метод отдачи. Суть его заключается в следующем. При взаимодействии ядра атома с какой-либо бомбардирующей частицей оно получает дополнительную кинетическую энергию, то есть энергию движущейся частицы, которая помогает ему, грубо говоря, «вырваться из объятий» химических связей с другими атомами. Поскольку вырвавшийся атом обычно ионизирован, лишен части своих электронов, то, используя свойства ионов притягиваться к противоположным зарядам, такие атомы можно «собирать» на пластинах, заряженных отрицательно. Именно так были впервые выделены и идентифицированы всего 17 атомов элемента менделеевия. Порой удается применить и более простые методы. Так, при облучении окиси магния дейтронами по реакции

получается радиоактивный изотоп натрия, который из мишени можно просто вымыть водой, поскольку окись магния в воде не растворима.