Радиоактивные изотопы и их применение

Ⅰ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Все окружающие нас предметы состоят из того или иного вещества. Дома построены из кирпича, дерева, железа и бетона, в оконные рамы вставлено стекло, части машин и станков сделаны из железа и других металлов и т. д. Мир веществ многообразен. Вещества обладают самыми различными свойствами. Одни тверды, другие мягки, одни прозрачны, другие непрозрачны, цвет одних отличается от цвета других и т. п. Различие свойств зависит от состава вещества.

Каждое вещество может быть разделено на очень мелкие частички, которые называются молекулами. В свою очередь молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Так, чистая, вода состоит из молекул, в состав которых входят атомы водорода и кислорода; молекулы серной кислоты состоят из атомов водорода, кислорода и серы и т. д. Состав молекул и взаимная связь атомов в них определяют свойства вещества. Все молекулы данного вещества имеют одинаковый состав и отличаются от молекул другого вещества входящими в их состав атомами. Так, например, молекулы газа метана и ацетилена состоят из атомов углерода и водорода. В состав молекул метана входит один атом углерода и четыре атома водорода, а в состав молекул ацетилена — два атома углерода и два атома водорода. Молекулы древесного спирта отличаются от молекул метана тем, что в их состав, кроме атомов водорода и углерода, входит атом кислорода.

В настоящее время известно сто два вида атомов, или, как принято называть, совокупность атомов — сто два химических элемента. Водород, кислород, азот, сера, углерод, железо, медь, цинк и т. д. — все это химические элементы.

Все многообразие окружающих нас веществ, следовательно, слагается из сравнительно небольшого количества видов атомов, которые, соединяясь между собой, образуют бесчисленное множество молекул различного состава и строения.

Все известные в настоящее время элементы представлены в приведенной ниже таблице, называемой периодической системой элементов Д. И. Менделеева. В каждой клетке этой таблицы приведены условный знак химического элемента (символ), его название и цифры, верхняя из которых показывает порядковый номер элемента, а нижняя — его атомный вес.

С помощью символов химических элементов легко можно изображать молекулы различных веществ. Например, молекула воды изображается формулой Н₂О. Это обозначает, что в состав этой молекулы входят два атома водорода (Н₂) и один атом кислорода (О). Символами можно изобразить также течение того или другого химического процесса. Взаимодействие железа с серной кислотой изображается следующим образом:

Расположение элементов в периодической системе не является случайным. Оно подчиняется одному из важнейших законов природы, открытому великим русским ученым Д. И. Менделеевым, — периодическому закону. Этот закон в современной формулировке говорит, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины электрических зарядов их ядер.

Менделеев открыл периодический закон в 1869 г. В то время о строении атома еще ничего не было известно, и Менделеев выразил свой закон так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов». При расположении элементов в порядке возрастания их атомных весов в ряд через определенное число повторяются элементы со сходными свойствами. Если этот ряд элементов разделить на несколько строк так, чтобы возрастание атомных весов шло слева направо и сходные элементы оказались друг под другом в одном вертикальном столбце, то получится периодическая система элементов. Эту работу и выполнил в 1869 г. Д. И. Менделеев, выразив открытый им закон в виде таблицы.

Можно подумать, что Менделееву нетрудно было сделать это открытие, так как закон очень прост. На самом деле задача была чрезвычайно сложной. Лишь две трети элементов, имеющихся на Земле, были известны во времена Менделеева, и распределение их в порядке возрастания атомных весов не давало правильной повторяемости свойств. Но Менделеев, глубоко убежденный в справедливости найденного им закона, сумел правильно расположить все известные элементы, оставив свободными те клетки таблицы, которые должны были занять еще не найденные элементы.

Придавая основное значение периодической повторяемости химических свойств элементов, Менделеев в ряде случаев расположил элементы не в порядке возрастания атомных весов.

Используя периодический закон, Менделеев предсказал свойства еще не открытых элементов.

Все свободные клетки периодической системы впоследствии были заполнены новыми элементами, и предсказания русского ученого подтвердились.

Периодическая таблица Менделеева помогла многим великим открытиям XX века. Эти открытия показали важное значение закона, найденного великим ученым. Так, например, порядковый номер элемента в таблице оказался не просто очередным номером, он получил глубокий физический смысл.

Размеры атомов и молекул и их веса ничтожно малы. Если их выражать в обычных единицах измерения — граммах и сантиметрах, то получатся цифры, совершенно неудобные для обращения. Так, вес атома кислорода равен 0,000 000 000 000 000 000 000 026 грамма.

Самый легкий атом — атом водорода — весит в 16 раз меньше атома кислорода, а атом калифорния, одного из самых тяжелых известных в настоящее время элементов, — всего в 15 раз тяжелее атома кислорода.

В состав молекул входит относительно небольшое количество атомов, поэтому и веса молекул выражаются такими же маленькими числами, как и веса атомов. Даже гигантские молекулы некоторых белковых веществ, которые в 1000 раз тяжелее атома кислорода, имеют очень маленький вес. Поэтому в самых небольших количествах вещества содержится грандиозное количество молекул и атомов. Например, в грамме железа содержится около 10 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Но грамм железа — это кубик с ребром длиною всего в ½ сантиметра.

Нетрудно найти, что на линии длиной, равной одному сантиметру, вплотную друг к другу разместится около 100 миллионов атомов железа.

Чтобы еще лучше представить себе грандиозность числа атомов в самых небольших количествах вещества, рассмотрим такой пример. Если из трубы дома или завода, находящегося в Москве, вылетит 1 грамм сажи и равномерно распределится на всей площади, занимаемой городом, то на каждом квадратном сантиметре окажется по 500 миллиардов атомов углерода, из которого состоит сажа.

Обычно на практике пользуются системой так называемых атомных и молекулярных весов. По этой системе вес атома любого элемента выражается через вес атома кислорода, условно принятый равным 16 атомным единицам массы. Вес самого легкого атома — атома водорода — по этой системе весов приблизительно равен единице, а самого тяжелого природного элемента — урана — примерно 238. Молекула воды по этой системе имеет так называемый молекулярный вес, равный 18.

В конце прошлого столетия французский физик А. Беккерель обнаружил, что вещества, в состав которых входит уран, испускают какие-то лучи. Эти лучи, так же как и солнечные, действуют на фотографическую пластинку, вызывая засвечивание светочувствительного слоя. Но в отличие от солнечных новые лучи подобно лучам Рентгена оказывают свое действие на пластинку и в том случае, когда она завернута в черную бумагу.

Изучением лучей, открытых Беккерелем, занялись многие ученые. Особенно плодотворными были работы Марии Склодовской-Кюри и ее мужа Пьера Кюри. Они нашли, что лучи Беккереля испускаются только теми веществами, которые содержат уран или торий. Для обнаружения этих лучей Пьер Кюри построил специальный прибор, основанный на том, что под действием лучей Беккереля воздух становится проводником электрического тока. Прибор работает по схеме, показанной на рис. 1. Металлическая пластинка 1 присоединяется к отрицательному полюсу электрической батареи, а пластинка 2 — к положительному. Если излучение радиоактивного вещества проходит между пластинками 1 и 2, то воздух делается проводником электрического тока, вся цепь оказывается замкнутой, и стрелка гальванометра 3 отклоняется. Чем интенсивнее излучение, тем больше отклоняется стрелка.

Мария Кюри установила, что интенсивность излучения была тем больше, чем больше урана находилось в веществе. Вскоре, однако, выяснилось, что урановая руда, так называемая урановая смолка, давала излучение в несколько раз более интенсивное, чем чистый металл уран, несмотря на то, что в урановой смолке содержалось лишь несколько процентов урана. Это явление говорило о том, что в урановой смолке есть какое-то вещество, способное к более сильному излучению, чем сам уран.

Поисками этого неизвестного вещества и занялись Мария и Пьер Кюри. В результате двухлетней работы им удалось обнаружить в урановой руде два новых вида атомов, т. е. два новых элемента — радий и полоний. Полоний получил свое имя в честь Польши — родины Марии Кюри, — а радий — за его излучение («радиус» в переводе с латинского — луч). Само излучение было названо радиоактивным, а элементы, способные к такого рода излучению, — радиоактивными. Радиоактивными элементами оказались уран, торий, радий и полоний.

Радий испускает лучи, подобные урану, но излучение радия более интенсивное. Радий непрерывно выделяет тепло.

Лучи от кусочка радия идут прямолинейно во все стороны. Они плохо проникают через свинец, и если радий находится на дне свинцовой коробки, в которой сделано узкое отверстие, то лучи распространяются из этого отверстия узким пучком. Если на пути пучка поставить фотографическую пластинку, то после проявления на ней получится одно маленькое пятно (рис. 2, а). Если же лучи радия проходят сквозь электромагнитное поле, то они делятся на три составные части. Это легко обнаружить с помощью фотопластинки. Вместо одного пятна на ней после проявления появляются три: одно в центре, другое рядом с ним, а третье с другой стороны от центра (рис. 2, б).

Три рода лучей радия были названы альфа- бета- и гамма-лучами (альфа-, бета- и гамма — названия трех первых букв греческого алфавита).

Как было установлено опытами с отклонением излучения радия в электромагнитном поле, альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц, бета-лучи — поток отрицательно заряженных частиц, а гамма-лучи не несут никакого электрического заряда.

Исследование свойств радия и ряд других опытов привели ученых к заключению, что атомы являются сложными частицами, в состав их входят положительно заряженные частицы и электроны[2]. Как же расположены они в атоме?

Оказывается, в центре атома находится положительно заряженное ядро очень малых размеров. Ядро окружено электронами. Так как атом в целом электрически нейтрален, то число окружающих его электронов равно заряду ядра.

Расстояния от ядра до электронов значительно больше размеров самого ядра. Если представить себе ядро увеличенным до размеров горошины, то электроны как бы окажутся на расстоянии 100 метров от ее центра.

Диаметр ядра атома имеет размер порядка 0,0001 ангстрема, а сам атом — от одного до пяти ангстремов[3].

Электроны составляют лишь незначительную часть массы атома. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Если бы мы смогли наполнить один кубический сантиметр ядрами какого-либо атома, то он весил бы приблизительно столько же, сколько величайшая гора Кавказа Эльбрус (около 100 000 000 тонн).

Атомы различных элементов отличаются друг от друга весом и зарядом ядра.

На рис. 3 показаны упрощенные схемы строения некоторых атомов. Электроны в атомах располагаются слоями. В результате, например, химической реакции атом может передать электроны из внешнего слоя другому атому. При этом электрическая нейтральность атомов нарушается. Такие заряженные частицы называются ионами. Атомы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительными ионами, а принявшие один или несколько электронов — отрицательными.

После открытия нейтронов советский физик Д. Д. Иваненко в 1932 г. сделал предположение, что ядро атома состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов. Предположение Иваненко было развито и обосновано Гейзенбергом и подтверждено всеми опытами, проведенными в дальнейшем с атомными ядрами. В настоящее время протонно-нейтронная теория является общепризнанной.

Протоны — это ядра атомов водорода; масса протона равна приблизительно одной атомной единице, и протон имеет положительный заряд. В качестве единицы заряда в атомной физике принята абсолютная величина заряда электрона. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Следовательно, можно сказать, что заряд протона равен единице.

Нейтроны имеют примерно такую же, как и протоны, массу, но не несут электрического заряда. Это электрически нейтральные частицы.

Протонно-нейтронная теория строения атома лежит в основе современной ядерной физики.

Так как веса протона и нейтрона в атомных единицах приблизительно равны единице, то округленный до целого числа вес атома в атомных единицах равен сумме числа нейтронов и протонов всего ядра. Это число называется массовым числом. Число же протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Таким образом, ядро атома углерода, имеющего массовое число 12 и заряд, равный 6 единицам, содержит 6 протонов и 6 нейтронов (рис. 4). Ядро атома урана с массовым числом 238 и зарядом 92 содержит 92 протона и 146 нейтронов.

Открытие Марией и Пьером Кюри полония и радия направило ученых на поиски других радиоактивных элементов. Эти поиски увенчались успехом: в рудах урана и тория были открыты новые радиоактивные элементы.

Многие из них по своим химическим свойствам оказались неотличимыми от ранее известных элементов. Так, в 1906 г. был обнаружен элемент ионий, который оказался сходным по свойствам с ранее известным элементом Ⅳ группы периодической системы торием. Все попытки отделить ионий от тория кончались неудачей.

В 1907 году было установлено, что вновь открытый элемент мезоторий химически неотличим от радия.

В последующие годы было обнаружено полное химическое сходство новых элементов радия В и радия D со свинцом. Атомы радия В и радия D имеют такой же заряд ядра, а значит, и такой же порядковый номер, как и атомы свинца, но отличаются от них своей массой. Такое же равенство зарядов и отличие в массах имело место у тория и иония, мезотория и радия.

Оказалось, что в некоторых клетках периодической системы Менделеева должно помещаться несколько видов атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, но разную массу. Такие атомы получили название изотопов (изотоп по-гречески означает — занимающий то же место). Радий В и радий D стали называться изотопами свинца, мезоторий 1 — изотопом радия и т. д.

Таким образом, атомы данного элемента содержат одинаковое число протонов, но могут содержать различное число нейтронов.

Изотопы были обнаружены и среди нерадиоактивных элементов. Удалось доказать, например, что газ неон представляет собою смесь атомов неона с различной массой.

Впоследствии были обнаружены или получены искусственным путем изотопы всех элементов.

С помощью химических символов можно легко обозначать изотопы различных элементов. Например, изотопы натрия с массовыми числами 22, 23 и 24 записываются следующим образом:

Ниже приводится таблица природных изотопов некоторых элементов. Как видно из таблицы, алюминий, фосфор и марганец имеют только по одному природному изотопу.