Изотопы. Радиоактивные ряды. Искусственная радиоактивность

В данном параграфе использован текст из книги К.Хоффмана "Можно ли сделать золото"

20 лет исследований явления радиоактивности привели к открытию большого числа радиоактивных элементов, которые можно было подразделить на три ряда естественного радиоактивного распада: ряд урана – радия (продукты распада урана-238), ряд урана - актиния (“актиноураном” называли изотоп урана с атомной массой 235) и ряд тория. Со времени существования Земли начальные представители этих рядов превращались во множество радиоактивных изотопов. Среди них были изотопы нескольких новых элементов.

Причем количество новых элементов всё увеличивалось, и скоро превысило количество “пустых” клеток в таблице Менделеева. Так, на вакантное место, отведенное для инертного газа, претендовали аж три элемента: радон (газообразный продукт распада радия), торон (газообразный продукт распада тория) и актинон (газообразный продукт распада актиния). Аналогичная ситуация была и с полонием, радием, актинием, торием, ураном – на их места в таблице Менделеева претендовали по нескольку элементов с совершенно одинаковыми химическими свойствами, но с разными радиоактивными свойствами и разными массами (тогда считалось, что индивидуальной характеристикой химического элемента является его масса). После открытия строения атома выяснилось, что определяющей характеристикой химического элемента является заряд его атомного ядра и количество электронов, от которого зависят и его химические свойства. Что же касается массы, то, как выяснилось, один химический элемент может иметь несколько разновидностей атомов с различными атомными массами. Эти разновидности были названы “изотопами”. Это слово происходит от греческой фразы “одинаковое место” - то есть речь шла о разных видах атомов, занимающих одно и то же место в таблице Менделеева. Поэтому теперь для обозначения конкретного изотопа употребляют название элемента и после него – число, означающее атомную массу (например, уран-238, уран-235, радий-226, радон-222 и др.). Сокращенно их могут обозначать и так: ²³⁸₉₂U. Вместо слова изотоп употребляют еще более точное понятие “нуклид” (что означает – “вид ядра”)

Прошло несколько лет упорных исследований, пока было обнаружено, что соответствующие конечные продукты радиоактивных рядов, которые вначале называли радий G, актиний D и торий D, являются не чем иным, как свинцом. Однако был ли это тот же свинец, который получают из руды на предприятиях и применяют в промышленности и технике? Появившиеся сомнения рассеялись лишь тогда, когда определили его атомную массу, а затем, с помощью масс-спектрографических исследований, подтвердили, что речь идет о различных изотопах свинца:
радий G (свинец ряда урана) - свинец-206 актиний D (свинец ряда актиния) - свинец-207 торий D (свинец ряда тория) - свинец-208

Свинец естественного происхождения состоит, как и большинство элементов, из смеси нескольких изотопов. Всего только 20 химических элементов являются моноизотопными, как золото, для которого в природе существует только один устойчивый изотоп (¹⁹⁷Au). Поэтому золото обладает относительной атомной массой, численно равной 197,0.

Естественный свинец состоит из устойчивых изотопов: 204 (1,4%), 206 (26,3%), 207 (20,8%) и 208 (51,5%) . Поэтому относительная атомная масса свинца вычисляется из различных вкладов отдельных изотопов и в среднем дает значение 207,2. В результате непрерывных радиоактивных превращений содержание свинца на Земле постоянно увеличивается. Сейчас на нашей планете свинца больше, чем было в момент ее образования. Путем измерения соотношения урана и свинца в горных породах определяют их возраст. Так определили возраст Земли, который оказался равным 4,6 миллиарда лет.

Начальный представитель ряда урана - природный изотоп ²³⁸U - распадается с периодом полураспада около 4,5 миллиардов лет. Поэтом образуются, помимо других, элементы 88 (радий), 86 (радон-эманация радия), 84 (полоний) и, наконец, 82 (свинец).

Естественный распад урана, протекающий с постоянным выделением энергии, нельзя искусственно ускорить. Должно пройти более 60 миллионов лет, чтобы из 1 кг урана в конце концов образовалось 10 г свинца. Когда физики-атомщики попытались форсировать это превращение, чтобы высвободить, быть может, огромные количества энергии в кратчайшее время, они, как известно, потерпели неудачу.

Значительно позднее, после открытия рядов радиоактивного распада, стало ясно, что и не будучи алхимиком, надо признать существование естественного распада радиоактивных элементов.

Как известно, радиоактивный распад в каждом из этих рядов бывает только двух типов – либо альфа-распад, когда заряд ядра уменьшается на две единицы, а атомная масса – на четыре единицы, либо же бета-распад, при котором заряд ядра увеличивается на единицу, а атомная масса (суммарное число протонов и нейтронов в ядре) не меняется. Как легко видеть, во время цепочки радиоактивных распадов атомная масса всех звеньев цепи может различаться на 4 единицы либо на число, кратное четырем. Поэтому, как легко понять, должно быть не три, а четыре радиоактивных ряда.

Первый – это ряд, в котором атомная масса всех продуктов распада делится на 4 (или, как его называют, 4n-ряд). Его родоначальником является торий-232, а конечным продуктом – свинец-208 (в боковой цепи радиоактивного распада может получиться и свинец-204)

Второй – это ряд, атомная масса элементов которого делится на 4 с остатком 2 (4n+2 - ряд). Его родоначальником является уран-238, в этом ряду находятся такие известные изотопы, как радий-226 и радон-222, а конечным продуктом его является свинец-206.

Третий – это ряд, атомная масса которых делится на 4 с остатком 3 (4n+3 - ряд). Его родоначальником является уран-235 (“актиноуран”), а конечным продуктом распада – свинец-207.

Сложнее было с радиоактивным рядом, массы элементов которого делятся на 4 с остатком 1 (4n+1 - ряд). Был известен его конечный продукт – висмут-209 – однако ни один из членов этого ряда, ни его “родоначальник” так и не были обнаружены ни в одном из экспериментов. Вопрос решился после открытия трансурановых элементов. Родоначальником 4n+1 – ряда является нептуний-237. Он был на Земле во время ее образования, но за время существования Земли успел распасться.

Таким образом, есть 4 радиоактивных ряда, которые через цепь альфа- и бета- распадов превращаются в стабильные изотопы.

После открытия в конце 1990-х годов ХХ века элементов из так называемого “острова относительной стабильности” (элементы с атомными номерами от 110 до 118) обнаружились новые 4 радиоактивных ряда. Их условно называют “286”, “287”, “288” и “289” – по атомным массам входящих в эти ряды открытых и достаточно хорошо изученных элемента с атомным номером 114. После цепи альфа-распадов эти элементы превращаются в неустойчивые элементы с атомными номерами 104-109, и, распадаются путем спонтанного деления на элементы из середины таблицы Менделеева.

В начале 30-х годов казалось, что любимое занятие многих исследователей атома - поиски новых продуктов распада - уже не может дать ничего нового. Такие исследования проводились с чисто криминалистическим чутьем. Теперь ряд естественных радиоактивных элементов оказался полным. Ничего не меняло и то обстоятельство, что существование первого члена ряда актиния, актиноурана было до сих пор лишь гипотетическим. Исследователям атома и не снилось, что можно будет отыскать еще неизвестные радиоактивные элементы.

В это время между специалистами возникли очень интересные споры, а именно по поводу элемента с порядковым номером 93. Такого элемента вообще не должно было существовать на Земле. Уран, после того как он был помещен Менделеевым в периодическую систему, был признан самым последним из 92-х элементов. Так полагали все.

Однако некоторые ученые не могли расстаться с мыслью, что число элементов, возможно, превышает 92. Когда-то, в 1922 году, Нильс Бор размышлял о возможности существования благородного газа с порядковым номером 118 - как это вытекало из его теории спектров и строения атома. Многим специалистам такие представления казались пустым теоретизированием.

В апреле 1934 года Ида Ноддак большим сообщением "Периодическая система элементов и ее пустые клетки" пробудила новый интерес к этой проблеме. В докладе, который был опубликован в журнале "Ангевандте хеми" 19 мая 1934 года, она ставила провокационный вопрос: почему периодическая система вдруг обрывается после урана?
В составленной ею таблице она демонстративно оставляла незанятые места от 93 до 96 для элементов, которые еще предстояло открыть. Такой шаг она обосновывала весьма оптимистично: "Нам кажется возможным, что элементы, следующие за ураном, так называемые трансураны, с возрастанием порядкового номера становятся все менее жизнеспособными, а потому все более редкими. Однако стоящие за ураном четные элементы 94 и 96 могли бы быть получены сегодняшними средствами...; следует ожидать, что как раз в этом месте системы появятся некоторые неожиданности".

Действительно, такие неожиданности не заставили себя долго ждать. Уже в начале 1934 года Ирэн Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим супругом. Фредериком Жолио, сделала открытие, поразившее специалистов. Им удалось обнаружить "новый тип радиоактивности". Так называлось их сообщение в "Отчетах Парижской академии наук" от 15 января. Что же крылось за этим заголовком?

Оба исследователя бомбардировали алюминиевую фольгу альфа-частицами; при этом обнаружилась отчетливая радиоактивность алюминия, которая сохранялась также после удаления источника излучения. Такой эффект никто никогда не наблюдал. Отдельные атомы алюминия после воздействия альфа-частиц превратились в радиоактивный фосфор (Р*). Этим новым методом можно было искусственно вызвать радиоактивность. То, что Стефания Марацинеану ошибочно искала на свинцовых крышах, стало фактом - для легких элементов - пока только для них - можно искусственно индуцировать радиоактивность:

²⁷Al + ⁴He = ³⁰P + n

Радиоактивный фосфор распадается до устойчивого изотопа кремния с выделением позитрона:

³⁰P = ³⁰Si + e⁺

Исследователям атома, этим "алхимикам XX века", вновь удалось осуществить поразительное превращение элементов. Искусственным путем принудить вещества к радиоактивному распаду - это было, безусловно, новым большим шагом на пути к гигантским запасам энергии атомного ядра.

Энрико Ферми из Физического института Римского университета, новая звезда в международном семействе исследователей атома, заинтересовался открытием искусственной радиоактивности и начал систематически обстреливать нейтронами один элемент за другим. Молодой физик надеялся, что таким путем, а не только с помощью альфа-частиц ему удастся вызвать искусственную радиоактивность.

Ферми и его коллеги д'Агостино, Сегре, Амальди и Розетти подошли к этим опытам строго методически. Они начали с элемента 1, водорода, и подвергли его воздействию потока нейтронов. После того как был убран источник нейтронов - запаянная трубка с эманацией радия и порошком бериллия, ученые испытали облученный элемент на радиоактивность. Для этого был использован счетчик их собственной конструкции, работавший по принципу счетчика Гейгера - Мюллера, известного с 1928 года. Ферми вбил себе в голову испытать все элементы периодической системы вплоть до урана. Откуда же взять нужные вещества?

Физикам потребовалось некоторое время для того, чтобы обыскать запылившиеся полки институтов, химических магазинов и аптек и найти все, что им требовалось.

Многие сотрудники Римского университета находили поведение молодых физиков очень забавным: Ферми и его друзья по окончании облучения мчались, как одержимые, по длинным коридорам института, чтобы испытать свои препараты в помещении, не зараженном радиоактивностью. Ведь могло так случиться, что образовался короткоживущий радиоактивный элемент с периодом полураспада в несколько секунд.

Потом обычно можно было видеть, как они медленно возвращались с разочарованными лицами. Для первых восьми элементов физики не смогли обнаружить никакой искусственной радиоактивности. Однако на девятом элементе, фторе, счетчик вдруг защелкал. Вскоре итальянцы установили, что облучение нейтронами активизирует многие элементы. Чаще всего последние излучали бета-лучи и превращались при этом в атомы следующего элемента.

Ферми открыл "радиоактивность, индуцированную бомбардировкой нейтронами". Так назвал он статью, написанную 10 апреля и опубликованную в мае 1934 года в журнале "Нейчур",