Радиоактивное превращение химических элементов. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения

1. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии в английской семье. В Новой Зеландии он получил высшее образование, а затем в 1895 г. приехал в Кембридж и занялся научной работой в качестве ассистента Томсона. В 1898 г. Резерфорд был приглашен на кафедру физики Монреальского университета Мак-Гилла (Канада), где продолжал исследование радиоактивности, начатое еще в Кембридже.

В 1899 г. в Монреале коллега Резерфорда Оунз сообщил ему, что радиоактивность тория чувствительна к потокам воздуха. Это наблюдение показалось любопытным, Резерфорд заинтересовался и обнаружил, что радиоактивность соединений тория, если торий находится в закрытой ампуле, сохраняет постоянную интенсивность, если же опыт производится на открытом воздухе, то она быстро уменьшается, причем на результатах сказываются даже слабые потоки воздуха. Кроме того, тела, расположенные по соседству с соединениями тория, спустя некоторое время сами начинают испускать излучение, как если бы они тоже были радиоактивными. Это свойство Резерфорд назвал «возбужденной активностью».

Резерфорд довольно скоро понял, что все эти явления можно легко объяснить, если предположить, что соединения тория испускают, кроме α-частиц, еще другие частицы, которые в свою очередь радиоактивны. Вещество, состоящее из этих частиц, он назвал «эманацией» и считал его подобным радиоактивному газу, который, располагаясь тончайшим невидимым слоем на телах, находящихся рядом с выделяющим эту эманацию торием, сообщает этим телам кажущуюся радиоактивность. Руководствуясь этим предположением, Резерфорд сумел отделить этот радиоактивный газ с помощью простой вытяжки воздуха, имевшего соприкосновение с препаратом тория, а затем, введя его в ионизационную камеру, определил таким образом его активность и основные физические свойства. В частности, Резерфорд показал, что степень радиоактивности эманации (окрещенной позднее тороном, подобно тому как были названы радоном и актиноном радиоактивные газы, испускаемые радием и актинием) очень быстро уменьшается в геометрической прогрессии в зависимости от времени: каждую минуту активность уменьшается вдвое, через десять минут она уже становится совсем незаметной.

Тем временем супруги Кюри показали, что радий тоже обладает свойством возбуждать активность близлежащих тел. Для объяснения радиоактивности осадков радиоактивных растворов они приняли выдвинутую Беккерелем теорию и назвали это новое явление «индуцированной радиоактивностью». Супруги Кюри полагали, что индуцированная радиоактивность вызывается каким-то особым возбуждением тел лучами, испускаемыми радием: нечто похожее на фосфоресценцию, которой они прямо уподобляли это явление. Впрочем, Резерфорд, говоря о «возбужденной активности», первое время тоже, должно быть, имел в виду явление индукции, которое физика XIX века вполне готова была принять. Но Резерфорду уже было известно нечто большее, нежели супругам Кюри: он знал, что возбуждение, или индукция, было не прямым следствием воздействия тория, а результатом действия эманации. Тогда Кюри еще не открыли эманации радия, она была получена Латером и Дорном в 1900 г., после того как они повторили такие же исследования радия, какие Резерфорд провел ранее с торием.

Весной 1900г., опубликовав свое открытие, Резерфорд прервал исследования и вернулся в Новую Зеландию, где должна была состояться его свадьба. По возвращении в Монреаль в том же году он встретился с Фредериком Содди (1877-1956), окончившим химический факультет в Оксфорде в 1898 г. и также недавно приехавшим в Монреаль. Встреча этих двух молодых людей была счастливым событием для истории физики. Резерфорд рассказал Содди о своем открытии, о том, что ему удалось выделить торон, подчеркнул широкое поле исследований, которое здесь открывалось, и предложил ему объединиться для совместного химико-физического изучения соединения тория. Содди согласился.

Это исследование заняло у молодых ученых два года. Содди, в частности, изучил химическую природу эманации тория. В результате своих исследований он показал, что новый газ совершенно не вступает ни в какие известные химические реакции. Поэтому оставалось предположить, что он принадлежит к числу инертных газов, а именно (как Содди определенно показал в начале 1901 г.) новый газ по своим химическим свойствам подобен аргону (сейчас известно, что это один из его изотопов), который Рэлей и Рамсей обнаружили в воздухе в 1894 г.

Упорная работа двух молодых ученых увенчалась новым значительным открытием: вместе с торием в их препаратах был обнаружен другой элемент, отличавшийся по химическим свойствам от тория, а по активности превосходивший торий по крайней мере в несколько тысяч раз. Этот элемент был химически отделен от тория осаждением с помощью аммиака. По примеру Уильяма Крукса, который в 1900 г. назвал радиоактивный элемент, полученный им из урана, ураном X, молодые ученые назвали новый радиоактивный элемент торием X. Активность этого нового элемента в течение четырех дней уменьшается наполовину; этого времени было достаточно, чтобы обстоятельно изучить его. Исследования позволили сделать не подлежащий сомнению вывод: эманация тория получается вовсе не из тория, как это казалось, а из тория X. Если в некотором образце тория торий X отделялся от тория, то интенсивность радиации тория была сначала намного меньше, чем до разделения, но постепенно она увеличивалась со временем по экспоненциальному закону благодаря постоянному образованию нового радиоактивного вещества.

В первой работе 1902 г. ученые, объясняя все эти явления, пришли к выводу, что

«...радиоактивность - это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества. Эти изменения д0лжны происходить внутри атома, а радиоактивные элементы являются, должно быть, спонтанными превращениями атомов... Поэтому радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса» (Philosophical Magazine, (6), 4, 395 (1902) ).

А в следующем году они писали уже более определенно:

«Радиоактивные элементы обладают среди всех других элементов самым большим атомным весом. Это, собственно, и есть их единственное общее химическое свойство. В результате атомного распада и выбрасывания тяжелых заряженных частиц с массой того же порядка, что и масса атома водорода, остается новая система, более легкая, чем первоначальная, с физическими и химическими свойствами, совершенно отличными от свойств исходного элемента. Процесс распада, начавшись однажды, затем уже переходит с одной ступени на другую с определенными скоростями, вполне измеримыми. На каждой ступени испускается одна или несколько α-частиц, пока не достигаются последние ступени, когда α-частицы или электроны уже испущены. По-видимому, целесообразно было бы дать специальные названия этим новым осколкам атомов и новым атомам, которые получаются из первоначального атома после испускания частицы и существуют лишь ограниченный отрезок времени, постоянно подвергаясь дальнейшим изменениям. Их отличительным свойством является неустойчивость. Количества, в которых они могут скопляться, очень невелики, так что маловероятно, чтобы их можно было изучать обычными способами. Неустойчивость и связанное с ней испускание лучей и дают нам способ их изучения. Поэтому мы предлагаем называть эти осколки атомов "метаболонами"» (Philosophical Magazine, (6), 5, 536 (1903) ).

Предложенный термин не удержался, потому что эта первая осторожная попытка сформулировать теорию была вскоре исправлена самими авторами и уточнена в ряде неясных пунктов, которые, наверно, отметил и сам читатель. В исправленном виде теория уже не нуждалась в новом термине и лет десять спустя одним из этих молодых ученых, ставшим к тому времени уже ученым с мировым имененем и лауреатом Нобелевской премии по физике, была выражена так:

«Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев с огромной скоростью выбрасывается осколок атома - α-частица, в некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением рентгеновских лучей, обладающих большой проникающей способностью и известных под названием γ-излучения. Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распада. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само тоже неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения...

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях» (E. Rutherford, The structure of the atom, Scientia, 16, 339 (1914) ).

В уже цитировавшейся статье 1903 г. Резерфорд и Содди составили таблицу «метаболонов», которые, согласно их теории, образуются в соответствии с их собственными опытами и опытами других ученых как продукты распада:

Таковы первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Постепенно другие вещества заняли свое место в этих семействах естественных радиоактивных элементов, и было установлено, что таких семейств всего три, из коих два имеют родоначальником уран, а третье - торий. Первое семейство насчитывает 14 «потомков», т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате последовательного распада, второе - 10, третье - 11; в любом современном учебнике физики можно найти подробное описание этих «генеалогических деревьев».

Позволим себе одно замечание. Сейчас может казаться вполне естественным, более того, само собой разумеющимся тот вывод, к которому пришли в результате своих опытов Резерфорд и Содди. По сути дела, о чем шла речь? О том, что спустя некоторое время в первоначально чистом тории оказывалась примесь нового элемента, из которого в свою очередь образовывался газ, также обладающий радиоактивностью. Образование новых элементов можно видеть наглядно. Наглядно, но не очень. Нужно иметь в виду, что количества, в которых образовывались новые элементы, были очень далеки от тех минимальных доз, которые в то время были необходимы для самого точного химического анализа. Речь шла о едва заметных следах, которые можно обнаружить лишь радиоактивными методами, по фотографии и ионизации. Но все эти эффекты можно было объяснить и другим способом (индукцией, присутствием новых элементов в исходных препаратах с самого начала, как это было при открытии радия, и т. п.). То, что распад вовсе не был так уж очевиден, ясно хотя бы из того, что ни Крукс, ни Кюри не увидели ни малейшего намека на это, хотя и наблюдали аналогичные явления. Нельзя умолчать и о том, что нужно было большое мужество, чтобы в 1903 г., в самый разгар триумфа атомистики, говорить о превращениях элементов. Эта гипотеза отнюдь не была защищена от всевозможной критики и, быть может, не устояла бы, если бы Резерфорд и Содди с удивительным упорством не отстаивали ее в течение целых десятилетий, прибегая все к новым доказательствам, о которых мы еще будем говорить.

Нам кажется уместным прибавить здесь, что теория радиоактивной индукции также оказала большую услугу науке, предотвратив распыление сил в поисках новых радиоактивных элементов при каждом проявлении радиоактивности у нерадиоактивных элементов.

2. ПРИРОДА α-ЧАСТИЦ

Очень важным пунктом в теории радиоактивного распада, который мы до сих пор обходили, однако, молчанием в целях простоты изложения, является природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, ибо гипотеза, приписывающая им корпускулярные свойства, имеет определяющее значение для теории Резерфорда и Содди.

Сначала α-частицы - медленная, легко поглощаемая веществом компонента излучения - после их открытия Резерфордом не привлекали особого внимания физиков, интересовавшихся преимущественно быстрыми β-лучами, обладающими в сто раз большей проникающей способностью, нежели α-частицы.

Тот факт, что Резерфорд предугадал важность α-частиц для объяснения радиоактивных процессов и многие годы посвятил их изучению, является одним из самых ясных проявлений гениальности Резерфорда и одним из главных факторов, определивших успех его деятельности.

В 1900 г. Роберт Рэлей (Роберт Стретт, сын Джона Уильяма Рэлея) и независимо от него Крукс выдвинули гипотезу, не подтвержденную никаким опытным доказательством, согласно которой α-частицы несут положительный заряд. Сегодня очень хорошо можно понять те трудности, которые стояли на пути экспериментального исследования α-частиц. Этих трудностей две: во-первых, α-частицы намного тяжелее β-частиц, поэтому они незначительно отклоняются под воздействием электрических и магнитных полей, и, конечно, простого магнита было недостаточно, чтобы получить заметное отклонение; во-вторых, α-частицы быстро поглощаются воздухом, отчего наблюдать их становится еще труднее.

В течение двух лет Резерфорд пытался добиться отклонения α-частиц в магнитном поле, но все время получал неопределенные результаты. Наконец, в конце 1902 г., когда ему удалось благодаря любезному посредничеству Пьера Кюри получить достаточное количество радия, он смог надежно установить отклонение α-частиц в магнитном и электрическом полях с помощью показанного на стр. 364 устройства.

Наблюдавшееся им отклонение позволило определить, что α-частица несет положительный заряд; по характеру отклонения Резерфорд определил также, что скорость α-частицы приблизительно равна половине скорости света (позднейшие уточнения уменьшили скорость примерно до одной десятой скорости света); отношение e/m получилось равным приблизительно 6000 электромагнитных единиц. Из этого следовало, что если α-частица несет элементарный заряд, то ее масса должна быть вдвое больше массы атома водорода. Резерфорд отдавал себе отчет в том, что все эти данные в высшей степени приближенны, но один качественный вывод они все же позволяли сделать: α-частицы обладают массой того же порядка, что и атомные массы, и поэтому подобны каналовым лучам, которые наблюдал Гольдштейн, но обладают значительно большей скоростью. Полученные результаты, говорит Резерфорд, «проливают свет на радиоактивные процессы», и отражение этого света мы уже видели в цитировавшихся отрывках из статей Резерфорда и Содди.

В 1903 г. Мария Кюри подтвердила открытие Резерфорда с помощью описываемой теперь во всех учебниках физики установки, в которой благодаря сцинтилляции, вызываемой всеми лучами, которые испускает радий, можно было одновременно наблюдать противоположные отклонения α-частиц и β-лучей и невосприимчивость γ-излучения к электрическому и магнитному полям.

Теория радиоактивного распада навела Резерфорда и Содди на мысль, что все устойчивые вещества, получающиеся при радиоактивных превращениях элементов, должны присутствовать в радиоактивных рудах, в которых эти превращения происходят уже в течение многих тысяч лет. Не следует ли тогда считать гелий, найденный Рамсеем и Траверсом в урановых рудах, продуктом радиоактивного распада?

С начала 1903 г. изучение радиоактивности получило неожиданно новый толчок благодаря тому, что Гизель (фирма «Хининфабрик», Брауншвейг) выпустил в продажу по сравнительно умеренным ценам такие чистые соединения радия, как гидрат бромистого радия, содержащий 50% чистого элемента. До этого приходилось работать с соединениями, содержавшими самое большее 0,1% чистого элемента!

К тому времени Содди вернулся в Лондон, чтобы продолжать там изучение свойств эманации в химической лаборатории Рамсея - единственной тогда в мире лаборатории, где можно было проводить исследования такого рода. Он купил 30 мг поступившего в продажу препарата, и этого количества оказалось ему достаточно, чтобы вместе с Рамсеем в том же 1903 г. доказать, что гелий присутствует в радии, имеющем возраст несколько месяцев, и что при распаде эманации образуется гелий.

Но какое место занимал гелий в таблице радиоактивных превращений? Был ли он конечным продуктом превращений радия или же продуктом какой-то из стадий его эволюции? Резерфорд очень скоро догадался, что гелий образуемся α-частицами, испускаемыми радием, что каждая α-частица является атомом гелия с двумя положительными зарядами. Но чтобы доказать это, понадобились годы работы. Доказательство было получено лишь тогда, когда Резерфорд и Гейгер изобрели счетчик α-частиц, о котором мы говорили в гл. 13. Измерение заряда отдельной α-частицы и определение отношения e/m сразу же дало для ее массы m значение, равное массе атома гелия.

И все же все эти исследования и подсчеты еще не доказывали решительно, что α-частицы тождественны с ионами гелия. В самом деле, если бы, скажем, одновременно с выбрасыванием α-частицы освобождался атом гелия, то все опыты и расчеты оставались бы в силе, но α-частица могла бы быть и атомом водорода или какого-нибудь другого неизвестного вещества. Резерфорд хорошо понимал возможность такой критики и, чтобы отклонить ее, в 1908 г. вместе с Ройдсом дал решительное доказательство своей гипотезы с помощью установки, схематически изображенной на приведенном рисунке: α-частицы, испускаемые радоном, собираются и накапливаются в трубке для спектроскопического анализа; при этом наблюдается характерный спектр гелия.

Таким образом, начиная с 1908 г. уже не было никаких сомнений в том, что α-частицы являются ионами гелия и что гелий представляет собой составную часть естественных радиоактивных веществ.

Прежде чем перейти к другому вопросу, добавим еще, что через несколько лет после обнаружения гелия в урановых рудах американский химик Болтвуд, исследуя руды, содержащие уран и торий, пришел к выводу, что последним нерадиоактивным продуктом последовательного ряда превращений урана является свинец и что, кроме того, радий и актиний - сами продукты распада урана. Таблица «метаболонов» Резерфорда и Содди должна была, таким образом, претерпеть существенное изменение.

Теория атомного распада приводила к еще одному новому интересному следствию. Поскольку радиоактивные превращения происходят с неизменной скоростью, которую не мог изменить никакой физический фактор, известный в то время (1930 г.), то по соотношению количеств урана, свинца и гелияг присутствующих в урановой руде, можно определить возраст самой руды, т. е. возраст Земли. Первый подсчет дал цифру в один миллиард восемьсот миллионов лет, но Джон Джоли (1857-1933) и Роберт Рэлей (1875-1947), проведшие важные исследования в этой области, считали эту оценку весьма неточной. Сейчас возраст урановых руд считают примерно равным полутора миллиардам лет, что не очень отличается от первоначальной оценки.

3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОСТИ

Мы уже говорили, что Резерфорд установил на опыте экспоненциальный закон убывания активности эманации тория со временем: активность уменьшается вдвое примерно за одну минуту. Все радиоактивные вещества, исследованные Резерфордом и другими, подчинялись качественно такому же закону, но каждому из них соответствовал свой период полураспада. Этот экспериментальный факт выражается простой формулой (Эта формула имеет вид

где λ постоянная полураспада, а обратная ей величина есть среднее время жизни элемента. Время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, называется периодом, или временем, полураспада. Как мы уже сказали, А, сильно изменяется от элемента к элементу и, следовательно, меняются и все другие зависящие от нее величины. Например, среднее время жизни урана I равно 6 миллиардам 600 миллионам лет, а актиния А - трем тысячным долям секунды), устанавливающей соотношение между числом N 0 радиоактивных атомов в начальный момент и числом еще не распавшихся атомов в момент t. Этот закон можно выразить иначе: доля атомов, распадающихся за определенный промежуток времени, является постоянной, характеризующей элемент, и называется постоянной радиоактивного распада, а величина, обратная ей, называется средним временем жизни.

До 1930 г. не было известно какого-либо фактора, который влиял бы хоть в малейшей степени на естественную скорость этого явления. Начиная с 1902 г., Резерфорд и Содди, а затем и многие другие физики помещали радиоактивные тела в самые различные физические условия, но ни разу не получили ни малейшего изменения постоянной радиоактивного распада.

«Радиоактивность, - писали Резерфорд и Содди, - согласно нашим сегодняшним знаниям о ней, следует рассматривать как результат процесса, остающегося совершенно вне сферы действия известных нам и контролируемых сил; она не может быть ни создана, ни изменена, ни остановлена» (Philosophical Magazine, (6), 5, 582 (1903). ).

Среднее время жизни элемента - это точно определенная константа, неизменная для каждого элемента, однако индивидуальное время жизни отдельного атома данного элемента совершенно неопределенно. Среднее время жизни не уменьшается со временем: оно одно и то же как для группы только что образовавшихся атомов, так и для группы атомов, образовавшихся в ранние геологические эпохи. Короче говоря, прибегая к антропоморфному сравнению, можно сказать, что атомы радиоактивных элементов умирают, но не стареют. В общем с самого начала основной закон радиоактивности показался совершенно непостижимым, каким остается и до наших дней.

Из всего сказанного ясно, и это было понятно сразу же, что закон радиоактивности - закон вероятностный. Он утверждает, что возможность распада атома в данный момент одинакова для всех имеющихся радиоактивных атомов. Речь идет, таким образом, о статистическом законе, который тем яснее выявляется, чем больше число рассматриваемых атомов. Если бы на явление радиоактивности влияли внешние причины, то объяснение этого закона было бы довольно простым: в таком случае атомами, распадающимися в данный момент, были бы как раз те атомы, которые находятся по отношению к воздействующей внешней причине в особенно благоприятных услов-виях. Эти особые условия, приводящие к распаду атома, можно было бы, например, объяснить тепловым возбуждением атомов. Иными словами, статистический закон радиоактивности имел бы тогда такой же смысл, как и статистические законы классической физики, рассматриваемые как синтез частных динамических законов, которые из-за большого их числа просто удобно рассматривать статистически.

Но данные опыта не давали абсолютно никакой возможности свести этот статистический закон к сумме частных законов, определяемых внешними причинами. Исключив внешние причины, стали искать причины превращения атома в самом атоме.

«Так как, - писала Мария Кюри, - в совокупности большого числа атомов некоторые из них немедленно разрушаются, в то время как другие продолжают существовать в течение очень долгого времени, то нельзя уже рассматривать все атомы одного и того же простого вещества как совершенно одинаковые, а следует признать, что различие в их судьбе определяется индивидуальными различиями. Но тогда возникает новая трудность. Различия, которые мы хотим учитывать, должны быть такого рода, что они не должны определять, так сказать, «старения» вещества. Они должны быть такими, чтобы вероятность того, что атом проживет еще некоторое данное время, не зависела от того времени, в течение которого он уже существует. Любая теория строения атомов должна удовлетворять этому требованию, если она основана на высказанных выше соображениях» (Rapports et discussions du Conseil Solvay tenu a Bruxelles du 27 au 30 avril 1913, Paris, 1921, p. 68-69 ).

Точку зрения Марии Кюри разделял и ее ученик Дебьерн, который выдвинул предположение, что каждый радиоактивный атом непрерывно быстро проходит через многочисленные различные состояния, сохраняя неизменным и независимым от внешних условий некое среднее состояние. Отсюда следует, что в среднем все атомы одного и того же вида обладают одинаковыми свойствами и одинаковой вероятностью распада, обусловливаемого неустойчивым состоянием, через которое атом время от времени проходит. Но наличие постоянной вероятности распада атома предполагает чрезвычайную его сложность, поскольку он должен состоять из большого числа элементов, подверженных беспорядочным движениям. Это внутриатомное возбуждение, ограниченное центральной частью атома, может привести к необходимости введения внутренней температуры атома, которая значительно выше внешней.

Эти соображения Марии Кюри и Дебьерна, не подтвержденные, однако, никакими опытными данными и не приведшие ни к каким реальным следствиям, не нашли отклика среди физиков. Мы вспомнили их потому, что оказавшаяся безрезультатной попытка классического истолкования закона радиоактивного распада была первым, или по крайней мере наиболее убедительным, примером статистического закона, который нельзя получить из законов индивидуального поведения отдельных объектов. Возникает новая концепция статистического закона, данного непосредственно, безотносительно к поведению индивидуальных объектов, составляющих совокупность. Такая концепция станет ясной лишь спустя десять лет после безуспешных усилий Кюри и Дебьерна.

4. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

В первой половине прошлого века некоторые химики, в частности Жан Батист Дюма (1800-1884), В заметили определенную связь между атомным весом элементов и их химическими и физическими свойствами. Эти наблюдения были завершены Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907), который в 1868 г. опубликовал свою гениальную теорию периодической системы элементов, одно из самых глубоких обобщений в химии. Менделеев расположил известные в то время элементы в порядке возрастания атомного веса. Вот первые из них, с указанием их атомного веса по данным того времени:

7Li; 9,4Ве; 11В; 12С; 14N; 160; 19F;

23Na; 24Mg; 27,3Al; 28Si; 31P; 32S; 35,50Сl.

Менделеев заметил, что химические и физические свойства элементов являются периодическими функциями от атомного веса. Например, в первом ряду выписанных элементов плотность регулярно возрастает с увеличением атомного веса, достигает максимума в середине ряда, а затем уменьшается; такую же периодичность, хотя и не столь четкую, можно видеть и в отношении других химических и физических свойств (точка плавления, коэффициент расширения, проводимость, окисляемость и т. п.) для элементов как первого, так и второго ряда. Эти изменения происходят по одинаковому закону в обоих рядах, так что элементы, которые находятся в одной и той же колонке (Li и Na, Be и Mg и т. д.), обладают аналогичными химическими свойствами. Эти два ряда называются периодами. Таким образом, все элементы можно распределить по периодам в соответствии с их свойствами. Из этого и следует закон Менделеева: свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов.

Здесь не место рассказывать об оживленной дискуссии, которую вызвала периодическая классификация, и о ее постепенном утверждении благодаря бесценным услугам, которые она оказала развитию науки. Достаточно лишь указать, что к концу прошлого столетия она была принята почти всеми химиками, которые принимали ее как опытный факт, убедившись в тщетности всех попыток теоретически ее интерпретировать.

В самом начале XX века при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал, торианит, который, как известно сейчас, представляет собой ториево-урановый минерал. Некоторое количество торианита было послано в Англию для анализа. Однако при первом анализе из-за ошибки, которую Содди приписывает известной немецкой работе по аналитической химии, был спутан торий с цирконием, из-за чего исследуемое вещество, считавшееся урановой рудой, было подвергнуто обработке по методу Кюри для отделения радия от урановой руды. В 1905 г., применив указанный способ, Вильгельм Рамсей и Отто Хан (последний обессмертил свое имя тридцать лет спустя, открыв реакцию деления урана) получили вещество, которое химический анализ определял как торий, но которое отличалось от него гораздо более интенсивной радиоактивностью. Как и в случае тория, в результате его распада образовались торий X; торон и другие радиоактивные элементы. Интенсивная радиоактивность свидетельствовала о наличии в полученном веществе нового радиоактивного элемента, химически еще не определенного. Его назвали радиоторием. Вскоре выяснилось, что он представляет собой элемент из ряда распада тория, что он ускользнул от предшествовавшего анализа Резерфорда и Содди и должен быть вставлен между торием и торием X. Среднее время жизни радиотория оказалось равным примерно двум годам. Это достаточно долгий срок, чтобы радиоторий мог заменить в лабораториях дорогостоящий радий. Помимо чисто научного интереса, эта экономическая причина побудила многих химиков попытаться выделить его, но все попытки оказались безрезультатными. Никаким химическим процессом отделить его от тория не удавалось, более того, в 1907 г. проблема, казалось, еще более усложнилась, потому что Хан открыл мезоторий - элемент, порождающий радиоторий, который тоже оказался неотделимым от тория. Американские химики Мак-Кой и Росс, потерпев неудачу, имели смелость объяснять ее и неудачи других экспериментаторов принципиальной невозможностью отделения, но их современникам такое объяснение показалось лишь удобной отговоркой. Между тем в период 1907-1910 гг. были отмечены другие случаи, когда одни радиоактивные элементы не удавалось отделить от других. Наиболее типичными примерами были торий и ионий, мезоторий I и радий, радий D и свинец.

Некоторые химики уподобляли неотделимость новых радиоэлементов случаю с редкоземельными элементами, с которым химия столкнулась в XIX веке. Первое время сходные химические свойства редких земель заставили считать свойства этих элементов одинаковыми, и лишь позднее по мере совершенствования химических методов постепенно удалось отделить их. Однако Содди считал, что эта аналогия надуманная: в случае с редкими землями трудность состояла не в том, чтобы разделить элементыг а в том, чтобы установить факт их разделения. Напротив, в случае радиоактивных элементов с самого начала ясно различие двух элементов, а вот отделить их не удается.

В 1911 г. Содди провел систематическое исследование коммерческого препарата мезотория, содержащего также радий, и обнаружил, что относительное содержание одного из этих двух элементов увеличить невозможно, даже прибегая к многократной фракционной кристаллизации. Содди пришел к выводу, что два элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами и тем не менее иметь настолько сходные другие химические и физические свойства, что они оказываются неразделимыми с помощью обычных химических процессов. Если два таких элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, их следует помещать на одно и то же место в периодической таблице элементов; поэтому он назвал их изотопами.

Исходя из этой основной идеи, Содди попытался дать теоретическое объяснение, сформулировав «правило смещения при радиоактивных превращениях»: испускание одной α-частицы приводит к смещению элемента на два места влево в периодической системе. Но превращенный элемент может впоследствии вернуться в ту же клетку периодической системы при последующем испускании двух β-частиц, в результате чего два элемента будут обладать одинаковыми химическими свойствами, несмотря на различные атомные веса. В 1911 г. химические свойства радиоактивных элементов, испускающих β-лучи и обладающих, как правило, очень малой продолжительностью жизни, были еще мало известны, поэтому, прежде чем принять такое объяснение, нужно было лучше узнать свойства элементов, испускающих β-лучи. Содди поручил эту работу своему ассистенту Флекку. Работа потребовала много времени, и в ней приняли участие оба ассистента Резерфорда - Рессел и Хевеши; позднее этим занялся также Фаянс.

Весной 1913 г. работа была завершена и правило Содди было подтверждено без всяких исключений. Его можно было сформулировать очень просто: испускание α-частицы уменьшает атомный вес данного элемента на 4 единицы и смещает элемент на два места влево в периодической системе; испускание же β-частицы не меняет существенно атомного веса элемента, но смещает его на одно место вправо в периодической системе. Поэтому если за превращением, вызванным испусканием α-частицы, следует два превращения с испусканием β-частиц, то после трех превращений элемент возвращается на первоначальное место в таблице и приобретает те же химические свойства, что и исходный элемент, обладая, однако, атомным весом, меньшим на 4 единицы. Из этого ясно следует также, что изотопы двух различных элементов могут иметь одинаковый атомный вес, но различные химические свойства. Стьюарт назвал их изобарами. На стр. 371 воспроизведена схема, иллюстрирующая правило смещения при радиоактивных превращениях в форме, данной Содди в 1913 г. Сейчас мы знаем, конечно, значительно больше радиоактивных изотопов, чем знал Содди в 1913 г. Но нам не стоит, пожалуй, прослеживать все эти последующие технические завоевания. Важнее лишний раз подчеркнуть главное: α-частицы несут два положительных заряда, а β-частицы - один отрицательный заряд; испускание любой из этих частиц изменяет химические свойства элемента. Глубокий смысл правила Содди состоит, таким образом, в том, что химические свойства элементов, или по крайней мере радиоактивных элементов, пока это правило не распространено дальше, связаны не с атомным весом, как это утверждала классическая химия, а с внутриатомным электрическим зарядом.

Явилось одним из самых важных этапов в развитии современного физического знания. Ученые пришли к правильным выводам относительно структуры мельчайших частиц не сразу. И еще намного позднее были открыты другие закономерности - например, законы движения микрочастиц, а также особенности превращения атомных ядер, которые происходят при радиоактивном распаде.

Опыты Резерфорда

Впервые радиоактивные превращения атомных ядер изучались английским исследователем Резерфордом. Уже тогда было понятно, что основная масса атома приходится на его ядро, так как электроны во много сотен раз легче, чем нуклоны. Для того чтобы исследовать положительный заряд внутри ядра, в 1906 году Резерфорд предложил исследовать атом при помощи зондирования альфа-частицами. Такие частицы возникали при распаде радия, а также некоторых других веществ. В ходе своих опытов Резерфорд получил представление о строении атома, которому было дано название «планетарной модели».

Первые наблюдения радиоактивности

Еще в 1985 году английский исследователь У. Рамзай, который известен своим открытием газа аргона, сделал интересное открытие. В минерале под названием клевеит он обнаружил газ гелий. Впоследствии большое количество гелия было найдено также и в других минералах, но лишь в тех, в состав которых входят торий и уран.

Исследователю это казалось очень странным: откуда мог взяться в минералах газ? Но когда Резерфорд начал изучать природу радиоактивности, то оказалось, что гелий представляет собой продукт радиоактивного распада. Одни химические элементы «порождают» другие, с совершенно новыми свойствами. И этот факт противоречил всему предыдущему опыту химиков того времени.

Наблюдение Фредерика Содди

Вместе с Резерфордом в исследованиях принимал непосредственное участие ученый Фредерик Содди. Он был химиком, и потому вся его работа проводилась в отношении отождествления химических элементов согласно их свойствам. На самом деле радиоактивные превращения атомных ядер впервые были замечены Содди. Он сумел выяснить, что представляют собой альфа-частицы, которыми пользовался в своих опытах Резерфорд. Произведя измерения, ученые выяснили, что масса одной альфа-частицы составляет 4 атомных единицы массы. Накопив определенное количество таких альфа-частиц, исследователи обнаружили, что они превратились в новое вещество - гелий. Свойства этого газа были хорошо известны Содди. Поэтому он утверждал, что альфа-частицы сумели захватить электроны извне и превратиться в нейтральные атомы гелия.

Изменения внутри ядра атома

Последующие исследования были направлены на выявление особенностей атомного ядра. Ученые поняли, что все преобразования происходят не с электронами или электронной оболочкой, а непосредственно с самими ядрами. Именно радиоактивные превращения атомных ядер способствовали преобразованию одних веществ в другие. Тогда еще особенности этих превращений ученым были неизвестны. Но понятно было одно: в их результате каким-то образом появляются новые химические элементы.

Впервые такую цепочку метаморфоз ученым удалось проследить в процессе превращения радия в радон. Реакции, в результате которых происходили такие превращения, сопровождавшиеся особым излучением, исследователи назвали ядерными. Убедившись, что все эти процессы протекают именно внутри ядра атома, ученые начали исследовать и другие вещества, не только радий.

Открытые виды излучений

Основная дисциплина, которая может потребовать ответов на подобные вопросы - это физика (9 класс). Радиоактивные превращения атомных ядер входят в ее курс. Проводя опыты над проникающей способностью уранового излучения, Резерфорд открыл два вида излучений, или радиоактивных превращений. Менее проникающий тип был назван альфа-излучением. Позднее было исследовано и бета-излучение. Гамма-излучение впервые было изучено Полем Виллардом в 1900 году. Ученые показали, что явление радиоактивности связано с распадом атомных ядер. Таким образом, по господствующим до тех времен представлениям об атоме как о неделимой частице был нанесен сокрушительный удар.

Радиоактивные превращения атомных ядер: основные типы

Сейчас считается, что во время радиоактивного распада происходит три вида превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, иначе называемый К-захватом. При альфа-распаде происходит испускание из ядра альфа-частицы, которая является ядром атома гелия. Само радиоактивное ядро при этом превращается в такое, которое обладает меньшим электрическим зарядом. Альфа-распад свойственен веществам, занимающим последние места в таблице Менделеева. Бета-распад также входит в радиоактивные превращения атомных ядер. Состав атомного ядра при этом типе также меняется: оно теряет нейтрино или антинейтрино, а также электроны и позитроны.

Этот тип распада сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением. При электронном захвате ядро атома поглощает один из ближайших электронов. При этом ядро бериллия может превратиться в ядро лития. Этот тип был обнаружен в 1938 году физиком из Америки по фамилии Альварес, который также изучал радиоактивные превращения атомных ядер. Фото, на которых исследователи пытались запечатлеть такие процессы, содержат изображения, похожие на размытое облако, в силу малых величин исследуемых частиц.

С.Г.Кадменский
Воронежский государственный университет

Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения

В 1996 году физическая общественность отметила столетие со дня открытия радиоактивности атомных ядер. Это открытие привело к рождению новой физики, позволившей понять структуру атома и атомного ядра, и послужило воротами в странный и гармоничный квантовый мир элементарных частиц. Как и в случае многих выдающихся открытий, обнаружение радиоактивности произошло случайно. В начале 1896 года сразу после открытия В.К. Рентгеном X-лучей французский физик Анри Беккерель в процессе проверки гипотезы о флуоресцентной природе рентгеновского излучения обнаружил, что ураново-калиевая соль самопроизвольно, спонтанно, без внешних воздействий испускает жесткое излучение. Позже Беккерель установил, что данное явление, названное им радиоактивностью, то есть лучевой активностью, целиком связано с присутствием урана, который стал первым радиоактивным химическим элементом. Через несколько лет подобные свойства были обнаружены у тория, затем у полония и радия, открытых Мари и Пьером Кюри , а в дальнейшем у всех химических элементов, номера которых больше 82. С появлением ускорителей и ядерных реакторов у всех химических элементов были обнаружены радиоактивные изотопы, большинство которых практически не встречаются в естественных условиях.

ВИДЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ АТОМНЫХ ЯДЕР

Анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую, названную -излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.
В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4 Не, а β-излучение состоит из электронов. Наконец, γ-излучение оказывается родственником светового и рентгеновского излучений и является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.
Очень любопытной оказалась природа β-распада ядер. Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми , который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе - "слабым" взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е - и антинейтрино (β - -распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е + и нейтрино ν (β + -распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).
Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком , связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами.
Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.
Наконец, в 1984 году независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих кластеры - атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.
В табл. 1 представлена история открытия различных видов радиоактивности. Исчерпаны ли ими все возможные виды радиоактивных превращений ядер, покажет время. А пока интенсивно продолжаются поиски ядер, которые испускали бы из основных состояний нейтрон (нейтронная радиоактивность) или два протона (двухпротонная радиоактивность) .

Таблица 1. История открытия различных видов радиоактивности

Тип радиоактивности ядер	Вид обнаруженного излучения	Год открытия	Авторы открытия
Радиоактивность атомных ядер	Излучение	1896	А. Беккерель
Альфа-распад	4 Не	1898	Э. Резерфорд
Бета-распад	e -	1898	Э. Резерфорд
Гамма-распад	γ -Квант	1900	П. Виллард
Спонтанное деление ядер	Два осколка	1940	Г.Н. Флеров, К.А. Петржак
Протонный распад	p	1982	3. Хофман и др.
Кластерный распад	14 C	1984	X. Роуз, Г. Джонс; Д.В. Александров и др.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АЛЬФА-РАСПАДЕ

Все виды радиоактивных превращений ядер удовлетворяют экспоненциальному закону:

N(t) = N(0)exp(-λt),

где N(t) - число радиоактивных ядер, выживших к моменту времени t > 0, если в момент t = 0 их число было N(0). Величина λ, совпадает с вероятностью распада радиоактивного ядра в единицу времени. Тогда время Т 1/2 , называемое периодом полураспада, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, определяется как

Т 1/2 = (ln2)/λ,.

Значения Т 1/2 для α-излучателей меняются в широком диапазоне от 10 -10 секунды до 10 20 лет в зависимости от величины энергии Q относительного движения α-частицы и дочернего ядра, которая при использовании законов сохранения энергии и импульса при α-распаде определяется как

Q = B(A-4,Z-2) + В(4,2) - В(А, Z),

где В(А, Z) - энергия связи родительского ядра. Для всех исследованных α-переходов величина Q > 0 и не превосходит 10 МэВ. В 1910 году Ганс Гейгер и Джордж Нэттол экспериментально обнаружили закон, связывающий период полураспада Т 1/2 с энергией Q:

lgТ 1/2 = В + СQ -1/2

(1)

где величины В и С не зависят от Q. Рисунок 1 иллюстрирует указанный закон для четно-четных изотопов полония, радона и радия. Но тогда появляется очень серьезная проблема. Потенциал взаимодействия V(R) α-частицы и дочернего ядра в зависимости от расстояния R между их центрами тяжести можно качественно представить следующим образом (рис. 2). На больших расстояниях R они взаимодействуют кулоновским образом и потенциал

На малых же расстояниях R в игру вступают короткодействующие ядерные силы и потенциал V(R) становится притягивающим. Поэтому в потенциале V(R) появляется барьер, положение R B максимума которого V B = V(R B ) лежит для тяжелых ядер с Z ≈ 82 в районе 10 -12 см, а величина V B = 25 МэВ. Но тогда возникает вопрос, как а-частица с энергией Q < V B может выйти из радиоактивного ядра, если в подбарьерной области величина ее кинетической энергии К = Q - V(R) становится отрицательной и с точки зрения классической механики движение частицы в этой области невозможно. Решение этой проблемы было найдено в 1928 году русским физиком Г.А. Гамовым . Опираясь на незадолго до того времени созданную квантовую механику, Гамов показал, что волновые свойства α-частицы позволяют ей с определенной вероятностью Р просачиваться через потенциальный барьер. Тогда, если принять, что α-частица существует в полностью сформированном виде внутри ядра, для вероятности его α-распада в единицу времени А, возникает формула

где 2ν - число ударов α-частицы о внутреннюю стенку барьера, определяемое частотой ν колебаний α-частицы внутри родительского ядра. Тогда, рассчитав квантово-механически величину Р и оценив v в простейших приближениях, Гамов получил для lgТ 1/2 закон Гейгера-Нэттола (1). Результат Гамова имел громадный резонанс в среде физиков, поскольку он продемонстрировал, что атомное ядро описывается законами квантовой механики. Но оставалась нерешенной главная проблема α-распада: откуда в тяжелых ядрах, состоящих из нейтронов и протонов, берутся α-частицы?

МНОГОЧАСТИЧНАЯ ТЕОРИЯ АЛЬФА-РАСПАДА

Многочастичная теория α-распада, в которой последовательно решается проблема формирования α-частицы из нейтронов и протонов родительского ядра, возникла в начале 50-х годов и в последние годы получила концептуальное завершение в работах некоторых физиков, включая автора и его сотрудников. Эта теория опирается на оболочечную модель ядра, обоснованную в рамках теории ферми-жидкости Л.Д. Ландау и А.Б. Мигдалом , в которой предполагается, что протон и нейтрон в ядре движутся независимым образом в самосогласованном поле, создаваемом остальными нуклонами. Используя оболочечные волновые функции двух протонов и двух нейтронов, можно найти вероятность, с которой эти нуклоны окажутся в -частичном состоянии. Тогда формулу Гамова (2) можно обобщить как

где W if и есть вероятность формирования альфа-частицы из нуклонов родительского ядра i с образованием конкретного состояния f дочернего ядра. Расчеты величин W if продемонстрировали принципиальную важность учета сверхтекучих свойств атомных ядер для понимания природы альфа-распада.
Немного истории. В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил явление сверхпроводимости некоторых металлов, для которых при температурах ниже определенной критической сопротивление скачком падает до нуля. В 1938 году П.Л. Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия 4 Не, состоящее в том, что при температурах ниже некоторой критической жидкий гелий протекает через тонкие капиллярные трубки без трения. Оба этих явления долгое время рассматривались как независимые, хотя многие физики интуитивно чувствовали их родственность. Сверхтекучесть жидкого гелия была объяснена в работах Н.Н. Боголюбова и С.Т. Беляева тем, что в нем при низких температурах осуществляется бозе-конденсация, при которой большинство атомов гелия аккумулируются в состоянии с нулевым импульсом. Это возможно потому, что атомы гелия имеют спин, равный нулю, и поэтому являются бозе-частицами, которые могут в любых количествах находиться в определенном квантовом состоянии, например в состоянии с импульсом, равным нулю. В отличие от атомов гелия электроны, протоны и нейтроны имеют полуцелый спин и являются ферми-частицами, для которых справедлив принцип Паули, разрешающий находиться в определенном квантовом состоянии только одной частице. Объяснение сверхпроводимости металлов основано на явлении, предсказанном Л. Купером, когда два электрона в сверхпроводнике образуют связанную систему, получившую название куперовской пары. Полный спин этой пары равен нулю, и ее можно рассматривать как бозе-частицу. Тогда в сверхпроводнике происходит бозе-конденсация куперовских пар с импульсами, равными нулю, и в них возникает явление сверхтекучести этих пар, родственное явлению сверхтекучести жидкого гелия. Сверхтекучесть куперовских пар и формирует сверхпроводящие свойства металлов. Таким образом, два явления, формально относящиеся к различным разделам физики, - сверхпроводимость и сверхтекучесть - оказались родственными физически. Природа не любит терять свои прекрасные находки. Она использует их в различных физических объектах. Это и формирует единство физики.
В 1958 году Oге Бор высказал гипотезу о существовании сверхтекучих свойств у атомных ядер. Практически за один год эта гипотеза была полностью подтверждена и реализована в создании сверхтекучей модели атомного ядра, в которой принимается, что пары протонов или нейтронов объединяются в куперовские пары со спином, равным нулю, а бозе-конденсация этих пар формирует сверхтекучие свойства ядер.
Поскольку α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов с суммарными спинами, равными нулю, то ее внутренняя симметрия совпадает с симметрией куперовских пар протонов и нейтронов в атомных ядрах. Поэтому вероятность формирования α-частицы W if максимальна, если она образуется из двух куперовских пар протонов и нейтронов. α-Переходы подобного типа называются облегченными и происходят между основными состояниями четно-четных ядер, где все нуклоны спарены. Для таких переходов в случае тяжелых ядер с Z > 82 величина W if = 10 -2 . Если в состав α-частицы входит только одна куперовская пара (протонная либо нейтронная), то подобные α-переходы, характерные для нечетных ядер, называются полуоблегченными и для них W if = 5*10 -4 . Наконец, если -частица формируется из неспаренных протонов и нейтронов, то α-переход называется необлегченным и для него величина W if = 10 -5 . Опираясь на сверхтекучую модель ядра, автору и его сотрудникам к 1985 году удалось успешно описать на основе формул типа (3) не только относительные, но и абсолютные вероятности α-распада атомных ядер.

МНОГОЧАСТИЧНАЯ ТЕОРИЯ ПРОТОННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ

Для надежного наблюдения протонного распада атомных ядер из основных и низколежащих возбужденных состояний необходимо, чтобы энергия относительного движения протона и дочернего ядра Q была положительной и в то же время заметно меньше высоты протонного потенциального барьера V B , чтобы время жизни протонораспадного ядра было не слишком малым для его экспериментального исследования. Такие условия, как правило, выполняются лишь для сильно нейтронодефицитных ядер, получение которых стало возможным лишь в последние годы. В настоящее время обнаружено более 25 протонных распадчиков из основных и изомерных (достаточно долгоживущих) возбужденных состояний ядер. С теоретической точки зрения протонный распад выглядит существенно проще, нежели α-распад, поскольку протон входит в состав ядра, и поэтому казалось, что можно воспользоваться формулами типа формулы (2). Однако очень скоро стало ясно, что практически все протонные переходы чувствительны к структуре родительского и дочерних ядер и необходимо использовать формулу (3), причем для расчета вероятностей W if автору с сотрудниками пришлось развить многочастичную теорию протонной радиоактивности с учетом сверхтекучих эффектов. На основе этой теории удалось успешно описать все наблюдаемые случаи протонного распада, включая особенно непонятный случай распада долгоживущего изомерного состояния ядра 53 Со, и сделать предсказания относительно новых наиболее вероятных кандидатов для наблюдения протонной радиоактивности. В то же время было продемонстрировано, что большинство протонораспадных ядер являются несферическими в отличие от первоначальных представлений.

КЛАСТЕРНЫЙ РАСПАД АТОМНЫХ ЯДЕР

В настоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от 221 Fr до 241 Аm, испускающих из основных состояний кластеры типа 14 С, 20 О, 24 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si и 34 Si. Энергии относительного движения вылетающего кластера и дочернего ядра Q меняются от 28 до 94 МэВ и во всех случаях оказываются заметно меньшими высоты потенциального барьера V B . В то же время все исследованные кластерно-радиоактивные ядра являются и α-распадными, причем отношения вероятности кл их кластерного распада в единицу времени к аналогичной вероятности λ α для α-распада уменьшаются при увеличении массы вылетающего кластера и лежат в диапазоне от 10 -9 до 10 -16 . Столь малые значения подобных отношений никогда ранее не анализировались для других видов радиоактивности и демонстрируют рекордные достижения экспериментаторов при наблюдении кластерного распада.
В настоящее время развиваются два теоретических подхода к описанию динамики кластерного распада атомных ядер, являющиеся фактически двумя возможными предельными случаями. Первый подход рассматривает кластерный распад как глубокоподбарьерное сильно асимметричное по массам образующихся осколков спонтанное деление. При этом родительское ядро, находящееся в состоянии а до момента разрыва в плавно перестраивается, заметно изменяя свою форму и проходя через промежуточную конфигурацию б , что иллюстрирует рис. 3. Описание такой перестройки осуществляется на основе коллективных моделей ядра, являющихся обобщением гидродинамической модели. Этот подход сталкивается в настоящее время со значительными трудностями при описании тонких характеристик кластерного распада.

Второй подход строится по аналогии с теорией α-распада. В этом случае описание перехода к конечной конфигурации в осуществляется без введения промежуточной конфигурации б сразу из конфигурации а на языке формулы типа (3) с использованием понятия вероятности формирования кластера W if . Хорошим аргументом в пользу второго подхода является тот факт, что для кластерного распада, как и в случае α-распада, выполняется закон Гейгера- Нэттола (1), связывающий кластерный период полураспада Т 1/2 и энергию Q. Этот факт иллюстрирует рис. 4. В рамках второго подхода автору и его сотрудникам удалось по аналогии с α-распадом провести классификацию кластерных переходов по степени облегченноcти, используя идеологию сверхтекучей модели ядра, и предсказать тонкую структуру в спектрах вылетающих кластеров. Позже указанная структура была обнаружена в экспериментах французской группы в Сакле. Данный подход позволил также разумно описать масштаб относительных и абсолютных вероятностей известных кластерных распадов и сделать предсказания по наблюдению кластерной радиоактивности у новых кластерно-распадных ядер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования различных видов радиоактивности атомных ядер продолжаются и в настоящее время. Особый интерес проявляется к изучению протонного распада ядер, поскольку в этом случае удается получить уникальную информацию о структуре ядер, лежащих за пределами границ нуклонной устойчивости ядер. Совсем недавно коллектив физиков под руководством профессора К. Дэвидса в Аргоннской национальной лаборатории (США) синтезировал сильно нейтронодефицитное ядро 131 Eu и обнаружил не только протонный распад, но и впервые тонкую структуру его протонного спектра. Анализ этих явлений на основе теории, развитой автором, позволил убедительно подтвердить представление о сильной несферичности этого ядра.
Иллюстрацией интереса к подобным исследованиям является статья журналиста М. Брауни под названием "Взгляд на необычные ядра изменяет точку зрения на атомную структуру", появившаяся в мартовском номере газеты "Нью-Йорк тайме" в 1998 году, в которой в популярной форме рассказывается о результатах, полученных аргоннской группой, и способах их интерпретации.
Приведенный выше обзор, иллюстрирующий развитие представлений о природе радиоактивности атомных ядер за целое столетие, демонстрирует явное ускорение темпов получения новых знаний в этой области особенно в последние 25 лет. И хотя ядерная физика является достаточно развитой в экспериментальном и теоретическом смысле наукой, несомненно, что продолжающиеся в ее рамках, а также на стыке с другими науками исследования способны уже в ближайшее время подарить человечеству новые очень красивые и удивительные результаты.

– природные или искусственные превращения ядер одних атомов в ядра других атомов.

Новая алхимия? В 1903 Пьер Кюри обнаружил, что соли урана непрерывно и без видимого уменьшения со временем выделяют тепловую энергию, которая в расчете на единицу массы представлялась огромной по сравнению с энергией самых энергичных химических реакций. Еще больше теплоты выделяет радий – около 107 Дж в час в расчете на 1 г чистого вещества. Получалось, что имеющихся в глубинах земного шара радиоактивных элементов достаточно (в условиях ограниченного теплоотвода) чтобы расплавить магму

Где же находится источник этой, казалось бы, неисчерпаемой энергии? Мария Кюри выдвинула в самом конце 19 в. две гипотезы. Одна из них (ее разделял лорд Кельвин) заключалась в том, что радиоактивные вещества улавливают какое-то космическое излучение, запасая нужную энергию. В соответствии со второй гипотезой излучение сопровождается какими-то изменениями в самих атомах, которые при этом теряют энергию, которая и излучается. Обе гипотезы казались равно невероятными, но постепенно накапливалось все больше данных в пользу второй.

Большой вклад в понимание того, что же происходит с радиоактивными веществами, внес Эрнест Резерфорд . Еще в 1895 английский химик Уильям Рамзай , который прославился открытием в воздухе аргона, обнаружил в минерале клевеите другой благородный газ – гелий . Впоследствии значительные количества гелия были обнаружены и в других минералах – но только тех, которые содержали уран и торий . Это казалось удивительным и странным – откуда в минералах мог взяться редкий газ? Когда Резерфорд начал исследовать природу альфа-частиц, которые испускают радиоактивные минералы, стало ясно, что гелий является продуктом радиоактивного распада (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ ). Значит, одни химически элементы способны «порождать» другие – это противоречило всему опыту, накопленному несколькими поколениями химиков.

Однако «превращением» урана и тория в гелий не ограничилось. В 1899 в лаборатории Резерфорда (в то время он работал в Монреале) наблюдали еще одно странное явление: препараты элемента тория в закрытой ампуле сохраняли постоянную активность, а на открытом воздухе их активность зависела от. Сквозняков. Резерфорд быстро понял, что торий испускает радиоактивный газ (его назвали эманацией тория – от лат. emanatio – истечение, или тороном), активность этого газа очень быстро уменьшалась: вдвое примерно за одну минуту (по современным данным – за 55,6 с). Подобная газообразная «эманация» была открыта также у радия (ее активность уменьшалась значительно медленнее) – ее назвали эманацией радия, или радоном. Своя «эманация», исчезающая всего за несколько секунд, обнаружилась и у актиния, ее назвали эманацией актиния, или актиноном. Впоследствии выяснилось, что все эти «эманации» являются изотопами одного и того же химического элемента – радона (см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ ).

После соотнесения каждого члена ряда одному из изотопов известных химических элементов, стало ясно, что ряд урана начинается с урана-238 (T 1/2 = 4,47 млрд. лет) и заканчивается стабильным свинцом-206; поскольку одним из членов этого ряда является очень важный элемент радий), этот ряд называют также рядом урана – радия. Ряд актиния (другое его название – ряд актиноурана) тоже берет свое начало от природного урана, но от другого его изотопа – 235 U (Т 1/2 = 794 млн. лет). Ряд тория начинается с нуклида 232 Th (T 1/2 = 14 млрд. лет). Наконец, не представленный в природе ряд нептуния начинается с искусственно полученного самого долгоживущего изотопа нептуния: 237 Np

® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. В этом ряду тоже есть «вилка»: 213 Bi с вероятностью 2% может превратиться в 209 Tl, а тот уже переходит в 209 Pb. Более интересной особенностью ряда нептуния является отсутствие газообразных «эманаций», а также конечный член ряда – висмут вместо свинца . Период полураспада родоначальника этого искусственного ряда равен «всего» 2,14 млн. лет, поэтому нептуний, даже если бы он присутствовал при формировании Солнечной системы, не смог бы «дожить» до наших дней, т.к. возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет, и за это время (более 2000 периодов полураспада) от нептуния не осталось бы ни единого атома.

В качестве примера можно привести распутанный Резерфордом сложный клубок событий в цепи превращения радия (радий-226 – шестой член радиоактивного ряда урана-238). На схеме приведены как символы времен Резерфорда, так и современные обозначения нуклидов, а также тип распада и современные данные о периодах полураспада; в приведенном ряду также существует небольшая «вилка»: RaC с вероятностью 0,04% может перейти в RaC""(210 Tl), который затем превращается в тот же RaD (T 1/2 = 1,3 мин). У этого радиоактивного свинца довольно большой период полураспада, поэтому за время эксперимента часто можно не считаться с его дальнейшими превращениями.

Последний член этого ряда, свинец-206 (RaG), стабилен; в природном свинце его 24,1%. Ряд тория приводит к стабильному свинцу-208 (содержание его в «обычном» свинце 52,4%), ряд актиния – к свинцу-207 (содержание в свинце 22,1%). Соотношение этих изотопов свинца в современной земной коре, конечно, связано как с периодом полураспада материнских нуклидов, так и с их исходным соотношением в веществе, из которого образовалась Земля. А «обычного», нерадиогенного, свинца в земной коре всего 1,4%. Так что не будь исходно на Земле урана и тория, свинца в ней было бы не 1,6·10 –3 % (примерно как кобальта), а в 70 раз меньше (как, например, таких редких металлов как индий и тулий!). С другой стороны, воображаемый химик, прилетевший на нашу планету несколько миллиардов лет назад, нашел бы в ней значительно меньше свинца и намного больше урана и тория...

Когда Ф.Содди в 1915 выделил из цейлонского минерала торита (ThSiO 4) образовавшийся при распаде тория свинец, его атомная масса оказалась равной 207,77, то есть больше, чем у «обычного» свинца (207,2) Это отличие от «теоретического» (208) объясняется тем, что в торите было немного урана, который дает свинец-206. Когда американский химик Теодор Уильям Ричардс, авторитет в области измерения атомных масс, выделил свинец из некоторых урановых минералов, не содержащих тория, его атомная масса оказалось равной почти в точности 206. Чуть меньше была и плотность этого свинца, причем она соответствовала расчетной:

r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994 r (Pb), где r (Pb) = 11,34 г/см 3 . Эти результаты наглядно показывают, почему для свинца, как и для ряда других элементов, нет смысла измерять атомную массу с очень высокой точностью: образцы, взятые в разных местах, дадут немного разные результаты (см. УГЛЕРОДНАЯ ЕДИНИЦА ).

В природе непрерывно происходят приведенные на схемах цепочки превращений. В результате одни химические элементы (радиоактивные) превращаются в другие, и такие превращения происходили в течение всего периода существования Земли. Начальные члены (их называют материнскими) радиоактивных рядов – самые долгоживущие: период полураспада урана-238 равен 4,47 млрд. лет, тория-232 – 14,05 млрд. лет, урана-235 (он же «актиноуран» – родоначальник ряда актиния) – 703,8 млн. лет. Все последующие («дочерние») члены этой длинной цепочки живут существенно меньше. В таком случае наступает состояние, которое радиохимики называют «радиоактивным равновесием»: скорость образования промежуточного радионуклида из материнского урана, тория или актиния (эта скорость очень мала) равна скорости распада этого нуклида. В результате равенства этих скоростей содержание данного радионуклида постоянно и зависит только от периода его полураспада: концентрация короткоживущих членов радиоактивных рядов мала, долгоживущих членов – больше. Такое постоянство содержания промежуточных продуктов распада сохраняется в течение очень длительного времени (это время определяется периодом полураспада материнского нуклида, а оно очень велико). Простые математические преобразования приводят к следующему выводу: отношение числа материнских (N 0) и дочерних (N 1 , N 2 , N 3 ...) атомов прямо пропорционально их периодам полураспада: N 0:N 1:N 2:N 3 ... = T 0:T 1:T 2:T 3 ... Так, период полураспада урана-238 составляет 4,47·10 9 лет, радия-226 – 1600 лет, поэтому отношение числа атомов урана-238 и радия-226 в урановых рудах равно 4,47·10 9:1600, откуда легко подсчитать (с учетом атомных масс этих элементов), что на 1 т урана при достижении радиоактивного равновесия приходится всего 0,34 г радия.

И наоборот, зная соотношение в рудах урана и радия, а также период полураспада радия, можно определить период полураспада урана, при этом для определения периода полураспада радия не нужно ждать более тысячи лет – достаточно измерить (по его радиоактивности) скорость распада (т.е. величину dN /dt ) небольшого известного количества этого элемента (с известным числом атомов N ) и затем по формуле dN /dt = –

l N определить величину l = ln2/T 1/2 . Закон смещения. Если на периодическую таблицу элементов нанести последовательно члены какого-либо радиоактивного ряда, то окажется, что радионуклиды в этом ряду не смещаются плавно от материнского элемента (урана, тория или нептуния) к свинцу или висмуту, а «прыгают» то вправо, то влево. Так, в ряду урана два нестабильных изотопа свинца (элемент № 82) превращаются в изотопы висмута (элемент № 83), затем – в изотопы полония (элемент № 84), а те – снова в изотопы свинца. В результате радиоактивный элемент часто возвращается назад – в ту же клетку таблицы элементов, однако при этом образуется изотоп с другой массой. Оказалось, что во этих «прыжках» есть определенная закономерность, которую в 1911 заметил Ф.Содди.

Сейчас известно, что при

a -распаде из ядра вылетает a -частица (ядро атома гелия, ), следовательно, заряд ядра уменьшается на 2 (смещение в периодической таблице на две клетки влево), а массовое число уменьшается на 4, что позволяет предсказать, какой именно изотоп нового элемента образуется. Иллюстрацией может служить a -распад радона: ® + . При b -распаде, наоборот, число протонов в ядре увеличивается на единицу, а масса ядра не изменяется (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ ), т.е. происходит смещение в таблице элементов на одну клетку вправо. Примером могут служить два последовательных превращения образовавшегося из радона полония : ® ® . Таким образом, можно подсчитать, сколько всего альфа- и бета-частиц испускается, например, в результате распада радия-226 (см. ряд урана), если не учитывать «вилки». Исходный нуклид , конечный – . Уменьшение массы (вернее, массового числа, то есть суммарного числа протонов и нейтронов в ядре) равно 226 – 206 = 20, следовательно, было испущено 20/4 = 5 альфа-частиц. Эти частицы унесли с собой 10 протонов, и если бы не было b -распадов, заряд ядра конечного продукта распада был бы равен 88 – 10 = 78. В действительности в конечном продукте 82 протона, следовательно, в ходе превращений 4 нейтрона превратились в протоны и было испущено 4 b -частицы.

Очень часто после

a -распада следуют два b -распада, и таким образом образующийся элемент возвращается в исходную клетку таблицы элементов – в виде более легкого изотопа исходного элемента. Благодаря этим фактам стало очевидным, что периодический закон Д.И.Менделеева отражает связь между свойствами элементов и зарядом их ядра, а не их массой (как это было сформулировано первоначально, когда строение атома не было известно).

Окончательно закон радиоактивного смещения был сформулирован в 1913 в результате кропотливых исследований многих ученых. Среди них следует отметить ассистента Содди Александра Флека, стажера Содди А.С.Рассела, венгерского физикохимика и радиохимика Дьёрдя Хевеши , который в 1911–1913 работал у Резерфорда в Манчестерском университете, и немецкого (а впоследствии американского) физикохимика Казимира Фаянса (1887–1975). Этот закон часто называют законом Содди – Фаянса.

Искусственное превращение элементов и искусственная радиоактивность. Еще со времен Беккереля было замечено, что самые обычные вещества, побывавшие рядом с радиоактивными соединениями, сами становятся в большей или меньшей степени радиоактивными. Резерфорд называл это «возбужденной активностью», супруги Кюри – «наведенной активностью», но суть явления долго никто не мог объяснить.

В 1919 Резерфорд изучал прохождение

a -частиц через различные вещества. Оказалось, что при ударе быстро летящих a -частиц о ядра легких элементов, например, азота, из них изредка могут выбиваться быстро летящие протоны (ядра водорода), при этом сама a -частица входит в состав ядра, которое увеличивает свой заряд на единицу. Таким образом, в результате реакции + ® + из азота образуется другой химический элемент – кислород (тяжелый его изотоп). Это была первая искусственно проведенная реакция превращения одного элемента в другой. В этой, а также всех других ядерных процессах сохраняется как суммарный заряд (нижние индексы), так и массовое число, т.е. суммарное число протонов и нейтронов (верхние индексы).

Сбылась вековая мечта алхимиков: человек научился превращать одни элементы в другие, правда, практического выхода от этого умения во времена Резерфорда никто не ожидал. Действительно, для получения

a -частиц, нужно было иметь их источник, например, препарат радия. Хуже того, на миллион «выпущенных по азоту» a -частиц в среднем получалось всего лишь 20 атомов кислорода.

Со временем были реализованы и другие ядерные реакции, и многие из них получили практическое применение. В апреле 1932 на заседании английской Академии наук (Королевского общества) Резерфорд объявил, что в его лаборатории успешно осуществлены реакции расщепления легких элементов (например, лития ) протонами. Для этого протоны, полученные из водорода, разгоняли с помощью высокого напряжения, равного десяткам или даже сотням тысяч вольт. Протоны, имея меньший, чем

a -частицы, заряд и массу, легче проникают в ядро. Внедряясь в ядро лития-7, протон превращает его в ядро бериллия -8, которое практически мгновенно «сбрасывает» избыток энергии, разваливаясь пополам, на две a -частицы: + ® () ® 2 . Если же взять легкий изотоп лития (в природном литии его 7,5%), то образуются ядра двух изотопов гелия: + ® () ® + . При обстреле протонами кислорода был получен фтор: + ® + ; при обстреле алюминия – магний: + ® + .

Множество разнообразных превращений было проведено с разогнанными до высоких скоростей дейтронами – ядрами тяжелого изотопа водорода дейтерия. Так, в ходе реакции

+ ® + впервые был получен сверхтяжелый водород – тритий . Столкновение двух дейтронов может идти иначе: + ® + , эти процессы важны для изучения возможности управляемой термоядерной реакции. Важной оказалась реакция + ® () ® 2 , поскольку она идет уже при сравнительно небольшой энергии дейтронов (0,16 МэВ) и сопровождается при этом выделением колоссальной энергии – 22,7 МэВ (напомним, что 1 МэВ = 10 6 эВ, а 1 эВ = 96,5 кДж/моль).

Большое практическое значение получила реакция, идущая при обстреле бериллия

a - частицами: + ® () ® + , она привела в 1932 к открытию нейтральной частицы нейтрона, а радий-бериллиевые источники нейтронов оказались очень удобными для научных исследований. Нейтроны с разной энергией можно получать и в результате реакций + ® + ; + ® + ; + ® + . Не имеющие заряда нейтроны особенно легко проникают в атомные ядра и вызывают разнообразные процессы, которые зависят как от обстреливаемого нуклида, так и от скорости (энергии) нейтронов. Так, медленный нейтрон может быть просто захвачен ядром, а от некоторого избытка энергии ядро освобождается путем испускания гамма-кванта, например: + ® + g . Эта реакция широко используется в ядерных реакторах для регулирования реакции деления урана: для замедления реакции в ядерный котел вдвигаются кадмиевые стержни или пластины.

В 1934 супуги Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри сделали важное открытие. Подвергнув бомбардировке

a - частицами некоторые легкие элементы (их испускал полоний), они ожидали реакции, сходной с уже известной для бериллия, т.е. выбивания нейтронов, например: Если бы дело ограничивалось этими превращениями, то после прекращения a -облучения нейтронный поток должен был немедленно иссякнуть, так что, убрав полониевый источник, они ожидали прекращения всякой активности, но обнаружили, что счетчик частиц продолжает регистрировать импульсы, которые постепенно затухали – в точном соответствии с экспоненциальным законом. Это можно было интерпретировать единственным способом: в результате альфа-облучения возникали не известные ранее радиоактивные элементы с характерным периодом полураспада – 10 мин для азота-13 и 2,5 мин для фосфора-30. Оказалось, что эти элементы претерпевают позитронный распад: ® + e + , ® + e + . Интересные результаты получились с магнием, представленным тремя стабильными природными изотопами, и оказалось, что при a -облучении все они дают радиоактивные нуклиды кремния или алюминия, которые претерпевают 227- или позитронный распад:

Получение искусственных радиоактивных элементов имеет большое практическое значение, так как позволяет синтезировать радионуклиды с удобным для конкретной цели периодом полураспада и нужным видом излучения с определенной мощностью. Особенно удобно использовать в качестве «снарядов» нейтроны. Захват нейтрона ядром часто делает его настолько нестабильным, что новое ядро становится радиоактивным. Устойчивым оно может стать за счет превращения «лишнего» нейтрона в протон, то есть за счет

227- излучения; таких реакций известно очень много, например: + ® ® + e. Очень важна протекающая в верхних слоях атмосферы реакция образования радиоуглерода: + ® + (см. РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ). Путем поглощения медленных нейтронов ядрами лития-6 синтезируют тритий. Многие ядерные превращения можно получить под действием быстрых нейтронов, например: + ® + ; + ® + ; + ® + . Так, облучая нейтронами обычный кобальт, получают радиоактивный кобальт-60, являющийся мощным источником гамма-излучения (оно выделяется продуктом распада 60 Со – возбужденными ядрами ). Путем облучения нейтронами получают некоторые трансурановые элементы. Например, из природного урана-238 образуется сначала неустойчивый уран-239, который при b -распаде (Т 1/2 = 23,5 мин) превращается в первый трансурановый элемент нептуний-239, а он, в свою очередь, также путем b -распада (Т 1/2 = 2,3 сут) превращается в очень важный так называемый оружейный плутоний-239.

Можно ли искусственным путем, проведя нужную ядерную реакцию, получить золото и таким образом осуществить то, что не удалось алхимикам? Теоретически для этого нет препятствий. Более того, такой синтез уже был проведен, однако богатство не принес. Проще всего было бы для искусственного получения золота облучать потоком нейтронов ртуть – элемент, следующий в периодической таблице за золотом. Тогда в результате реакции

+ ® + нейтрон выбил бы из атома ртути протон и превратил его в атом золота. В этой реакции не указаны конкретные значения массовых чисел (А ) нуклидов ртути и золота. Золото в природе представлено единственным стабильным нуклидом , а природная ртуть – это сложная смесь изотопов с А = 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) и 204 (6,87%). Следовательно, по приведенной схеме можно получить только неустойчивое радиоактивное золото. Его и получила группа американских химиков из Гарвардского университета еще в начале 1941, облучая ртуть потоком быстрых нейтронов. Через несколько дней все полученные радиоактивные изотопы золота путем бета-распада вновь превратились в исходные изотопы ртути...

Но есть и другой путь: если атомы ртути-196 облучать медленными нейтронами, то они превратятся в атомы ртути-197:

+ ® + g . Эти атомы с периодом полураспада 2,7 сут претерпевают электронный захват и превращаются, наконец, в стабильные атомы золота: + e ® . Такое превращение осуществили в 1947 сотрудники Национальной лаборатории в Чикаго. Облучая 100 мг ртути медленными нейтронами, они получили 0,035 мг 197Au. По отношению ко всей ртути выход очень мал – всего 0,035%, но относительно 196Hg он достигает 24%! Однако изотопа 196 Hg в природной ртути как раз меньше всего, кроме того, и сам процесс облучения и его длительность (облучать потребуется несколько лет), и выделение стабильного «синтетического золота» из сложной смеси обойдется неизмеримо дороже, чем выделение золота из самых бедных его руд (см. также ЗОЛОТО ). Так что искусственное получение золота имеет лишь чисто теоретический интерес. Количественные закономерности радиоактивных превращений. Если бы можно было проследить за конкретным нестабильным ядром, то бы предсказать, когда он распадется, не удалось бы. Это случайный процесс и лишь в отдельных случаях можно оценить вероятность распада в течение определенного времени. Однако даже в мельчайшей пылинке, почти не видимой в микроскоп, содержится огромное число атомов, и если эти атомы радиоактивны, то их распад подчиняется строгим математическим закономерностям: вступают в силу статистические законы, характерные для очень большого числа объектов. И тогда каждый радионуклид можно охарактеризовать вполне определенной величиной – периодом полураспада (T 1/2) – это время, за которое распадается половина имеющегося числа ядер. Если в начальный момент было N 0 ядер, то спустя время t = T 1/2 их останется N 0 /2, при t = 2T 1/2 останется N 0 /4 = N 0 /2 2 , при t = 3T 1/2 – N 0 /8 = N 0 /2 3 и т.д. В общем случае при t = nT 1/2 останется N 0 /2 n ядер, где n = t /T 1/2 – число периодов полураспада (оно не обязательно должно быть целым). Легко показать, что формула N = N 0 /2 t /T 1/2 эквивалентна формуле N = N 0 e – l t , где l – так называемая постоянная распада. Формально она определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью распада dN /dt и имеющимся числом ядер: dN /dt = – l N (знак минус показывает, что N уменьшается со временем). Интегрирование этого дифференциального уравнения и дает экспоненциальную зависимость от времени числа ядер. Подставляя в эту формулу N = N 0 /2 при t = T 1/2 , получают что постоянная распада обратно пропорциональна периоду полураспада: l = ln2/T 1/2 = 0,693/T 1/2 . Величина t = 1/ l называется средним временем жизни ядра. Например, для 226 Ra T 1/2 = 1600 лет, t = 1109 лет.

По приведенным формулам, зная величину T 1/2 (или

l ), легко рассчитать количество радионуклида через любой промежуток времени, по ним же можно рассчитать период полураспада, если известно количество радионуклида в разные моменты времени. Вместо числа ядер можно подставить в формулу активность излучения, которая прямо пропорциональна наличному числу ядер N . Активность обычно характеризуют не общим числом распадов в образце, а пропорциональным ему числом импульсов, которые регистрирует прибор, измеряющий активность. Если есть, например, 1 г радиоактивного вещества, то чем меньше период его полураспада, тем большей активностью будет обладать вещество.

Другие математические закономерности описывают поведение малого числа радионуклидов. Здесь можно говорить лишь о вероятности того или иного события. Пусть, например, есть один атом (точнее, одно ядро) радионуклида с T 1/2 = 1 мин. Вероятность того, что этот атом проживет 1 минуту, равна 1/2 (50%), 2 минуты – 1/4 (25%), 3 минуты – 1/8 (12,5%), 10 минут – (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 мин – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Для единственного атома шанс ничтожный, но когда атомов очень много, например, несколько миллиардов, то многие из них, без сомнения, проживут и 20 периодов полураспада и намного больше. Вероятность же того, что атом распадется за некоторый промежуток времени, получается вычитанием полученных значений из 100. Так, если вероятность атома прожить 2 минуты равна 25%, то вероятность распада того же атома в течение этого времени равна 100 – 25 = 75%, вероятность распада в течение 3 минут – 87,5%, в течение 10 минут – 99,9% и т.д.

Формула усложняется, если нестабильных атомов несколько. В этом случае статистическая вероятность того или иного события описывается формулой с биномиальными коэффициентами. Если есть N атомов, и вероятность распада одного из них за время t равна p , то вероятность того, что за время t из N атомов распадется n (и останется соответственно N – n ), равна P = N !p n (1–p ) N –n /(N –n )!n ! Подобные формулы приходится использовать при синтезе новых нестабильных элементов, атомы которых получают буквально поштучно (например, когда группа американских ученых в 1955 открыла новый элемент Менделевий, они получили его в количестве всего 17 атомов).

Можно проиллюстрировать применение этой формулы для конкретного случая. Пусть, например, есть N = 16 атомов с периодом полураспада 1 час. Можно рассчитать, вероятность распада определенного числа атомов, например за время t = 4 часа. Вероятность того, что один атом проживет эти 4 часа, равна 1/2 4 = 1/16, соответственно, вероятность его распада за это время р = 1 – 1/16 = 15/16. Подстановка этих исходных данных в формулу дает: Р = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n )!n ! = 16!15 n /2 64 (16–n )!n ! Результат некоторых расчетов приведен в таблице:

Таблица 1.
Осталось атомов (16–n )	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Распалось атомов n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Вероятность Р , %	5·10 –18	5·10 –7	1,8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Таким образом, из 16 атомов спустя 4 часа (4 периода полураспада) останется вовсе не один, как это можно было бы предположить: вероятность этого события равна всего 38,4%, хотя она и больше вероятности любого другого исхода. Как видно из таблицы, очень высока также вероятность того, что распадутся все 16 атомов (35,2%) или только 14 из них. А вот вероятность, что за 4 периода полураспада все атомы останутся «живы» (ни один не распался), ничтожно мала. Понятно, что если атомов не 16, а, положим, 10 20 , то можно практически со 100%-ной уверенностью говорить, что через 1 ч останется половина их числа, через 2 ч – четверть и т.д. То есть чем больше атомов, тем точнее их распад соответствует экспоненциальному закону.

Многочисленные эксперименты, проводившиеся со времен Беккереля, показали, что на скорость радиоактивного распада практически не влияют ни температура, ни давление, ни химическое состояние атома. Исключения очень редки; так, в случае электронного захвата величина T 1/2 немного меняется при изменении степени окисления элемента. Например, распад 7 BeF 2 происходит примерно на 0,1% медленнее, чем 7 BeO или металлического 7 Ве.

Общее число известных нестабильных ядер – радионуклидов приближается к двум тысячам, время их жизни меняется в очень широких пределах. Известны как радионуклиды-долгожители, для которых периоды полураспада исчисляются миллионами и даже миллиардами лет, так и короткоживущие, распадающиеся полностью за ничтожные доли секунды. Периоды полураспада некоторых радионуклидов приведены в таблице.

Свойства некоторых радионуклидов (для Тс, Pm, Ро и всех последующих элементов, у которых нет стабильных изотопов, приведены данные для их наиболее долгоживущих изотопов).

Таблица 2.
Порядковый номер	Символ	Массовое число	Период полураспада
1	T	3	12,323 года
6	С	14	5730 лет
15	Р	32	14,3 сут
19	К	40	1,28·10 9 лет
27	Со	60	5,272 года
38	Sr	90	28,5 лет
43	Тс	98	4,2·10 6 лет
53	I	131	8,02 сут
61	Pm	145	17,7 года
84	Ро	209	102 года
85	At	210	8,1 ч
86	Rn	222	3,825 сут
87	Fr	223	21,8 мин
88	Ra	226	1600 лет
89	Ac	227	21,77 года
90	Th	232	1,405·10 9 лет
91	Ра	231	32 760 лет
92	U	238	4,468·10 9 лет
93	Np	237	2,14·10 6 лет
94	Pu	244	8,26·10 7 лет
95	Am	243	7370 лет
96	Cm	247	1,56·10 7
97	Bk	247	1380 лет
98	Cf	251	898 лет
99	Es	252	471,7 сут
100	Fm	257	100,5 сут
101	Md	260	27,8 сут
102	No	259	58 мин
103	Lr	262	3,6 ч
104	Rf	261	78 с
105	Db	262	34 с
106	Sg	266	21 с
107	Bh	264	0,44 с
108	Hs	269	9 с
109	Mt	268	70 мс
110	Ds	271	56 мс
111	–	272	1,5 мс
112	–	277	0,24 мс

Самый короткоживущий из известных нуклидов – 5 Li : время его жизни составляет 4,4·10 –22 с). За это время даже свет пройдет всего 10 –11 см, т.е. расстояние, лишь в несколько десятков раз превышающее диаметр ядра и значительно меньшее размера любого атома. Самый долгоживущий – 128 Te (содержится в природном теллуре в количестве 31,7%) с периодом полураспада восемь септиллионов (8·10 24) лет – его даже трудно назвать радиоактивным; для сравнения – нашей Вселенной по оценкам «всего» 10 10 лет.

Единицей радиоактивности нуклида служит беккерель: 1 Бк (Bq) соответствует одному распаду в секунду. Часто используется внесистемная единица кюри: 1 Ки (Ci) равен 37 миллиардам распадов в секунду или 3,7 . 10 10 Бк (примерно такую активность имеет 1 г 226 Ra). В свое время была предложена внесистемная единица резерфорд: 1 Рд (Rd) = 10 6 Бк, но она не получила распространения.

ЛИТЕРАТУРА Содди Ф. История атомной энергии . М., Атомиздат, 1979
Чоппин Г. и др. Ядерная химия . М., Энергоатомиздат, 1984
Гофман К. Можно ли сделать золото ? Л., Химия, 1984
Кадменский С.Г. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения . «Соросовский образовательный журнал», 1999, № 11

В 1900 Резерфорд рассказал о таинственном тороне английскому радиохимику Фредерику Содди . Содди доказал, что торон – инертный газ, подобный аргону, открытому за несколько лет до этого в воздухе; это был один из изотопов радона, 220 Rn. Эманация радия, как выяснилось впоследствии, оказалась другим изотопом радона – 222 Rn (период полураспада Т 1/2 = 3,825 сут), а эманация актиния – короткоживущим изотопом того же элемента: 219 Rn (Т 1/2 = 4 с). Более того, Резерфорд и Содди выделили из продуктов превращения тория новый нелетучий элемент, отличный по свойствам от тория. Его назвали торием Х (впоследствии установили, что это был изотоп радия 224 Ra c Т 1/2 = 3,66 сут). Как выяснилось, «эманация тория» выделяется именно из тория Х, а не из исходного тория. Подобные примеры множились: в первоначально химически тщательно очищенных уране или тории со временем оказывалась примесь радиоактивных элементов, из которых, в свою очередь, получались новые радиоактивные элементы, в том числе и газообразные. Так, выделяющиеся из многих радиоактивных препаратов a -частицы превращались в газ, идентичный гелию, который был открыт в конце 1860-х на Солнце (спектральным методом), а в 1882 обнаружен в некоторых горных породах.

Результаты совместной работы Резерфорд и Содди опубликовали в 1902–1903 в ряде статей в «Philosophical Magazine» – «Философском журнале». В этих статьях, проанализировав полученные результаты, авторы пришли к выводу о возможности превращения одних химических элементов в другие. Они писали: «Радиоактивность – это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в которых рождаются новые виды вещества... Радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса... Радиация сопровождает превращения атомов... В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества».

В те времена эти выводы были счень смелыми; другие выдающиеся ученые, в числе которых были и супруги Кюри, хотя и наблюдали аналогичные явления, объясняли их присутствием «новых» элементов в исходном веществе с самого начала (например, из урановой руды Кюри выделила содержащийся в ней полоний и радий). Тем не менее, правы оказались Резерфорд и Содди: радиоактивность сопровождается превращением одних элементов в другие

Казалось, что рушится незыблемое: неизменность и неделимость атомов, ведь еще со времен Бойля и Лавуазье химики пришли к выводу о неразложимости химических элементов (как тогда говорили, «простых тел», кирпичиков мироздания), о невозможности их превращения друг в друга. О том, что творилось в умах ученых того времени, ярко свидетельствуют высказывания Д.И.Менделеева , которому, вероятно, казалось, что возможность «трансмутации» элементов, о которой веками толковали алхимики, разрушит созданную им и признанную во всем мире стройную систему химических элементов. В изданном в 1906 учебнике Основы химии он писал: «...я вовсе не склонен (на основании суровой, но плодотворной дисциплины индуктивных знаний) признавать даже гипотетическую превращаемость одних элементов друг в друга и не вижу никакой возможности происхождения аргоновых или радиоактивных веществ из урана или обратно.»

Время показало ошибочность взглядов Менделеева относительно невозможности превращения одних химических элементов в другие; одновременно оно подтвердило незыблемость его главного открытия – периодического закона. Последующие работы физиков и химиков показали, в каких случаях одни элементы могут превращаться в другие и какие законы природы управляют этими превращениями.

Превращения элементов. Радиоактивные ряды.

В течение первых двух десятилетий 20 в. трудами многих физиков и радиохимиков было открыто множество радиоактивных элементов. Постепенно выяснилось, что продукты их превращения часто сами являются радиоактивными и претерпевают дальнейшие превращения, иногда довольно запутанные. Знание того, в какой последовательности один радионуклид превращается в другой, позволило построилть так называемые природные радиоактивные ряды (или радиоактивные семейства). Их оказалось три, и назвали их рядом урана, рядом актиния и рядом тория. Свое начало эти три ряда брали от тяжелых природных элементов – урана, известного с 18 в., и тория, открытого в 1828 (неустойчивый актиний не родоначальник, а промежуточный член ряда актиния). Позднее к ним прибавился ряд нептуния, начинающийся с искусственно полученного в 1940 первого трансуранового элемента № 93 – нептуния. По исходным элементам называли и многие продукты их превращения, записывая такие схемы:

Ряд урана: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ионий) ® Ra ® ... ® RaG.

Ряд актиния: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Ряд тория: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ТhХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Как выяснилось, эти ряды не всегда представляют собой «прямые» цепочки: время от времени они разветвляются. Так, UX2 с вероятностью 0,15% может превратиться в UZ, он далее переходит в UII. Аналогично ThC может распадаться двумя путями: превращение ThC ® ThC" идет на 66,3%, и одновременно с вероятностью 33,7% идет процесс ThC ® ThC"" ® ThD. Это так называемые «вилки», параллельное превращение одного радионуклида в разные продукты. Трудность в установлении правильной последовательности радиоактивных превращений в данном ряду была связана и с очень малым временем жизни многих его членов, особенно бета-активных.

Когда-то каждый новый член радиоактивного ряда рассматривался как новый радиоактивный элемент, и для него физики и радиохимии вводили свои обозначения: ионий Io, мезоторий-1 MsTh1, актиноуран AcU, эманация тория ThEm и т.д. и т.п. Эти обозначения громоздки и неудобны, в них нет четкой системы. Тем не менее, некоторые из них до сих пор иногда по традиции используются в специальной литературе. Со временем выяснилось, что все эти символы относятся к неустойчивым разновидностям атомов (точнее, ядер) обычных химических элементов – радионуклидам. Чтобы различить химически неотделимые, но отличающиеся по периоду полураспада (а часто и по типу распада) элементы, Ф.Содди в 1913 предложил называть их изотопами

После соотнесения каждого члена ряда одному из изотопов известных химических элементов, стало ясно, что ряд урана начинается с урана-238 (T 1/2 = 4,47 млрд. лет) и заканчивается стабильным свинцом-206; поскольку одним из членов этого ряда является очень важный элемент радий), этот ряд называют также рядом урана – радия. Ряд актиния (другое его название – ряд актиноурана) тоже берет свое начало от природного урана, но от другого его изотопа – 235 U (Т 1/2 = 794 млн. лет). Ряд тория начинается с нуклида 232 Th (T 1/2 = 14 млрд. лет). Наконец, не представленный в природе ряд нептуния начинается с искусственно полученного самого долгоживущего изотопа нептуния: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. В этом ряду тоже есть «вилка»: 213 Bi с вероятностью 2% может превратиться в 209 Tl, а тот уже переходит в 209 Pb. Более интересной особенностью ряда нептуния является отсутствие газообразных «эманаций», а также конечный член ряда – висмут вместо свинца . Период полураспада родоначальника этого искусственного ряда равен «всего» 2,14 млн. лет, поэтому нептуний, даже если бы он присутствовал при формировании Солнечной системы, не смог бы «дожить» до наших дней, т.к. возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет, и за это время (более 2000 периодов полураспада) от нептуния не осталось бы ни единого атома.

В качестве примера можно привести распутанный Резерфордом сложный клубок событий в цепи превращения радия (радий-226 – шестой член радиоактивного ряда урана-238). На схеме приведены как символы времен Резерфорда, так и современные обозначения нуклидов, а также тип распада и современные данные о периодах полураспада; в приведенном ряду также существует небольшая «вилка»: RaC с вероятностью 0,04% может перейти в RaC""(210 Tl), который затем превращается в тот же RaD (T 1/2 = 1,3 мин). У этого радиоактивного свинца довольно большой период полураспада, поэтому за время эксперимента часто можно не считаться с его дальнейшими превращениями.

Последний член этого ряда, свинец-206 (RaG), стабилен; в природном свинце его 24,1%. Ряд тория приводит к стабильному свинцу-208 (содержание его в «обычном» свинце 52,4%), ряд актиния – к свинцу-207 (содержание в свинце 22,1%). Соотношение этих изотопов свинца в современной земной коре, конечно, связано как с периодом полураспада материнских нуклидов, так и с их исходным соотношением в веществе, из которого образовалась Земля. А «обычного», нерадиогенного, свинца в земной коре всего 1,4%. Так что не будь исходно на Земле урана и тория, свинца в ней было бы не 1,6·10 –3 % (примерно как кобальта), а в 70 раз меньше (как, например, таких редких металлов как индий и тулий!). С другой стороны, воображаемый химик, прилетевший на нашу планету несколько миллиардов лет назад, нашел бы в ней значительно меньше свинца и намного больше урана и тория...

Когда Ф.Содди в 1915 выделил из цейлонского минерала торита (ThSiO 4) образовавшийся при распаде тория свинец, его атомная масса оказалась равной 207,77, то есть больше, чем у «обычного» свинца (207,2) Это отличие от «теоретического» (208) объясняется тем, что в торите было немного урана, который дает свинец-206. Когда американский химик Теодор Уильям Ричардс, авторитет в области измерения атомных масс, выделил свинец из некоторых урановых минералов, не содержащих тория, его атомная масса оказалось равной почти в точности 206. Чуть меньше была и плотность этого свинца, причем она соответствовала расчетной: r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), где r (Pb) = 11,34 г/см 3 . Эти результаты наглядно показывают, почему для свинца, как и для ряда других элементов, нет смысла измерять атомную массу с очень высокой точностью: образцы, взятые в разных местах, дадут немного разные результаты (см. УГЛЕРОДНАЯ ЕДИНИЦА).

В природе непрерывно происходят приведенные на схемах цепочки превращений. В результате одни химические элементы (радиоактивные) превращаются в другие, и такие превращения происходили в течение всего периода существования Земли. Начальные члены (их называют материнскими) радиоактивных рядов – самые долгоживущие: период полураспада урана-238 равен 4,47 млрд. лет, тория-232 – 14,05 млрд. лет, урана-235 (он же «актиноуран» – родоначальник ряда актиния) – 703,8 млн. лет. Все последующие («дочерние») члены этой длинной цепочки живут существенно меньше. В таком случае наступает состояние, которое радиохимики называют «радиоактивным равновесием»: скорость образования промежуточного радионуклида из материнского урана, тория или актиния (эта скорость очень мала) равна скорости распада этого нуклида. В результате равенства этих скоростей содержание данного радионуклида постоянно и зависит только от периода его полураспада: концентрация короткоживущих членов радиоактивных рядов мала, долгоживущих членов – больше. Такое постоянство содержания промежуточных продуктов распада сохраняется в течение очень длительного времени (это время определяется периодом полураспада материнского нуклида, а оно очень велико). Простые математические преобразования приводят к следующему выводу: отношение числа материнских (N 0) и дочерних (N 1, N 2, N 3...) атомов прямо пропорционально их периодам полураспада: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Так, период полураспада урана-238 составляет 4,47·10 9 лет, радия-226 – 1600 лет, поэтому отношение числа атомов урана-238 и радия-226 в урановых рудах равно 4,47·10 9:1600, откуда легко подсчитать (с учетом атомных масс этих элементов), что на 1 т урана при достижении радиоактивного равновесия приходится всего 0,34 г радия.

И наоборот, зная соотношение в рудах урана и радия, а также период полураспада радия, можно определить период полураспада урана, при этом для определения периода полураспада радия не нужно ждать более тысячи лет – достаточно измерить (по его радиоактивности) скорость распада (т.е. величину dN /dt ) небольшого известного количества этого элемента (с известным числом атомов N ) и затем по формуле dN /dt = –l N определить величину l = ln2/T 1/2.

Закон смещения.

Если на периодическую таблицу элементов нанести последовательно члены какого-либо радиоактивного ряда, то окажется, что радионуклиды в этом ряду не смещаются плавно от материнского элемента (урана, тория или нептуния) к свинцу или висмуту, а «прыгают» то вправо, то влево. Так, в ряду урана два нестабильных изотопа свинца (элемент № 82) превращаются в изотопы висмута (элемент № 83), затем – в изотопы полония (элемент № 84), а те – снова в изотопы свинца. В результате радиоактивный элемент часто возвращается назад – в ту же клетку таблицы элементов, однако при этом образуется изотоп с другой массой. Оказалось, что во этих «прыжках» есть определенная закономерность, которую в 1911 заметил Ф.Содди.

Сейчас известно, что при a -распаде из ядра вылетает a -частица (ядро атома гелия, ), следовательно, заряд ядра уменьшается на 2 (смещение в периодической таблице на две клетки влево), а массовое число уменьшается на 4, что позволяет предсказать, какой именно изотоп нового элемента образуется. Иллюстрацией может служить a -распад радона: ® + . При b -распаде, наоборот, число протонов в ядре увеличивается на единицу, а масса ядра не изменяется (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ), т.е. происходит смещение в таблице элементов на одну клетку вправо. Примером могут служить два последовательных превращения образовавшегося из радона полония : ® ® . Таким образом, можно подсчитать, сколько всего альфа- и бета-частиц испускается, например, в результате распада радия-226 (см. ряд урана), если не учитывать «вилки». Исходный нуклид , конечный – . Уменьшение массы (вернее, массового числа, то есть суммарного числа протонов и нейтронов в ядре) равно 226 – 206 = 20, следовательно, было испущено 20/4 = 5 альфа-частиц. Эти частицы унесли с собой 10 протонов, и если бы не было b -распадов, заряд ядра конечного продукта распада был бы равен 88 – 10 = 78. В действительности в конечном продукте 82 протона, следовательно, в ходе превращений 4 нейтрона превратились в протоны и было испущено 4 b -частицы.

Очень часто после a -распада следуют два b -распада, и таким образом образующийся элемент возвращается в исходную клетку таблицы элементов – в виде более легкого изотопа исходного элемента. Благодаря этим фактам стало очевидным, что периодический закон Д.И.Менделеева отражает связь между свойствами элементов и зарядом их ядра, а не их массой (как это было сформулировано первоначально, когда строение атома не было известно).

Окончательно закон радиоактивного смещения был сформулирован в 1913 в результате кропотливых исследований многих ученых. Среди них следует отметить ассистента Содди Александра Флека, стажера Содди А.С.Рассела, венгерского физикохимика и радиохимика Дьёрдя Хевеши , который в 1911–1913 работал у Резерфорда в Манчестерском университете, и немецкого (а впоследствии американского) физикохимика Казимира Фаянса (1887–1975). Этот закон часто называют законом Содди – Фаянса.

Искусственное превращение элементов и искусственная радиоактивность.

Множество разнообразных превращений было проведено с разогнанными до высоких скоростей дейтронами – ядрами тяжелого изотопа водорода дейтерия. Так, в ходе реакции + ® + впервые был получен сверхтяжелый водород – тритий . Столкновение двух дейтронов может идти иначе: + ® + , эти процессы важны для изучения возможности управляемой термоядерной реакции. Важной оказалась реакция + ® () ® 2 , поскольку она идет уже при сравнительно небольшой энергии дейтронов (0,16 МэВ) и сопровождается при этом выделением колоссальной энергии – 22,7 МэВ (напомним, что 1 МэВ = 10 6 эВ, а 1 эВ = 96,5 кДж/моль).

Большое практическое значение получила реакция, идущая при обстреле бериллия a -частицами: + ® () ® + , она привела в 1932 к открытию нейтральной частицы нейтрона, а радий-бериллиевые источники нейтронов оказались очень удобными для научных исследований. Нейтроны с разной энергией можно получать и в результате реакций + ® + ; + ® + ; + ® + . Не имеющие заряда нейтроны особенно легко проникают в атомные ядра и вызывают разнообразные процессы, которые зависят как от обстреливаемого нуклида, так и от скорости (энергии) нейтронов. Так, медленный нейтрон может быть просто захвачен ядром, а от некоторого избытка энергии ядро освобождается путем испускания гамма-кванта, например: + ® + g . Эта реакция широко используется в ядерных реакторах для регулирования реакции деления урана: для замедления реакции в ядерный котел вдвигаются кадмиевые стержни или пластины.

Если бы дело ограничивалось этими превращениями, то после прекращения a -облучения нейтронный поток должен был немедленно иссякнуть, так что, убрав полониевый источник, они ожидали прекращения всякой активности, но обнаружили, что счетчик частиц продолжает регистрировать импульсы, которые постепенно затухали – в точном соответствии с экспоненциальным законом. Это можно было интерпретировать единственным способом: в результате альфа-облучения возникали не известные ранее радиоактивные элементы с характерным периодом полураспада – 10 мин для азота-13 и 2,5 мин для фосфора-30. Оказалось, что эти элементы претерпевают позитронный распад: ® + e + , ® + e + . Интересные результаты получились с магнием, представленным тремя стабильными природными изотопами, и оказалось, что при a -облучении все они дают радиоактивные нуклиды кремния или алюминия, которые претерпевают 227- или позитронный распад:

Получение искусственных радиоактивных элементов имеет большое практическое значение, так как позволяет синтезировать радионуклиды с удобным для конкретной цели периодом полураспада и нужным видом излучения с определенной мощностью. Особенно удобно использовать в качестве «снарядов» нейтроны. Захват нейтрона ядром часто делает его настолько нестабильным, что новое ядро становится радиоактивным. Устойчивым оно может стать за счет превращения «лишнего» нейтрона в протон, то есть за счет 227-излучения; таких реакций известно очень много, например: + ® ® + e. Очень важна протекающая в верхних слоях атмосферы реакция образования радиоуглерода: + ® + (см. РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА). Путем поглощения медленных нейтронов ядрами лития-6 синтезируют тритий. Многие ядерные превращения можно получить под действием быстрых нейтронов, например: + ® + ; + ® + ; + ® + . Так, облучая нейтронами обычный кобальт, получают радиоактивный кобальт-60, являющийся мощным источником гамма-излучения (оно выделяется продуктом распада 60 Со – возбужденными ядрами ). Путем облучения нейтронами получают некоторые трансурановые элементы. Например, из природного урана-238 образуется сначала неустойчивый уран-239, который при b -распаде (Т 1/2 = 23,5 мин) превращается в первый трансурановый элемент нептуний-239, а он, в свою очередь, также путем b -распада (Т 1/2 = 2,3 сут) превращается в очень важный так называемый оружейный плутоний-239.

Можно ли искусственным путем, проведя нужную ядерную реакцию, получить золото и таким образом осуществить то, что не удалось алхимикам? Теоретически для этого нет препятствий. Более того, такой синтез уже был проведен, однако богатство не принес. Проще всего было бы для искусственного получения золота облучать потоком нейтронов – элемент, следующий в периодической таблице за золотом. Тогда в результате реакции + ® + нейтрон выбил бы из атома ртути протон и превратил его в атом золота. В этой реакции не указаны конкретные значения массовых чисел (А ) нуклидов ртути и золота. Золото в природе представлено единственным стабильным нуклидом , а природная ртуть – это сложная смесь изотопов с А = 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) и 204 (6,87%). Следовательно, по приведенной схеме можно получить только неустойчивое радиоактивное золото. Его и получила группа американских химиков из Гарвардского университета еще в начале 1941, облучая ртуть потоком быстрых нейтронов. Через несколько дней все полученные радиоактивные изотопы золота путем бета-распада вновь превратились в исходные изотопы ртути...

Но есть и другой путь: если атомы ртути-196 облучать медленными нейтронами, то они превратятся в атомы ртути-197: + ® + g . Эти атомы с периодом полураспада 2,7 сут претерпевают электронный захват и превращаются, наконец, в стабильные атомы золота: + e ® . Такое превращение осуществили в 1947 сотрудники Национальной лаборатории в Чикаго. Облучая 100 мг ртути медленными нейтронами, они получили 0,035 мг 197Au. По отношению ко всей ртути выход очень мал – всего 0,035%, но относительно 196Hg он достигает 24%! Однако изотопа 196 Hg в природной ртути как раз меньше всего, кроме того, и сам процесс облучения и его длительность (облучать потребуется несколько лет), и выделение стабильного «синтетического золота» из сложной смеси обойдется неизмеримо дороже, чем выделение золота из самых бедных его руд (). Так что искусственное получение золота имеет лишь чисто теоретический интерес.

Количественные закономерности радиоактивных превращений.

Если бы можно было проследить за конкретным нестабильным ядром, то бы предсказать, когда он распадется, не удалось бы. Это случайный процесс и лишь в отдельных случаях можно оценить вероятность распада в течение определенного времени. Однако даже в мельчайшей пылинке, почти не видимой в микроскоп, содержится огромное число атомов, и если эти атомы радиоактивны, то их распад подчиняется строгим математическим закономерностям: вступают в силу статистические законы, характерные для очень большого числа объектов. И тогда каждый радионуклид можно охарактеризовать вполне определенной величиной – периодом полураспада (T 1/2) – это время, за которое распадается половина имеющегося числа ядер. Если в начальный момент было N 0 ядер, то спустя время t = T 1/2 их останется N 0/2, при t = 2T 1/2 останется N 0/4 = N 0/2 2 , при t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 и т.д. В общем случае при t = nT 1/2 останется N 0/2 n ядер, где n = t /T 1/2 – число периодов полураспада (оно не обязательно должно быть целым). Легко показать, что формула N = N 0/2 t /T 1/2 эквивалентна формуле N = N 0e – l t , где l – так называемая постоянная распада. Формально она определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью распада dN /dt и имеющимся числом ядер: dN /dt = – l N (знак минус показывает, что N уменьшается со временем). Интегрирование этого дифференциального уравнения и дает экспоненциальную зависимость от времени числа ядер. Подставляя в эту формулу N = N 0/2 при t = T 1/2, получают что постоянная распада обратно пропорциональна периоду полураспада: l = ln2/T 1/2 = 0,693/T 1/2. Величина t = 1/ l называется средним временем жизни ядра. Например, для 226 Ra T 1/2 = 1600 лет, t = 1109 лет.

По приведенным формулам, зная величину T 1/2 (или l ), легко рассчитать количество радионуклида через любой промежуток времени, по ним же можно рассчитать период полураспада, если известно количество радионуклида в разные моменты времени. Вместо числа ядер можно подставить в формулу активность излучения, которая прямо пропорциональна наличному числу ядер N . Активность обычно характеризуют не общим числом распадов в образце, а пропорциональным ему числом импульсов, которые регистрирует прибор, измеряющий активность. Если есть, например, 1 г радиоактивного вещества, то чем меньше период его полураспада, тем большей активностью будет обладать вещество.

Другие математические закономерности описывают поведение малого числа радионуклидов. Здесь можно говорить лишь о вероятности того или иного события. Пусть, например, есть один атом (точнее, одно ядро) радионуклида с T 1/2 = 1 мин. Вероятность того, что этот атом проживет 1 минуту, равна 1/2 (50%), 2 минуты – 1/4 (25%), 3 минуты – 1/8 (12,5%), 10 минут – (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 мин – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Для единственного атома шанс ничтожный, но когда атомов очень много, например, несколько миллиардов, то многие из них, без сомнения, проживут и 20 периодов полураспада и намного больше. Вероятность же того, что атом распадется за некоторый промежуток времени, получается вычитанием полученных значений из 100. Так, если вероятность атома прожить 2 минуты равна 25%, то вероятность распада того же атома в течение этого времени равна 100 – 25 = 75%, вероятность распада в течение 3 минут – 87,5%, в течение 10 минут – 99,9% и т.д.

Формула усложняется, если нестабильных атомов несколько. В этом случае статистическая вероятность того или иного события описывается формулой с биномиальными коэффициентами. Если есть N атомов, и вероятность распада одного из них за время t равна p , то вероятность того, что за время t из N атомов распадется n (и останется соответственно N – n ), равна P = N !p n (1–p ) N –n /(N –n )!n ! Подобные формулы приходится использовать при синтезе новых нестабильных элементов, атомы которых получают буквально поштучно (например, когда группа американских ученых в 1955 открыла новый элемент Менделевий, они получили его в количестве всего 17 атомов).

Можно проиллюстрировать применение этой формулы для конкретного случая. Пусть, например, есть N = 16 атомов с периодом полураспада 1 час. Можно рассчитать, вероятность распада определенного числа атомов, например за время t = 4 часа. Вероятность того, что один атом проживет эти 4 часа, равна 1/2 4 = 1/16, соответственно, вероятность его распада за это время р = 1 – 1/16 = 15/16. Подстановка этих исходных данных в формулу дает: Р = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n )!n ! = 16!15 n /2 64 (16–n )!n ! Результат некоторых расчетов приведен в таблице:

Таблица 1.
Осталось атомов (16–n )	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Распалось атомов n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Вероятность Р , %	5·10 –18	5·10 –7	1,8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Таким образом, из 16 атомов спустя 4 часа (4 периода полураспада) останется вовсе не один, как это можно было бы предположить: вероятность этого события равна всего 38,4%, хотя она и больше вероятности любого другого исхода. Как видно из таблицы, очень высока также вероятность того, что распадутся все 16 атомов (35,2%) или только 14 из них. А вот вероятность, что за 4 периода полураспада все атомы останутся «живы» (ни один не распался), ничтожно мала. Понятно, что если атомов не 16, а, положим, 10 20 , то можно практически со 100%-ной уверенностью говорить, что через 1 ч останется половина их числа, через 2 ч – четверть и т.д. То есть чем больше атомов, тем точнее их распад соответствует экспоненциальному закону.

Многочисленные эксперименты, проводившиеся со времен Беккереля, показали, что на скорость радиоактивного распада практически не влияют ни температура, ни давление, ни химическое состояние атома. Исключения очень редки; так, в случае электронного захвата величина T 1/2 немного меняется при изменении степени окисления элемента. Например, распад 7 BeF 2 происходит примерно на 0,1% медленнее, чем 7 BeO или металлического 7 Ве.

Общее число известных нестабильных ядер – радионуклидов приближается к двум тысячам, время их жизни меняется в очень широких пределах. Известны как радионуклиды-долгожители, для которых периоды полураспада исчисляются миллионами и даже миллиардами лет, так и короткоживущие, распадающиеся полностью за ничтожные доли секунды. Периоды полураспада некоторых радионуклидов приведены в таблице.

Свойства некоторых радионуклидов (для Тс, Pm, Ро и всех последующих элементов, у которых нет стабильных изотопов, приведены данные для их наиболее долгоживущих изотопов).

Таблица 2.
Порядковый номер	Символ	Массовое число	Период полураспада
1	T	3	12,323 года
6	С	14	5730 лет
15	Р	32	14,3 сут
19	К	40	1,28·10 9 лет
27	Со	60	5,272 года
38	Sr	90	28,5 лет
43	Тс	98	4,2·10 6 лет
53	I	131	8,02 сут
61	Pm	145	17,7 года
84	Ро	209	102 года
85	At	210	8,1 ч
86	Rn	222	3,825 сут
87	Fr	223	21,8 мин
88	Ra	226	1600 лет
89	Ac	227	21,77 года
90	Th	232	1,405·10 9 лет
91	Ра	231	32 760 лет
92	U	238	4,468·10 9 лет
93	Np	237	2,14·10 6 лет
94	Pu	244	8,26·10 7 лет
95	Am	243	7370 лет
96	Cm	247	1,56·10 7
97	Bk	247	1380 лет
98	Cf	251	898 лет
99	Es	252	471,7 сут
100	Fm	257	100,5 сут
101	Md	260	27,8 сут
102	No	259	58 мин
103	Lr	262	3,6 ч
104	Rf	261	78 с
105	Db	262	34 с
106	Sg	266	21 с
107	Bh	264	0,44 с
108	Hs	269	9 с
109	Mt	268	70 мс
110	Ds	271	56 мс
111	–	272	1,5 мс
112	–	277	0,24 мс

Самый короткоживущий из известных нуклидов – 5 Li: время его жизни составляет 4,4·10 –22 с). За это время даже свет пройдет всего 10 –11 см, т.е. расстояние, лишь в несколько десятков раз превышающее диаметр ядра и значительно меньшее размера любого атома. Самый долгоживущий – 128 Te (содержится в природном теллуре в количестве 31,7%) с периодом полураспада восемь септиллионов (8·10 24) лет – его даже трудно назвать радиоактивным; для сравнения – нашей Вселенной по оценкам «всего» 10 10 лет.

Единицей радиоактивности нуклида служит беккерель: 1 Бк (Bq) соответствует одному распаду в секунду. Часто используется внесистемная единица кюри: 1 Ки (Ci) равен 37 миллиардам распадов в секунду или 3,7 . 10 10 Бк (примерно такую активность имеет 1 г 226 Ra). В свое время была предложена внесистемная единица резерфорд: 1 Рд (Rd) = 10 6 Бк, но она не получила распространения.

Литература:

Содди Ф. История атомной энергии . М., Атомиздат, 1979
Чоппин Г. и др. Ядерная химия . М., Энергоатомиздат, 1984
Гофман К. Можно ли сделать золото ? Л., Химия, 1984
Кадменский С.Г. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения . «Соросовский образовательный журнал», 1999, № 11