Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
Вскоре супруги Мария и Пьер Кюри, систематически исследовав многие соединения, пришли к любопытному выводу: неизвестные лучи испускают также и препараты тория. Появились новые, «ториевые» лучи. Все это было загадочно и непонятно. «Лучевая лихорадка» приобрела характер эпидемии. То и дело в печати появлялись сообщения об открытии новых и новых видов лучей.
Супруги Кюри между тем продолжали исследовать лучи Беккереля. Скоро они установили, что минералы урана испускают лучей гораздо больше, чем если бы они состояли целиком из чистого урана. Это уже было совсем удивительно. Может, дело вовсе не в уране и последний элемент таблицы Менделеева не повинен в странном лучеиспускании?
Молодые ученые продолжают работу. В 1898 году они открывают сразу два новых элемента, которые способны испускать беккерелевы лучи, но эта способность у них примерно в миллион раз выше, чем у урана и тория. Один из элементов был назван полонием, в честь Польши — родины Марии Кюри, а второй — радием, от латинского слова «радиус», что значит «луч».
Способность веществ самопроизвольно испускать невидимые лучи супруги Кюри назвали радиоактивностью, а вещества, обладающие такой способностью, — радиоактивными.
Подробнее о радиоактивности
Суть этого явления теперь не представляет загадки. Не все атомные ядра устойчивы. Особенно тяжелые ядра, принадлежащие атомам элементов конца таблицы Менделеева. Эти неустойчивые ядра способны самопроизвольно распадаться, превращаясь в другие.
Все эти превращения можно разбить на несколько групп. К первой группе относятся те, которые связаны с испусканием ядрами так называемых альфа (α) — частиц. Вес каждой альфа-частицы равен четырем атомным единицам массы, причем она несет два положительных заряда. Следовательно, альфа-частицы — это не что иное, как ядра атомов элемента гелия. Из ядер тяжелых атомов они выбрасываются с громадной скоростью, равной 15–20 тысячам километров в секунду. Различают альфа-частицы по величине их энергии, однако чаще пользуются на практике другой характеристикой — длиной свободного пробега. Длина пути альфа-частицы в каждом веществе строго постоянна; она тем больше, чем больше ее энергия. Радиоактивные элементы конца периодической системы испускают альфа-частицы с длиной пробега в воздухе от 2 до 8 сантиметров. При движении в веществе альфа-частицы сталкиваются с его атомами, вызывая их ионизацию, а потому, теряя энергию, довольно быстро замедляются.
Что же происходит с ядром, когда оно испускает альфа-частицу? Поскольку заряд его уменьшается на две единицы, очевидно, оно превращается в ядро элемента, стоящего на две клетки левее в периодической системе. Атомный вес его уменьшается на четыре единицы. В качестве примера можно привести превращение атома радия в радон: радий → радон + альфа-частица.
В ядерной физике это уравнение записывается так:
Следующая группа превращений связана с испусканием ядрами бета (β) — частиц, или электронов. Этот процесс обязан своим происхождением избытку нейтронов в ядрах некоторых атомов. Схему его можно представить следующим образом: нейтрон → протон + электрон, или n → p + e– то есть нейтрон переходит в протон, и образующийся при этом электрон покидает ядро. Нетрудно догадаться, что при бета-распаде образующийся элемент располагается в периодической системе на одну клетку вправо, а атомный вес остается без изменения, поскольку масса электрона близка к нулю. В качестве примера можно привести превращение протактиния в уран:
В отличие от альфа-частиц бета-частицы не обладают ни постоянной величиной пробега, ни постоянной энергией. Такое положение наблюдается для любого радиоактивного вещества, испускающего бета-частицы. Это дало повод некоторым ученым даже сомневаться в фундаментальном законе природы — законе сохранения энергии.
Объяснил это явление знаменитый итальянский ученый Энрико Ферми. Он доказал, что испускание бета-частицы ядром атома должно сопровождаться вылетом из ядра еще одной частицы, не имеющей электрического заряда, с массой, близкой к нулю. Эта частица получила название «нейтрино», что по-итальянски значит «маленький нейтрон», «нейтрончик».
Поскольку ядро выбрасывает две частицы, энергия между ними может распределиться самым различным образом. Нейтрино может забрать много энергии, и тогда на долю бета-частицы достанется лишь малая ее часть. Нейтрино может и не получить ничего, тогда бета-частица будет иметь максимальную энергию, которой и характеризуется бета-излучение. Бета-частицы вылетают из ядер с громадной скоростью, близкой к скорости света. А поскольку заряд их мал, то в отличие от альфа-частиц они редко вызывают ионизацию атомов вещества, в котором движутся. Поэтому и пробег их значительно больше, чем у альфа-частиц.
Кроме отрицательно заряженных бета-частиц, существуют еще и положительные, которые обозначаются значком р+ и называются позитронами. Если ядро испускает позитрон, образующийся элемент передвигается на одну клетку влево в периодической системе.
Еще одна группа превращений связана с явлением, которое получило название электронного захвата. Он наблюдается, когда ядра содержат избыточное количество протонов. В этом случае ядро захватывает электрон с ближайшей электронной оболочки, и один из протонов превращается в нейтрон:
p + e → n
Обычно ядро захватывает электрон с оболочки, ближе всего расположенной к ядру, с так называемой K-оболочки, почему это явление и получило название «K-захват». В результате захвата в электронной оболочке образуется «вакантное» место, которое занимает электрон, находившийся раньше на оболочке, более удаленной от ядра. Переход электрона с одной оболочки на другую является причиной рентгеновского излучения.
При K-захвате образующийся элемент оказывается в периодической системе на одну клетку влево.
Известен вид радиоактивных превращений, называемый спонтанным делением. К нему «склонны» только очень тяжелые ядра, например тория и урана. Суть процесса заключается в самопроизвольном «раскалывании» ядра на две части. В результате образуются ядра элементов середины периодической системы.
Наконец, к последней группе превращений относится так называемый изомерный переход. Пояснить его можно так. Пусть у нас есть два совершенно одинаковых ядра. Равны их массы, равны их заряды. Но только одно ядро, как говорят физики, находится на более высоком энергетическом уровне, то есть у него имеется избыток энергии. Такие ядра называются изомерами. Чтобы перейти в свое нормальное, стабильное состояние, возбужденное ядро должно освободиться от избыточной энергии, что оно и делает, испуская гамма (γ) — лучи. Они представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. При их испускании, как можно понять, не изменяются ни масса атома, ни его порядковый номер. Поскольку гамма-лучи не являются частицами вещества и электронейтральны, они слабо взаимодействуют с веществом, а потому и обладают очень большой
