Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

В такой «транскрипции» первым пишется ядро, которое подвергается превращению, затем в скобке — частица, которая его вызывает, после нее записывается вылетающая частица и уже после скобки — новое, образующееся ядро.

Затем Резерфорд выяснил, что с альфа-частицами взаимодействуют также ядра бора, фтора, натрия и некоторых других элементов. Так мечта человека о превращении одних элементов в другие стала реальностью.

В начале тридцатых годов был отмечен интересный факт. Если «обстреливать» альфа-частицами бериллий, то появляется какое-то новое излучение, обладающее необыкновенными свойствами. «Бериллиевые лучи» не отклонялись в электрическом поле и могли проходить сквозь такой слой свинца, через который не могли пройти даже гамма-лучи. В течение долгого времени не могли объяснить ученые их природу. Наконец ученик Резерфорда Чэдвик доказал: «бериллиевые лучи» представляют собой поток нейтральных частиц, по массе равных ядрам атома водорода, протонам. Он назвал их нейтронами, подчеркнув этим их электронейтральность. Оказалось, что взаимодействие альфа-частиц с бериллием происходит по реакции:

94Be + 42He → 126C + 10n,

то есть при этом образуется изотоп углерода и выделяется один нейтрон. Нейтронам суждено было сыграть выдающуюся роль в ядерной физике.

Через пятнадцать лет после эксперимента Резерфорда мир был потрясен новой сенсацией.

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

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

2713Al + 42He → 3015P + 10n,

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

3015P → 3014Si + βt.

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

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

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

Можно ли увидеть атом?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Золушка и современность

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

Давайте немного посчитаем. Пусть каждая пылинка золы в