Помоги проекту - поделись книгой:
На рис. 3 показаны упрощенные схемы строения некоторых атомов. Электроны в атомах располагаются слоями. В результате, например, химической реакции атом может передать электроны из внешнего слоя другому атому. При этом электрическая нейтральность атомов нарушается. Такие заряженные частицы называются ионами. Атомы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительными ионами, а принявшие один или несколько электронов — отрицательными.
После открытия нейтронов советский физик Д. Д. Иваненко в 1932 г. сделал предположение, что ядро атома состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов. Предположение Иваненко было развито и обосновано Гейзенбергом и подтверждено всеми опытами, проведенными в дальнейшем с атомными ядрами. В настоящее время протонно-нейтронная теория является общепризнанной.
Протоны — это ядра атомов водорода; масса протона равна приблизительно одной атомной единице, и протон имеет положительный заряд. В качестве единицы заряда в атомной физике принята абсолютная величина заряда электрона. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Следовательно, можно сказать, что заряд протона равен единице.
Нейтроны имеют примерно такую же, как и протоны, массу, но не несут электрического заряда. Это электрически нейтральные частицы.
Протонно-нейтронная теория строения атома лежит в основе современной ядерной физики.
Так как веса протона и нейтрона в атомных единицах приблизительно равны единице, то округленный до целого числа вес атома в атомных единицах равен сумме числа нейтронов и протонов всего ядра. Это число называется массовым числом. Число же протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Таким образом, ядро атома углерода, имеющего массовое число 12 и заряд, равный 6 единицам, содержит 6 протонов и 6 нейтронов (рис. 4). Ядро атома урана с массовым числом 238 и зарядом 92 содержит 92 протона и 146 нейтронов.
Открытие Марией и Пьером Кюри полония и радия направило ученых на поиски других радиоактивных элементов. Эти поиски увенчались успехом: в рудах урана и тория были открыты новые радиоактивные элементы.
Многие из них по своим химическим свойствам оказались неотличимыми от ранее известных элементов. Так, в 1906 г. был обнаружен элемент ионий, который оказался сходным по свойствам с ранее известным элементом Ⅳ группы периодической системы торием. Все попытки отделить ионий от тория кончались неудачей.
В 1907 году было установлено, что вновь открытый элемент мезоторий химически неотличим от радия.
В последующие годы было обнаружено полное химическое сходство новых элементов радия
Оказалось, что в некоторых клетках периодической системы Менделеева должно помещаться несколько видов атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, но разную массу. Такие атомы получили название изотопов (изотоп по-гречески означает — занимающий то же место). Радий
Таким образом, атомы данного элемента содержат одинаковое число протонов, но могут содержать различное число нейтронов.
Изотопы были обнаружены и среди нерадиоактивных элементов. Удалось доказать, например, что газ неон представляет собою смесь атомов неона с различной массой.
Впоследствии были обнаружены или получены искусственным путем изотопы всех элементов.
С помощью химических символов можно легко обозначать изотопы различных элементов. Например, изотопы натрия с массовыми числами 22, 23 и 24 записываются следующим образом:
Ниже приводится таблица природных изотопов некоторых элементов. Как видно из таблицы, алюминий, фосфор и марганец имеют только по одному природному изотопу.
| Природные изотопы некоторых элементов | ||
|---|---|---|
| Название элемента | Символ | Массы изотопов |
| Водород | H | 1, 2 |
| Углерод | C | 12, 13 |
| Кислород | O | 16, 17, 18 |
| Алюминий | Al | 27 |
| Фосфор | P | 31 |
| Сера | S | 32, 33, 34, 36 |
| Хлор | Cl | 35, 37 |
| Калий | K | 39, 40, 41 |
| Марганец | Mn | 55 |
| Железо | Fe | 54, 56, 57, 58 |
| Медь | Cu | 63, 65 |
| Платина | Pt | 190, 192, 194, 195, 196,198 |
| Свинец | Pb | 204, 206, 207, 208, 210.211, 212, 214 |
| Уран | U | 234, 235, 238 |
Ⅱ. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ
Мы уже говорили о том, что радий испускает альфа-, бета- и гамма-лучи. Излучение, подобное радию, дают уран, торий, полоний и многие другие радиоактивные элементы. Однако распад других радиоактивных веществ не обязательно сопровождается всеми тремя видами излучений. Что же представляют собой альфа-, бета- и гамма-лучи?
В результате исследований действия электромагнитного поля на радиоактивное излучение ученые нашли, что альфа-лучи — это поток положительно заряженных частиц — ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядра атома с огромной скоростью — например из ядра атома радия со скоростью, примерно равной 17 000 километров в секунду. Они способны проникать через слой воздуха в несколько сантиметров толщиной. Проходя через воздух, они его ионизируют и делают проводником электричества.
Бета-лучи — это поток электронов, некоторые из которых вылетают из ядра атома со скоростью, достигающей величины, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду в пустоте). Они проникают через вещества значительно лучше, чем альфа-лучи. Если альфа-лучи задерживаются пластинкой алюминия толщиной, равной 0,05 миллиметра, то бета-лучи способны пройти через слой алюминия толщиною до нескольких миллиметров. Так же, как и альфа-лучи, электроны делают воздух проводником электричества, только в меньшей степени.
Гамма-лучи имеют ту же природу, что и обычный видимый нами свет, но в отличие от него гамма-лучи, ослабляясь, проходят через непрозрачные тела, например через бумагу, дерево; они способны проникнуть даже через слои металлов толщиной в несколько сантиметров. Излучение природных радиоактивных элементов исчерпывается тремя перечисленными видами.
Теперь рассмотрим, что происходит с радиоактивными атомами при альфа-, бета- и гамма-излучении. Ученые нашли, что при радиоактивном излучении изменяются ядра атомов и происходит превращение атомов одного элемента в атомы другого элемента. Явление это получило название радиоактивного распада.
Каждый радиоактивный атом рано или поздно превращается в другой атом. Но не все атомы одного и того же радиоактивного изотопа существуют одинаковое время; одни атомы распадаются быстро, а другие могут оставаться неизменными очень долго.
Каким же законам подчиняется радиоактивный распад?
Оказывается, число распадающихся за малый промежуток времени[4] атомов прямо пропорционально наличному числу радиоактивных атомов. Это значит, что у того или другого радиоактивного изотопа за такой малый промежуток времени распадается всегда одна и та же часть, одна и та же доля атомов, строго определенная для каждого элемента.
Этот закон ученые установили опытным путем, наблюдая за изменением интенсивности излучения радиоактивных изотопов со временем.
Доля атомов, претерпевающих превращение за выбранную единицу времени, называется постоянной распада.
Если, например, мы имеем 8 000 000 радиоактивных атомов и постоянная распада равна 0,01, то это значит, что в каждую секунду распадается одна сотая часть наличных атомов: за первую секунду — 80 000 атомов, за вторую — сотая часть оставшихся 7 920 000, то есть 79 200 атомов, и т. д.
Скорость радиоактивного распада обычно характеризуют периодом полураспада. Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого наличное количество радиоактивных атомов уменьшается вдвое. Например, период полураспада радия
В этих примерах даны довольно большие числа. Это совершенно необходимо, так как для малых количеств атомов закон не будет соблюдаться: из двух атомов радия
Изучение превращения элементов при радиоактивном распаде дало возможность ученым установить правило перемещения элемента в периодической системе при этом процессе. Оно было названо «правилом сдвига». Когда радиоактивный атом излучает альфа-частицу, заряд его ядра уменьшается на 2 единицы, так как заряд самой альфа-частицы равен 2. При этом получается новый элемент, который должен занять в периодической системе место через одну клетку влево. Например, когда радий, занимающий 88-ю клетку периодической системы, излучает альфа-частицу, то он превращается в радиоактивный газообразный элемент эманацию радия, который находится в клетке под номером 86.
Бета-частицы, так же как и альфа-частицы, являются продуктами распада ядра радиоактивного атома; они испускаются в результате превращения нейтрона в протон:
Заряд ядра при бета-излучении (при испускании электрона) увеличивается на одну единицу; на единицу увеличивается и порядковый номер, и поэтому вновь образовавшийся изотоп должен занять в таблице место в следующей клетке справа. Уран X1, получающийся из урана 238, занимает клетку номер 90 вместе с торием. Он выбрасывает бета-частицу и превращается в уран Х2, который имеет порядковый номер 91, то есть является изотопом протактиния.
Альфа- и бета-распад сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.
При гамма-излучении энергия ядра атома уменьшается, но состав ядра остается неизменным.
Правило сдвига дало возможность найти место в периодической системе элементов Менделеева для всех вновь открытых изотопов.
Правило сдвига позволило ученым установить связь между целыми группами радиоактивных изотопов. Так, оказалось, что торий с массовым числом 232, выбрасывая альфа-частицу, превращается в изотоп радия — мезоторий 1 с массовым числом 228 и порядковым номером 88. Мезоторий 1 в свою очередь выбрасывает электрон и превращается в мезоторий 2 — изотоп актиния. Мезоторий 2 испускает бета-лучи и превращается в радиоторий.
Цепь превращений идет от одного радиоактивного изотопа к другому, пока в результате радиоактивного распада не образуется устойчивый изотоп.
Так получается ряд радиоактивных изотопов, или радиоактивное семейство.
Исследуя процессы радиоактивного распада, ученые установили три ряда радиоактивных элементов, которые находятся в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана.
Уран 238, торий и актиноуран (уран 235) являются родоначальниками этих рядов, и каждый ряд заканчивается нерадиоактивным изотопом свинца.
Одним из важных членов семейства урана является изотоп радия с массовым числом 226; он широко применяется в медицине, технике и в научных изысканиях.
Позднее искусственным путем было получено новое семейство радиоактивных изотопов — семейство нептуния; оно заканчивается устойчивым изотопом висмута.
На рис. 5 и 6 приведены радиоактивные семейства. В кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра. Стрелки показывают, в каком направлении идет превращение, значки α и β около стрелок — род излучения, а цифры — периоды полураспада.
В каждом радиоактивном семействе есть изотопы с самыми различными периодами полураспада. Уран 238 имеет период полураспада, равный 4,5 миллиарда лет; количество атомов урана изменяется настолько медленно, что даже в течение многих веков убыль их практически нельзя заметить. Период полураспада радия — 1590 лет, а радия
С течением времени в смеси изотопов радиоактивного ряда наступает так называемое радиоактивное равновесие. Это значит, что количество атомов того или иного радиоактивного элемента в смеси остается практически неизменным; сколько атомов получается, столько же распадается. Если из смеси удалить один из изотопов, то равновесие нарушается, но через определенное время оно наступает вновь.
Чтобы понять это, сравним радиоактивное семейство с системой бассейнов с водой, которые расположены друг под другом и связаны между собой трубами различного сечения. Представим, что количество воды в них соответствует количеству радиоактивных изотопов, а сечения соединяющих труб — постоянным их распада. Учтем, что скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течет из него вода. Допустим, что в первом бассейне находится такое большое количество воды, что убыль ее практически не влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает во второй по трубе сечением, равным 2 кв. сантиметрам. Из второго бассейна вода течет в третий по трубе сечением, равным 1 кв. сантиметру. Труба, соединяющая третий бассейн с четвертым, имеет сечение 4 кв. сантиметра.
Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но одновременно она будет вытекать в третий бассейн. Когда высота уровня во втором бассейне станет вчетверо больше, чем в первом, скорость протока воды во второй бассейн будет равна скорости вытекания из него в третий. В первом бассейне уровень в 4 раза ниже, чем во втором, но зато сечение трубы в 2 раза больше. Поэтому вода во втором бассейне будет сохранять один и тот же уровень.
То же можно сказать про третий бассейн. Вода в нем будет прибывать до тех пор, пока уровень ее не достигнет высоты, в 4 раза меньшей, чем в первом бассейне.
Когда уровни будут находиться в соотношении 4:16:1, скорости притока и вытекания воды для каждого бассейна станут равны. Наступит равновесие.
Если теперь из второго бассейна часть воды вычерпать, то равновесие будет нарушено: скорость поступления воды во второй бассейн будет прежней, но скорость вытекания уменьшится и в третьем бассейне вода начнет убывать. Однако через некоторое время уровень во втором бассейне повысится, и равновесие наступит вновь.
Подобное этому равновесие имеет место и при радиоактивном распаде. Чем больше период полураспада элемента, тем больше его находится в смеси. В семействе тория, например, из тория образуется в единицу времени столько атомов мезотория 1, сколько их распадается с образованием мезотория 2.
Уран, торий и актиноуран находились в земной коре многие тысячелетия, и за это время в радиоактивных семействах урана, тория и актиноурана установилось равновесие.
В средние века алхимики занимались поисками способов превращения различных металлов в золото. Поиски эти были безуспешны, и начиная с XⅦ века многие ученые перестали верить в возможность превращения элементов. В XⅨ веке в науке утвердилось атомно-молекулярное учение. По этому учению составные части всякого вещества — атомы — считались неделимыми, следовательно, и превращение одного атома в другой оказывалось невозможным.
Но в XX веке, после того как было изучено явление радиоактивности и выяснилось сложное строение атома, ученые снова вернулись к мысли об искусственном превращении элементов.
Ядро атома нельзя разрушить ни нагреванием до нескольких тысяч градусов, ни охлаждением до самых низких температур, ни высоким или низким давлением. Для разрушения атомов нужна большая энергия. В руках человека до открытия радиоактивных элементов такой энергии не было.
В 1919 году английский физик Резерфорд решил использовать для разрушения атомов энергию радиоактивного излучения, именно энергию альфа-частиц. Быстролетящие, сравнительно тяжелые альфа-частицы могли служить миниатюрными снарядами, которые способны разрушить ядро и привести к образованию новых ядер.
Радиоактивный препарат, излучающий альфа-частицы, помещался в газ азот. Альфа-частицы, сталкиваясь с атомами азота, проникали в их ядра (рис. 7). Затем ядра раскалывались на два новых ядра: ядро атома кислорода и ядро атома водорода (или протон). Так впервые был проведен процесс превращения элементов. С помощью химических символов он может быть записан следующим образом:
Общее число протонов и нейтронов в этом процессе не изменяется. Поэтому суммы верхних цифр (массовых чисел) справа и слева от стрелки должны быть одинаковы; сумма нижних цифр — общее количество протонов в ядрах — также не меняется.
Вес искусственно полученного атома кислорода равен 17 атомным единицам. Это один из изотопов кислорода.
Вскоре с помощью альфа-частиц удалось расщепить ядра атомов и ряда других элементов.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая действие альфа-частиц на атомы различных элементов, сделали великое открытие. Они обнаружили, что облученный альфа-частицами алюминий испускает позитроны. Позитроны были открыты в 1932 г. в космических лучах, идущих из мирового пространства. Позитрон — это частица, которая имеет массу, равную массе электрона, но заряд, равный и противоположный по знаку заряду электрона, то есть — положительный.
Как было установлено супругами Жолио-Кюри, испускание позитронов идет и после прекращения обстрела алюминия альфа-частицами. Число испускаемых позитронов со временем убывает, и, наконец, выделение их прекращается.
Открытое Ирен и Фредериком Жолио-Кюри явление напоминало картину радиоактивного распада. Поэтому ученые пришли к мысли, что в результате взаимодействия алюминия и альфа-частиц получается искусственный радиоактивный элемент. Действительно, убывание числа испускаемых позитронов подчиняется закону радиоактивного распада. Период полураспада нового радиоактивного элемента оказался равным 3,25 минуты.
Подобные явления были обнаружены также при действии альфа-частиц на бор и магний.
Таким образом, супруги Жолио-Кюри показали, что радиоактивные элементы можно создавать искусственным путем.
Какие же элементы получались из алюминия, бора и магния при воздействии на них альфа-частиц?
Изучение взаимодействия алюминия с альфа-частицами показало, что сначала из алюминия вылетают нейтроны, а позитроны появляются уже после бомбардировки. Ученые нашли, что процесс идет таким путем:
Поделиться книгой: