Страница 8 из 8
Открытие нейтрона позволило установить строение атомных ядер. Советский физик Д. Д. Иваненко предложил рассматривать ядро как систему, состоящую из нейтронов и протонов.
Таким образом, на основе известных нам теперь данных можно считать, что все атомы химических элементов построены из трёх основных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые две частицы определяют строение ядра, а также величину атомного веса, а электроны — внешнюю оболочку атома.
Было установлено, что для каждого ядра существуют определённые соотношения протонов и нейтронов, в противном случае ядро перестаёт быть устойчивым.
Если каким-нибудь образом изменить соотношение нейтронов и протонов в ядре, то при избытке первых в ядре происходит превращение нейтронов в протоны с излучением одного электрона, который увеличивает тем самым заряд ядра на одну единицу. Наоборот, при избытке протонов последние превращаются в нейтроны, излучая при этом положительно заряженную элементарную частицу — позитрон, — и заряд ядра понижается на единицу.
Наиболее устойчивой комбинацией протонов и нейтронов считается такое их количество, которое соответствует образованию альфа-частицы, то есть два протона и два нейтрона.
Дальнейшие исследования состава ядер отдельных элементов показали, что у лёгких атомов число нейтронов и протонов равно, и поэтому такие атомы устойчивы.
Но по мере возрастания атомного веса избыток нейтронов становится всё более значительным, а, начиная с элемента № 81 (таллий), эта разница в соотношении нейтронов и протонов возрастает ещё быстрее. Вот почему среди элементов, следующих за таллием, мы находим большое число естественных радиоактивных элементов.
Новые достижения в науке об атомном ядре связаны с работами французских учёных супругов Жолио-Кюри. Облучая альфа-частицами атомы кремния, алюминия и бора, они получили искусственные радиоактивные изотопы фосфора и азота.
Позднее получены искусственным путём радиоактивные изотопы почти для всех элементов. При этом были получены последние четыре недостающие элемента периодической таблицы с атомными номерами 43, 61, 85 и 87.
Элемент № 43 — технеций (Тс) — был открыт в 1937 году при «бомбардировке» молибдена нейтронами и ядрами изотопа водорода — так называемого тяжёлого водорода. Опыты показали, что технеций по своим свойствам гораздо больше похож на более тяжёлый, родственный ему элемент рений, чем на вышестоящий в группе марганец.
Назван он был технецием потому, что был первым элементом, полученным искусственным путём.
Элемент № 61 —прометий (Pm) — был найден при исследовании продуктов деления ядер атомов урана. Этот элемент входит в состав группы редкоземельных элементов и по своим свойствам похож на предшествующий ему элемент неодим (см. таблицу Менделеева).
Элемент № 85 — астатин (At) — был получен из висмута действием альфа-частиц. При низких температурах он летуч. Учёные, открыв этот элемент, дали ему название нестабильный, что по-гречески и означает астагин (так как это единственный галоген, не имеющий стабильных изотопов).
И, наконец, элемент № 87 — франций (Fr) — был получен при альфа-распаде актиния. Это — наиболее тяжёлый из всех известных нам щелочных металлов.
Существование технеция, астатина и франция также было предсказано Менделеевым.
Чтобы закончить рассмотрение периодического закона химических элементов, необходимо ещё остановиться на новых элементах выше № 92, так называемых трансурановых или заурановых элементах.
Попытки найти или получить заурановые элементы делались уже давно, но получены эти элементы были лишь после того, как в 1939 году было открыто явление деления ядер урана нейтронами.
Процесс этого деления урана состоит в следующем. Уран встречается в природе в виде смеси изотопов с массой главным образом 235 и 238. Урана с массой 235 очень мало — не более 0,7 процента, остальная часть приходится на уран 238.
При обстреле атомов урана нейтронами уран 235 захватывает один нейтрон и превращается в уран с массой 236. Этот изотоп нестоек и в свою очередь приводит к распаду ядра с цепью радиоактивных превращений. При этом, — что очень важно, — всегда освобождается два-три нейтрона, которые могут вызвать продолжение такой, как называют учёные, цепной ядерной реакции. Это означает, что если вылетевшие нейтроны вновь попадут в следующее ядро урана 235, они будут продолжать реакцию деления ядра и т. д. Эта реакция и является основой для получения атомной, или вернее, ядерной энергии[5].
Иначе ведёт себя изотоп урана с массой 238. При его обстреле медленными нейтронами последние захватываются ядром. Ядро переходит в неустойчивое состояние, в результате чего оно выбрасывает из себя бета-частицу сначала одну, а затем и другую. Заряд ядра при этом изменяется, и мы получаем новые элементы с порядковыми номерами 93 и 94.
Эти элементы были названы нептунием и плутонием.
Так претворена была в жизнь мысль учёных о получении искусственных элементов через ряд радиоактивных превращений.
Нептуний, а за ним плутоний были открыты в 1940 году. В последующие годы получены были изотопы нептуния, наиболее устойчивым из которых является нептуний с массой 237. Известны изотопы и плутония. Наиболее интересным оказался изотоп с массой 239 — он хотя и радиоактивен, но распадается очень медленно.
В настоящее время получены также и другие трансурановые элементы с порядковыми номерами — 95 (америций), 96 (кюрий), 97 (берклий) и 98 (калифорний).
Америций с массой 241 распадается медленно, что позволило исследовать химические свойства этого элемента. Удалось даже получить его в виде соединения.
Изотоп кюрия с массой 242 распадается медленно, испуская альфа-частицы, что также позволило учёным изучить его химические свойства.
Все трансурановые элементы составляют особую группу, сходную с группой редкоземельных элементов.
Эта группа объединяет в себе элементы, начиная от № 89 (актиний) и далее. Именуется она, как уже говорилось, группой актинидов.
Таков путь развития взглядов на природу основных веществ мироздания — химических элементов.
Многое изменилось с того времени, когда Менделеев впервые расположил химические элементы в их естественной последовательности.
Однако ни явление изотопии, ни открытие и получение новых элементов, ни ряд других фактов не опровергли, а, наоборот, только укрепили, подтвердили правильность и незыблемость великого закона природы, открытого русским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
5
Подробно об атомной энергии рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: В А. Лешковцев, Атомная энергия