Загадки радиоактивности

Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал ряд новых вопросов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства, насколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое действие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, однако, несколько десятков лет, чтобы получить ответ на поставленные вопросы.

Удивительно то, что оказались неудачными все попытки ученых хоть в какой-либо степени повлиять на радиоактивность: хотя бы незначительно изменить интенсивность излучения радиоактивных веществ. Оказались бессильными и нагрев до максимальных температур и охлаждение до сверхнизких температур, и огромные давления, достигнутые техникой того времени, и помещение радиоактивных веществ в вакуум, и, наконец, действие любых химических реактивов. Вместе с тем было замечено, что интенсивность излучения любого радиоактивного, вещества самопроизвольно уменьшается со временем по определенному закону. Для каждого радиоактивного вещества характерен период полураспада, т. е. время, в течение которого интенсивность излучения уменьшается вдвое. Период полураспада радия составляет 1620 лет, полония-138 дней, урана - 4,5 млрд. лет и т. д.

Загадкой было и то, откуда берется энергия, которая излучается радиоактивными веществами. Еще в 1903 г. Пьер Кюри обратил внимание на то, что недавно открытый элемент - радий всегда теплее окружающих предметов. Было подсчитано, что 1 г радия может самопроизвольно выделить количество тепла, которое в 400 тыс. раз превышает количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 г каменного угля.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов оказало огромное влияние на существовавшие в то время представления о строении вещества и привело в 1911 г. английского физика Резерфорда к созданию так называемой планетарной модели строения атома. Этой моделью, усовершенствованной датским ученым Нильсом Бором, мы. пользуемся и до настоящего времени, поскольку она помогает понять целый ряд явлений, в частности, явление радиоактивности, хотя и известно, что в действительности строение атома значительно сложнее, чем это следует из модели атома Резерфорда - Бора. Познакомимся с этой теорией несколько подробнее.

Все тела окружающего нас мира представляют собой совокупность разнообразных химических соединений. Количество известных в настоящее время соединений превосходит 400 тысяч. Все они состоят из молекул и атомов. Молекула - наименьшая частица вещества, полностью сохраняющая его свойства, атом-частица химического элемента. Молекулы представляют собою более сложные образования, чем атомы. В состав молекул органических веществ входят иногда десятки тысяч атомов. Если количество видов молекул очень велико и равняется количеству химических соединений, то количество разновидностей атомов немногим больше ста.

Размеры атомов очень малы - поперечник атома составляет около 10^-8 см, следовательно, в 1 см можно уложить 100 млн. атомов. Масса самого легкого атома - атома водорода - составляет 1,67 · 10^-24 г; атома курчатовия, занимающего 104-е место в таблице Менделеева, в 260 раз больше. В качестве единицы измерения пользуются ¹/₁₆ массы атома кислорода. При этом масса атома водорода приблизительно считается равной единице.

Несмотря на свои незначительные размеры, атом имеет сложное строение и состоит из центрального положительно заряженного ядра и двигающихся вокруг него по орбитам электронов - отрицательно заряженных частиц, в 1840 раз меньших, чем атом водорода. Основная масса атома (99,95%) сконцентрирована в ядре, поперечник которого в несколько десятков тысяч раз меньше поперечника атома. Если бы мы могли увеличить атом до величины основного корпуса Московского университета, ядро атома имело бы размеры горошины.

Количество электронов в атоме не случайно - оно соответствует атомному номеру данного элемента, который определяет его место в периодической таблице Менделеева, а суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. Двигаются электроны по орбитам, располагающимся отдельными группами, называемыми слоями, или оболочками. Количество слоев у тяжелых атомов с большим количеством электронов может доходить до семи. Электроны, расположенные на внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке, слабее всего связаны с ядром, и поэтому легко могут вступать во взаимодействие с другими атомами. Количество этих электронов определяет химические свойства данного элемента, т. е. способность его образовывать соединения с другими элементами.

Ядро атома имеет сложное строение; в состав его входят частицы двух видов - протоны и нейтроны. Протоны - ядра атомов водорода - обладают положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и массой, равной единице. Масса нейтрона, так же как и протона, равна единице. Но в отличие от протонов нейтроны не имеют электрического заряда, а потому они нейтральны.

Протон и нейтрон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. В составе ядра протоны и нейтроны прочно удерживаются ядерными силами, природа которых еще окончательно не выяснена. Отличительная особенность ядерных сил - проявление только на очень близких расстояниях (не более 10 - 13 см), в то время как силы тяготения или электрического взаимодействия проявляются на любом расстоянии.

Количество протонов, входящих в состав ядра, равняется количеству электронов в оболочке атома. Это объясняется тем, что атом в целом нейтрален, а заряды электрона и протона равны по величине, но противоположны по знаку. Количество нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между атомной массой элемента и его атомным номером, определяющим количество протонов. Так, ядро атома железа (атомный номер 26, атомная масса 56) содержит 26 протонов и 30 нейтронов.

Атомы одного и того же элемента не одинаковы. Исследования показали, что большинство химических элементов имеют изотопы, атомы которых обладают одинаковыми химическими свойствами, но отличаются друг от друга по атомной массе. Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, но отличаются друг от друга количеством нейтронов, входящих в состав ядра.

В настоящее время известно более 1300 изотопов 104 элементов, входящих в таблицу Менделеева. Из общего числа изотопов только 250 стабильные, а остальные радиоактивные. Для удобства изотопы принято обозначать химическим символом элемента, к которому внизу добавлен атомный номер, а вверху - атомная масса. Например, изотопы водорода обозначаются H₁¹, Н₁² H₁³; изотопы хлора - Cl¹⁷₃₅ и Cl¹⁷₃₆ и т. д.

В связи с тем, что химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы, разделить их химическим путем невозможно. Для этой цели пользуются некоторыми их физическими свойствами, зависящими от массы атома.

Выше мы уже отмечали, что в нормальном состоянии атом нейтрален. Однако при некоторых процессах, когда атому сообщается дополнительная энергия, один или несколько внешних, наиболее слабо связанных с ядром электронов, можно либо удалить за пределы атома, либо передвинуть с одной оболочки на другую (ближе к внешней). Атом, у которого удален один или несколько электронов, называется ионизированным, или ионом. Такой атом в целом будет иметь положительный заряд, так как заряд его ядра останется прежним, а отрицательный заряд оболочки уменьшится. Ионы, сохраняя в общем все свойства данного элемента, отличаются от атомов тем, что могут образовывать иные химические соединения. Атом, электрон которого перемещен на внешнюю орбиту, называется возбужденным; в отличие от ионизированного он остается нейтральным.

Возбужденное и ионизированное состояния неустойчивы, так как атом стремится при первой возможности вернуться в свое нормальное состояние. Это может осуществиться либо в результате притяжения электрона извне (ионизированный атом), либо за счет перехода электронов с внешней орбиты на свободные места на внутренней орбите (возбужденный атом). И тот и другой процесс сопровождается выделением энергии в виде светового излучения, ультрафиолетовых или инфракрасных лучей (при переходе электронов в периферийной части атома) и рентгеновских лучей (при переходе электронов на внутреннюю орбиту и освобождении большего количества энергии).