Радиоактивность

В самом конце периодической системы Д. И. Менделеева располагается группа радиоактивных элементов урана-радия, представляющих совершенно особый интерес. Явления радиоактивности были открыты А. Беккерелем еще в 1896 г. Дальнейшее изучение их привело к открытию общих законов строения атома и к развитию так называемой ядерной физики.

Как известно, образование ионов, химических соединений и вообще все химические процессы обусловлены исключительно строением наружных электронных оболочек атомов и той энергией, которая выделяется при перегруппировках электронов; ядра атомов при этом не претерпевают никаких изменений Явления же радиоактивных превращений, наоборот, связаны с превращениями, происходящими в самих ядрах. В связи с этим необходимо напомнить о строении атомных ядер.

Установлено, что в строении атома принимают участие три основных вида частиц: протон и нейтрон в ядре и электрон в окружении ядра. Число протонов равно атомному номеру, а число нейтронов-разности между массовым числом (близким к атомному весу) и атомным номером.

Рассматривая периодическую систему элементов (табл. 1, стр. 24-25), легко видеть, что в первых рядах элементов числа протонов и нейтронов ядра атома обычно равны друг другу. По мере того как переходим к более тяжелым элементам, мы замечаем, что число нейтронов по сравнению с протонами постепенно возрастает (так полагается для достижения минимума энергии, а следовательно, и устойчивости ядра). В последнем ряду устанавливается уже весьма значительный избыток нейтронов по отношению к протонам. Например, ядро тяжелого урана U238 содержит 92 протона и 146 нейтронов (238-92), а ядро изотопа U235 - на три нейтрона меньше (при том же числе протонов).

Эти последние элементы периодической системы обладают не вполне устойчивыми ядрами атомов. Для таких элементов весьма характерны явления так называемого радиоактивного распада, выражающиеся в непрерывном испускании:

1. α-частиц, т. е. ядер атомов гелия, обладающих атомным номером 2 и массовым числом 4; они выбрасываются с громадной скоростью и ионизируют воздух, т. е. делают его проводником электричества; испускание этих частиц приводит к тому, что атом данного элемента последовательно превращается в атомы боЛее легких элементов, причем атомный номер при вылете каждой частицы уменьшается на 2, а масса - на 4 единицы;
2. β-частичек, равнозначных электронам; испускание одной такой частички, естественно, приводит к увеличению заряда ядра на единицу (при сохранении массового числа); следовательно, и атомный номер продукта превращения увеличивается на единицу;
3. γ-лучей, представляющих собой электромагнитное излучение, подобное рентгеновским лучам.

Это непрерывное превращение атомов, сопровождающееся большим расходом энергии, протекает вне зависимости от температуры и давления. Конечными продуктами, образующимися в результате последовательных испусканий α- и β-частиц, являются устойчивые изотопы свинца. Скорость распада образующихся промежуточных атомов колеблется в весьма широких пределах-от долей секунды до миллиардов лет. Время, необходимое для распада половины всего количества атомов данного изотопа, называется "периодом полураспада". Оно для каждого изотопа постоянно.

Установлены три ряда последовательных радиоактивных превращений:

1. ряд урана, начинающийся с урана I U²³⁸ (рис. 27), в котором, в числе промежуточных продуктов распада, образуется и радий с периодом полураспада 1600 лет;
2. ряд актиния, начинающийся с другого изотопа урана - U²³⁵ и включающий в числе промежуточных продуктов превращений актиний, и
3. ряд тория, начинающийся с изотопа Th²³².

Рис. 27. Начальные участки трех рядов естественных радиоактивных превращений и искусственно полученные заурановые элементы - нептуний и плутоний

Радиоактивность минералов определяется по производимой ими ионизации воздуха с помощью электроскопов, ионизационных камер и различных систем счетчиков. Урансодержащие минералы, способные излучать химически активные лучи, оказывают также сильное воздействие на фотографическую пластинку. Этим пользуются для получения так называемых радиографий. С этой целью отполированный образец руды в темной комнате или в ящике для проявления кладут на фотопластинку на определенное время. Активные лучи в светочувствительном слое производят обычное химическое действие. После проявления места сильного почернения будут указывать на наличие урансодержащих минералов. На позитивном изображении радиографии, т. е. на фотобумаге, светлые участки будут отвечать минералам, богатым радиоактивными элементами, черные - минералам, не содержащим их.

Явлениями радиоактивного распада, протекающего в течение огромных периодов времени, пользуются при определении абсолютного геологического возраста различных пород, в которых в свое время образовались радиоактивные минералы. Это определение возраста возможно прежде всего потому, что скорость распада каждого радиоактивного вещества не только постоянна, но и не зависит ни от температуры, ни от происходящих химических реакций. Вторым важным обстоятельством является то, что содержание конечных продуктов распада (гелия и свинца) минерала находится в прямой зависимости от времени, истекшего с момента образования радиоактивных минералов.