Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

Выдающиеся открытия в науке — открытие электрона, рентгеновых лучей, радиоактивности, взаимопревращаемости элементов — раскрыли природу химических элементов и показали, что атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, вращающихся вокруг ядра. Тогда-то и было утверждено положение о заряде ядра, которому равен порядковый номер элемента в системе. Итак, водород остался первым, так как заряд его ядра равен 1. И все же история с нижним пределом оказалась не совсем завершенной. «Виновником» этого был отчасти Менделеев. В 1906 году он поместил в системе элементов наряду с нулевой группой нулевой период, желая тем самым подчеркнуть существование элементов в еще большей степени, чем инертные газы, лишенных химической активности. В нулевой период вошли два гипотетических (предполагаемых) элемента X и Y, ставших выше водорода и имевших атомные веса 10^–6 для X и 0,4 для Y.

Надо сказать, что о существовании более легкого, чем водород, элемента Менделеев задумывался еще в 1871–1872 годах, понимая важность решения этого вопроса для объяснения причины периодичности и природы элементов.

Позднее на основе учения о строении атома было уточнено понятие о «химическом элементе» и первым из них признан водород. X и Y, как не соответствующие этому определению, изъяли из системы элементов.

Однако затишье наступило ненадолго. Когда были открыты протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, появились попытки включить нейтрон в систему элементов. Предлагалось считать его элементом с порядковым номером, равным нулю. В подкрепление выдвигаемой точки зрения ссылались на менделеевские элементы X и Y. Один из химиков даже советовал назвать нейтрон «менделеевием».

Включить электрон в систему элементов химики пробовали еще ранее.

Отдельные ученые пытались ввести представление о циклах или сдвоенных периодах. Известно, что в системе элементов периоды по 8, 18 и 32 элемента повторяются дважды. Исключением является единственный (первый), состоящий из двух элементов. С введением нулевого периода нарушенная его отсутствием стройность системы восстанавливалась. Такая система хорошо подчиняется формуле: Z = 2(n₁² + n₂²), где n₁ — номер нечетного, а n₂ — четного ряда системы, a Z — число элементов в любом периоде.

Из каких же элементов состоит нулевой период? Ими оказываются электрон и нейтрон. Совершенно очевидно, что ни тот, ни другой не подходят под определение элемента. Ведь в нейтральном состоянии каждый из атомов какого-либо элемента имеет ядро и оболочку, состоящую из электронов. В периодической системе элементов как раз и выражается закономерное усложнение электронной оболочки с увеличением заряда ядра. При отсутствии этой совокупности (ядра и оболочки) мы переходим к качественно новому виду частиц материи. Действительно, ядра атомов и изотопов образуют свою систему, элементарные частицы — свою и т. д.

В стремлении включить в систему элементов нулевой период сказалось желание наглядно представить все ту же идею единства материи, взаимосвязь различных частиц материи. Ведь электрон, нейтрон, протон и гелий (их иногда называют «праэлементами») являются как бы составной частью всех элементов. В последнее время развитие этого вопроса привело к тому, что на страницах научных журналов стали появляться публикации «периодических систем элементов и антиэлементов». Под последними понимаются материальные образования, состоящие из позитронов (которые являются антиэлектронами: электрон — e^–, позитрон — e⁺) и антиядер, составленных, в свою очередь, из антипротонов и антинейтронов, которые тоже теперь открыты.

Химики же в своей работе используют пока обычную «классическую» систему элементов, начинающуюся с водорода — первого химического элемента.

Теперь о верхней границе

Было время — и тянулось оно, надо сказать, весьма долго, — когда таблицу элементов замыкал элемент уран. За ним начиналось Неизвестное. Беспокойная мысль ученых не могла ответить на вопрос, почему в природе не обнаружены элементы тяжелее урана. Может, они невообразимо редки, может, не существует вообще, — недаром же Менделеев завещал грядущим поколениям ученых особое внимание обратить на уран. «От последнего в списке элементов можно ожидать всяких сюрпризов», — говорил великий ученый. Это предвидение начало сбываться уже при его жизни. Ведь именно с ураном оказалось связанным открытие явления радиоактивности.

Элементы конца периодической системы неустойчивы — к такому выводу пришли ученые в начале XX века. Простая логика подсказывала, что трансурановые элементы обладали, по-видимому, невысокими периодами полураспада и потому не сохранились до нашего времени. Вот почему менделеевская система обрывается на уране. Но это было лишь качественное объяснение.

Чтобы дать отсутствию трансурановых элементов в природе более строгое научное объяснение, нам придется сделать некоторое отступление.

Все элементы конца таблицы Менделеева, начиная с полония, радиоактивны. Но лишь уран и торий сохранились и по сей день с той поры, как образовалась солнечная система. Существующие в природе их изотопы (торий-232, уран-235, уран-238) имеют периоды полураспада, превышающие возраст Земли, равный 5 миллиардам лет. Остальные же радиоактивные элементы — полоний, радий, актиний и другие — гораздо менее долговечны. Те их количества, которые мы сейчас обнаруживаем в земной коре, представляют собой продукты распада долго живущих изотопов урана и тория. Они являются вторичными элементами. Супруги Кюри выделили из иоахимстальской руды вторичные радий и полоний, Дебьерн открыл вторичный актиний.

Чему же обязаны уран и торий своей сравнительно огромной долговечностью? Казалось бы, чем дальше расположен элемент в периодической системе, тем он неустойчивее. А на деле периоды полураспада изотопов урана и тория превосходят периоды полураспада всех прочих изотопов радиоактивных элементов в миллионы и десятки миллионов раз.

Ответ дадут нам некоторые закономерности ядерной физики.

46 радиоизотопов входят в ряды радиоактивных превращений урана-238, урана-235 и тория-232; 34 из них являются альфа-активными.

Испускание ядер гелия — главный вид распада у тяжелых элементов, и именно у них альфа-распад проявляется весьма энергично. Для каждого альфа-активного изотопа характерна своя величина энергии распада. Чем выше эта энергия, тем менее долговечен изотоп, тем меньше период его полураспада.

Физики измеряют эту энергию в специальных единицах — электроновольтах. Так, у астата-213 эта энергия составляет 9,2 миллиона электроновольт (Мэе), а у тория-232 — 4,05 Мэе. Первый погибает, не успев родиться, живет сотые доли секунды; второй теряет половину атомов за астрономически большой срок — 10 миллиардов лет. Как будто противоречие: более легкий элемент оказывается куда менее устойчивым, чем более тяжелый. Парадокс. Но физика, и особенно ядерная, гораздо богаче парадоксами, чем какая-нибудь другая наука.

И вот как он решается. Изучая атомное ядро, ученые пришли к выводу, что в ядрах имеются особые протонные и нейтронные оболочки. Восьмиэлектронные оболочки инертных газов