Как радиоактивные элементы нашли свои места в таблице Менделеева

Как радиоактивные элементы нашли свои места в таблице Менделеева

Развитие науки поставило периодический закон перед новым, еще более суровым испыта­нием, чем те, из которых он уже с честью вышел.

Это было в конце прошлого — начале нашего века. Во Франции два скромных ученых — супруги Пьер и Мария Кюри — заинтере­совались странным явлением, которое открыл другой ученый — Беккерель. Они решили вы­яснить, почему минералы и руды, содержащие уран, испускают загадочные невидимые лучи, способные проникать через непрозрачные тела и действовать на фотографическую пластинку. Очень скоро они обнаружили, что в природе существуют такие минералы, в которых урана мало, а на пластинку эти минералы действуют гораздо сильнее, чем чистый уран. Супруги Кюри предприняли кропотливые, занявшие долгие годы их жизни поиски новых неведомых элементов — носителей радиоактивного излуче­ния (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть хими­ческих элементов»).

Первым был открыт полоний, вслед за ним — радий. Это были новые элементы, их наука еще не знала. Радиоактивность этих элементов бы­ла в тысячи раз сильнее, чем у урана. Чудесные свойства резко отличали их от всех известных ранее элементов.

Довольно быстро, как только были изучены химические свойства новых элементов, они нашли свои места в периодической системе. Оказалось, что оба элемента — и полоний, и радий — также когда-то были предсказаны Мен­делеевым. Радий — это был экабарий, он занял 88-ю клетку в периодической системе, полоний — 84-ю. Его Менделеев называл экателлуром. Зна­чит, место для них было, и казалось, что все бла­гополучно. Но когда были изучены подробно свойства новых радиоактивных элементов, обнаружились совершенно неожиданные для науки явления.

Самым важным было то, что с открытием ра­диоактивных элементов рухнули привычные и, казалось, незыблемые представления о вечности и неизменности каждого элемента. Новые эле­менты были непостоянными, они рождались и ис­чезали, превращаясь в другие элементы. Одни из них исчезали в течение миллионных долей секунды, другие жили тысячи лет. Их свойство испускать невидимые лучи свидетельствовало о распаде атомов.

Было найдено, что радий — далекий пото­мок урана. Сам радий превращается в радио­активный газ радон. И при каждом превращении радиоактивный атом обязательно испускает либо заряженные ядра атомов гелия (α-частицы), либо электроны (β^--частицы). Вскоре физики нашли более тридцати радиоактивных элементов.

Сколько потомков действительно оказалось у урана, вы можете сами подсчитать на вкладке к статье «Рождение, жизнь и смерть химиче­ских элементов» между страницами 288—289.

Не меньше потомков было найдено и у эле­мента тория, который также оказался радиоак­тивным. И почти столько же — в ряде актиния.

Перед наукой снова встал трудный и прин­ципиально важный вопрос: где и как найти ме­ста в периодической системе для всех этих новых многочисленных элементов? Их было гораздо больше, чем оставалось свободных клеток в таб­лице. Эту задачу пришлось науке решать уже без участия Менделеева. Он не дожил до по­следнего, самого трудного испытания его вели­кой идеи.

Химики занялись определением химических свойств новых радиоактивных элементов. Это была трудная задача. Ведь среди этих элементов были такие, которые «жили» ничтожные доли секунды. Разгадка была найдена, когда радио­активные элементы были настолько изучены, что стало возможным сопоставить природу лу­чей, испускаемых элементом, с его химической природой и с природой того нового элемента, который из него образуется при радиоактивном превращении. Но разгадать все это удалось опять-таки с помощью периодической системы Менделеева.

Изучая свойства урана-Х₁ — ближайшего потомка урана, его «сына», химики скоро убе­дились, что химическими свойствами он неот­личим от давно известного тория. Но все же это не был знакомый химикам торий. Торий — обычный элемент, его радиоактивность так сла­ба, что ее трудно обнаружить. А уран-Х₁ силь­но радиоактивен, быстро распадается, через 24 дня от него остается только половина того ко­личества, которое было раньше.

В общем это новый элемент. Но все же хими­чески это торий. Если уран-X₁ смешать с тори­ем, никакими химическими реакциями их разде­лить невозможно.

Уран превращается в уран-Х₁, испуская α-лучи (рис. 1). На каждый распавшийся атом урана из его ядра вылетает α-частица и уносит два положительных заряда. Уран занимает 92-е место в таблице, в седьмом периоде. А где должен быть его первый потомок, ypaн-X₁? Менделеев поместил торий в 90-ю клетку своей системы. А уран-X₁ неотличим от тория. После долгих и трудных поисков и колебаний при­шлось признать, что место для урана-X₁— в клетке, где находится торий; α-частица уносит из ядра атома два положительных заряда, и при этом образуется новый атом, занимающий в периодической таблице место с номером, на две единицы меньшим.

Проследим теперь, что дальше происходит с ураном-Х₁ при его распаде (рис. 2).

Он испытывает β^--превращение, образуя новое радиоактив­ное вещество, которое было обозначено как уран-Х₂, еще быстрее исчезающее. Оказалось, что по химическим свойствам уран-Х₂ должен быть помещен в 91-ю клетку.

Но потеря одного отрицательного заряда ядром атома равноценна приобретению одною положительного заряда. В результате получи­лось, что при увеличении положительного заря­да ядра элемента на единицу образуется новый элемент, занимающий в периодической системе клетку, номер которой на единицу больше. В свою очередь уран-Х₂ снова теряет β^--частицу (рис. 3) и превращается в уран-II, который со­вершенно неотличим от своего «прадеда» — обыч­ного урана — и должен быть помещен в одной клетке с ним, т. е. занять 92-е место в таблице. И всегда увеличение в ядре положительного заряда на единицу (потеря одного отрицатель­ного электрона) приводит к такому изменению химических свойств, которое соответствует увеличению порядкового номера элемента на единицу.

Этот закон, управляющий путешествием атом­ного ядра по менделеевской таблице при радио­активном распаде, получил в науке название «правило сдвига».

Изучая радиоактивные элементы, химики столкнулись с новым, невозможным и немысли­мым с точки зрения старой химии, фактом. Посмотрите сами, что получилось. Атомный вес урана-238. Каждый атом его на пути радиоактивного превращения до урана-II теряет последовательно одну α-частицу (т. е. ядро атома гелия, атомный вес которого 4) и две β^--частицы (это легкие, с ничтожной массой электроны). В результате заряд ядра атома радиоактивного урана-II оказывается таким же, как у обычного урана. И своими хими­ческими свойствами он от обычного урана не­отличим.

Но атомный вес становится, конечно, совер­шенно другим. Каждая вылетающая α-частица уменьшает атомный вес на четыре единицы, а при β-превращениях он остается таким же.

Изменение атомного веса урана:

В одной и той же клетке, где, как считал Мен­делеев, должен быть только один элемент со своим, присущим только ему атомным весом, теперь оказались два разных вещества, с раз­ными физическими признаками и, самое глав­ное, хотя и с разными атомными весами, но с одинаковыми химическими свойствами. Оказа­лось, что один и тот же элемент может обла­дать различным атомным весом.

Но этого мало. Был получен еще более уди­вительный результат: при β-распаде атомный вес не меняется, а химическая природа элемен­та меняется очень резко.

Уран-X₁ по химическим свойствам — это торий, а уран-Х₂ химически неотличим от элемента протактиния (Ра); следовательно, у разных элементов может быть одинаковый атомный вес.

Что же в конце концов получилось? Как основной признак элемента Менделеев принял атомный вес. Но в ряде радиоактивного рас­пада урана конечный продукт — радий-G, его атомный вес 206. Этот элемент уже неактивен, а химически неотличим от свинца.

При распаде тория, в конце концов, обра­зуется тоже неактивный торий-D, его атомный вес 208. По химическим свойствам это тоже свинец.

Ряд распада актиния обрывается на неактив­ном продукте — актинии-D, его атомный вес 207, а химически он опять-таки свинец.

Но мало этого, в этих рядах есть еще радио­активные промежуточные продукты распада: радий-В с атомным весом 214, радий-D с атом­ным весом 210, торий-В, атомный вес которого 212, и актиний-В с атомным весом 211.

И все эти радиоактивные элементы, все до одного, абсолютно сходны со свинцом, и все они обладают разными атомными весами.

Но ведь в каждой клетке может быть только один элемент с его собственным атомным весом! В клетке 82 может быть свинец с атомным весом 207,18. Изучая радиоактивные элементы, уче­ные нашли еще семь веществ с атомными весами 214, 212, 211, 210, 208, 207, 206 и химически­ми свойствами свинца.

Наука оказалась в очень большом затруд­нении. Как же их разместить в периодической таблице? Их нельзя считать разными элемен­тами, все они — свинец, но считать одним эле­ментом, одной разновидностью атомов тоже нельзя — у них разные атомные веса.

В конце концов, стало ясно, что все они должны занимать одно место в таблице Менделее­ва. Именно поэтому их так и называют — «изо­топы» (от греческих слов: «равный» и «место»).

Кроме того, оставалось необъяснимой зага­дочная непоследовательность в ходе изменения величины атомного веса у пар элементов аргон— калий, кобальт — никель, теллур — йод. Сам Менделеев был вынужден расположить их в таблице, нарушив порядок увеличения их атомных весов: аргон был «тяжелее» калия, ко­бальт — никеля, теллур — йода.

Это испытание для периодического закона было очень тяжелым. Оно поставило под сомне­ние основу периодической системы. Стало совер­шенно ясно, что атомный вес не может служить величиной, которая определяет химические свойства элемента. И наука снова встала перед большой задачей.