Заглянем в будущее

Заглянем в будущее

Пустых мест в менделеевской таблице боль­ше нет. Все они уже заполнены. Все элементы открыты. Уже создано немало новых, каких никогда на Земле не бывало. Так, может быть, все уже сделано? Может быть, могучая идея Д. И. Менделеева, многие десятки лет руко­водившая развитием химии, завершила все, что она могла дать, и для нее остается только почетная роль повседневной помощни­цы химиков в их будничной работе? Может быть, принцип периодичности, на котором основана естественная система химических элементов, ограничен только электронной оболочкой ато­мов? Нет, это неверно.

Когда великий ученый начинал свою работу над естественной системой химических элемен­тов, из 92 известны были 63, а о существовании многих других вообще никто не подозревал. Сколько же элементов мы знаем теперь? Сколько изотопов известно для каждого эле­мента? Сколько различных атомных ядер су­ществует в природе? Сколько новых создано человеком?

Мы теперь уже знаем сто четыре элемента. Есть основания думать, что скоро будут откры­ты элементы 105 и 106. Нет ни одного элемента, у которого был бы только один изотоп. Одни эле­менты состоят из доброго десятка различных видов атома, у других их меньше. Есть много элементов, у которых вообще нет устойчивых изотопов, но нет ни одного элемента, у которого не было бы радиоактивных изотопов.

Всего теперь (1965 г.) уже известно около 1600 различных атомных ядер для 104 элементов.

Сколько же из них создала природа и сколь­ко создано человеком? Такое сопоставление приводит к неожиданному и удивительному результату.

В природе найдено для восьмидесяти девяти элементов только около 325 различных изотопов. Совсем еще недавно считалось, что в природе очень мало неустойчивых радиоактивных изо­топов.

Было установлено, что семнадцать радиоак­тивных изотопов принадлежат ряду урана, в ряде распада тория их одиннадцать, в цепочке распада урана-235 найдено четырнадцать изото­пов. Кроме них, в природе были обнаружены радиоактивные «одиночки»: калий-40, руби-дий-87 и несколько других.

Было установлено также, что в природе, на границе с космосом, образуются непрерывно и непрерывно исчезают углерод-14 и изотоп водорода — тритий.

Вот и все. Все остальные природные изото­пы — более 275 — считались устойчивыми.

Но за последние годы развитие измеритель­ной техники привело к неожиданным резуль­татам. Многие из тех изотопов, которые безус­ловно считались стабильными, вечными, оказа­лись в действительности тоже неустойчивыми, радиоактивными. Таких уже найдено свыше пятидесяти.

Среди них есть и поистине удивительные: например, висмут-209 с измеренным периодом полураспада более 2•10¹⁸ лет (!) или кальций-48, живущий свыше 1•10¹⁸ лет, или изотоп свинца-204, распадающийся наполовину за 1,4•10¹⁸ лет. По сравнению с такими «мафусаилами», продолжительность жизни которых во много раз превышает возраст самого земного шара, такие изотопы, как железо-58, цинк-64, платина-192 (живут «всего лишь» около 10¹⁵ лет), можно, пожалуй, назвать «короткоживущими» (!).

С точки зрения науки наших дней трудно уже разграничивать стабильные и нестабиль­ные виды атомных ядер. Несомненно, по мере роста точности и чувствительности измерений будут обнаруживаться все новые и новые, еще более долгоживущие, но, бесспорно, неустойчи­вые радиоактивные изотопы. И становится оп­равданным предположение, что, может быть, вообще не могут существовать абсолютно устой­чивые, вечные атомные ядра. Всякое вещество всегда изменчиво.

Итак, в природе немногим более 300 раз­личных ядер. Но только за три десятилетия, истекшие с той поры, как были найдены пути к созданию новых радиоактивных элементов, человек уже сумел получить свыше 1200 новых радиоактивных ядер для всех без исключения элементов.

Будут ли установлены когда-нибудь какие-либо общие закономерности в тех свойствах вещества, которые зависят только от атомного ядра? Это очень большой и принципиально важ­ный вопрос. От ответа на него зависит в буду­щем и познание природы человеком. Ответ на него — это путь к познанию строения атомного ядра, сегодня во многом еще недоступного. Но мы уже можем сказать, что это будет сделано.

И начало будущего ответа на этот важнейший вопрос, который решит наука будущего, наме­чается в периодической таблице атомных ядер.

Посмотрите внимательно на начальную часть таблицы у стр. 337 которую можно назвать про­образом периодической таблицы атомных ядер. Это по существу та же периодическая таблица Менделеева, но в каждой клетке ее приведены все атомные ядра, известные для того или иного элемента. В нее включены все изотопы всех известных в наши дни элементов — как при­родные, так и искусственные. Целиком напе­чатать ее здесь нельзя: она слишком громозд­ка. Здесь изображено только ее начало — от водорода до скандия.

Обратите внимание на проходящую посере­дине таблицы толстую черную линию. Зубча­той чертой она соединяет устойчивые изотопы смежных элементов. Присмотритесь: все ядра, расположенные под этой чертой, помечены крас­ным, а над ней они обозначены синим цветом. Эта черта разделяет позитронную и электронную β-неустойчивостя атомных ядер.

Очень много замечательно интересных дан­ных содержит таблица атомных ядер, но еще больше она таит в себе. Даже представить себе трудно, сколько тайн будет открыто и какими необъятными возможностями эта таблица по­может овладеть науке!

В таблице атомных ядер четко выражена одна замечательная закономерность, сразу бро­сающаяся в глаза. Присмотритесь к таблице внимательно, и вы сами заметите различие между четными и нечетными элементами. У каждого нечетного элемента, начиная со фтора, только один (иногда два) устойчивый изотоп, а у всех четных — по нескольку устойчивых изотопов. Например, у фтора — девятого эле­мента — один нерадиоактивный изотоп, но зато у его соседей с обеих сторон (у восьмого — кис­лорода и десятого — неона) их по три. Эта за­гадочная закономерность может быть прослеже­на по всей таблице для всех элементов.

В качестве примера можно выбрать уже зна­комую нам триаду: железо — кобальт — ни­кель. Для четного железа известны четыре устойчивых изотопа, для четного никеля — пять, а для нечетного кобальта — только один.

Очевидно, что с закономерностью чередова­ния устойчивости четных и нечетных ядер свя­зана и замечательная закономерность распро­страненности четных и нечетных элементов в земной коре и во всем мироздании.

Но не надо думать, что этим и ограничивает­ся периодическая закономерность, проявляющаяся в таблице атомных ядер. Систематическое изучение свойств огромного числа стабильных и радиоактивных ядер всех природных и искус­ственных изотопов приводит к очень важному выводу, что в атомном ядре существуют энерге­тические уровни, подобно тому как существуют энергетические уровни во внешних электрон­ных оболочках атомов.

Сопоставление самых разнообразных свойств изотопов, зависящих от атомного ядра, с чис­лом нейтронов или протонов, входящих в его состав, приводит к выводу, что в ядрах суще­ствуют нейтронные и протонные оболочки, что в строении атомных ядер существуют периоды так же, как существуют периоды в строении атомных оболочек. И если электронные оболоч­ки становятся особенно устойчивыми, когда они содержат 2 (гелий), 10 (неон), 18 (аргон), 36 (криптон), 54 (ксенон) и 86 (радон) электро­нов, то внутриядерные нейтронные и протон­ные оболочки становятся наиболее устойчивыми, когда в атомных ядрах содержится 2, 8, 20, 50, 82 и 126 нуклонов (протонов или нейтронов). Эти удивительные числа — они недаром полу­чили название магических чисел — определя­ют устойчивость атомных ядер и особую перио­дичность в изменении их физических свойств.

Изотопы с магическими числами протонов пли нейтронов обладают особенно высокой рас­пространенностью в природе, элементы с маги­ческим числом протонов обладают особенно боль­шим числом стабильных изотопов. Магические ядра наиболее устойчивы по отношению к захвату нейтронов при ядерных реакциях, они наиболее прочны, подобно тому, как наиболее прочны атомы благородных газов.

Все четыре цепочки радиоактивного рас­пада урана, актиния, тория и нептуния закан­чиваются на магических ядрах: ₈₂Pb²⁰⁶, ₈₂Pb²⁰⁷       ₈₂Pb²⁰⁸, ₈₃Bi²⁰⁹.

С первого взгляда может показаться, что закономерность чередования четных и нечет­ных элементов нарушена у хлора (17), арго­на (18) и калия (19). Но это — результат про­явления «магических» свойств числа 20. Все ядра с двадцатью нейтронами устойчивы. Двад­цать протонов в ядре Са обеспечивают устойчи­вость шести изотопам.

Изучение таких свойств у атомных ядер, как магнитные свойства, абсолютная распро­страненность, дефект массы ядра, энергия связи, радиоактивность, показывает, что в них наблюдаются периодические измене­ния, периоды которых обусловлены нали­чием в некоторых ядрах магического числа протонов или нейтронов. На этих устойчивых ядрах заканчиваются периоды в таблице атом­ных ядер, аналогично тому как в таблице хими­ческих элементов периоды заканчиваются на устойчивых атомах благородных газов. На на­чальном участке таблицы атомных ядер наме­чены три первых магических числа: 2, 8 и 20.

Рано еще говорить, что уже существует периодическая система атомных ядер, но вели­кий закон Менделеева о периодической зако­номерности в свойствах химических элементов явно оказывается справедливым не только для внешней электронной оболочки атома, но и для атомного ядра, так недавно еще недоступного исследователю. Это указывает на то, что возмож­ности, заключенные в периодическом законе, неисчерпаемы.

Можно быть уверенным, что в ближайшие годы будет создана периодическая система атомных ядер, будут вскрыты глубокие зако­номерности, связывающие свойства ядра с его количественными характеристиками и с его строением.

Сегодня периодическая таблица элементов служит химикам могучим оружием в борьбе за создание новых химических веществ с заранее заданными свойствами, нужными человеку. Подобно этому периодическая система атом­ных ядер для химика будущего станет первой ступенью на пути к осуществлению направ­ленного синтеза новых элементов с невидан­ными свойствами — тех, которые будут необхо­димы человеку будущего.

Глубоко проникла наука в тайны строения вещества. Человек знает, как построен атом и что происходит в звездах. Одним из наиболее общих законов познанного стал периодический закон химических элементов. Но мир неисчер­паем. И снова наука стоит у порога неведо­мого. Перед человеком открывается новая беспредельность неизвестного. Новые великие законы должны быть и будут познаны.

Творческий, тяжелый и благодарный труд исследователя, горечь ошибок, радость откры­тия и неисчерпаемые возможности овладеть но­выми, неведомыми, могучими силами природы достаются на вашу долю, читатели Детской энциклопедии. Будьте к этому готовы.