Если теория объясняет — делает ясным то, что долго было непонятным и загадочным, это, конечно, ее несомненное достоинство. Впрочем, пожалуй, иначе ее и нельзя было бы назвать теорией. Но главное, на чем испытывается истинность теоретических представлений, — это способность теории предвидеть, предсказывать неизвестное.
Величайшим историческим примером этого должна быть, конечно, признана сама теория о существовании периодичности свойств химических элементов. В ней, как в зародыше, были заложены все великие открытия науки о веществе и его строении, достигнутые человечеством за последующее столетие.
Одним из больших достижений физики может быть названа и теория строения атома и его электронных оболочек. Созданная на основе менделеевской таблицы, эта теория сделала ясным очень многое из загадочного и непонятного в свойствах вещества. Но этого мало. Истинность наших теоретических представлений о строении атома наиболее полно раскрывается в том, что на их основе ученым удалось предсказать многое, чего наука еще не знала. В качестве примера можно указать на очень интересную историю элемента № 72.
Ни из периодического закона, ни из теории строения атома не следует, что элементы нулевой группы — благородные газы, эти химические «ленивцы»,— вообще не способны вступать в реакции химического взаимодействия с другими элементами. Теория только указывает на исключительную прочность внешних электронных оболочек у этих «безразличных ко всему на свете» элементов: гелия, неона, аргона, криптона, Ксенона и радона. Из теории вытекает лишь их высокая химическая инертность.
Это полностью соответствует их свойствам. В обычных условиях они ни с чем не соединяются. В природе они находятся в свободном состоянии. Они даже не способны образовать свою собственную молекулу. Все это одноатомные газы. Их нормальное состояние — нулевая валентность.
Когда в 1900 г. Д. И. Менделеев и У. Рамзай встретились в Лондоне, оба ученых пришли к убеждению, что к периодической системе нужно для этих бездеятельных элементов добавить еще одну, «нулевую» группу. Такое положение в менделеевской таблице для этих элементов до сих пор общепринято. Оно хорошо характеризует их свойства.
Однако химики никогда не теряли надежду преодолеть химическую «лень» благородных газов и заставить их вступать в химические превращения. Это оказалось чрезвычайно трудной задачей. Решение ее потребовало более 60 лет напряженной самоотверженной работы.
Наверное, у многих из читателей этой статьи при знакомстве с разделом, посвященным строению электронной оболочки атома, уже возникло совершенно законное недоумение. Ведь все, что было рассказано о законах квантовых чисел, управляющих постройкой атомов, все это — результат приложения квантовой механики к изучению спектров различных элементов. В этом разделе не говорилось ни о химических свойствах, ни о законе периодичности. Так какое же отношение имеют эти удивительные сочетания простых чисел, объяснившие сложность и запутанность спектральных линий, к химии, к великому периодическому закону?
В природе существует глубокая внутренняя связь даже самых несходных и далеких явлений и процессов. Свет и химия не лежат в ней на разных полках. Оба эти глубоко различные начала тесно связаны. Исследования спектров помогли выяснить строение атома, а знание структуры электронной внешней оболочки помогло понять причину периодичности в изменении свойств химических элементов. Эта причина заложена в периодичности строения электронных оболочек атомов. От этого и зависят все химические свойства элементов.
Если бы мы захотели вскипятить чайник, зажигая под ним спички одну за другой, то напрасно потеряли бы время; точно с таким результатом можно облучать небольшой кусок урана нейтронами: будет происходить большое количество делений, но кусок урана не только но взорвется, а даже не нагреется. Ведь для выделения тепловой мощности всего в один ватт в уране должно происходить ни много ни мало 3,1•1010 делений в секунду!
Чтобы получить в атомном реакторе от реакции деления большое и постоянное количество тепла, нужно, чтобы уран все время облучался очень мощным потоком нейтронов. Эти нейтроны могут быть только вторичными, возникшими при делении урана, потому что у нас нет других таких мощных нейтронных источников. Значит, одно «поколение» нейтронов, сменяя другое, должно быть количественно равным ему. При делении возникает в 2,5 раза больше нейтронов, чем расходуется. Чтобы следующее поколение нейтронов было таким же, как предыдущее, нужно, чтобы из всех возникших вторичных нейтронов ровно столько же израсходовалось на деление ядер урана, а избыток — на другие процессы.
Проследим за короткой жизнью нейтронов в атомном реакторе.
Нейтроны, рождающиеся при делении урана, называются быстрыми нейтронами. Их энергия равна приблизительно миллиону электрон-вольт, а скорость — 14 000 км/сек. Быстрые нейтроны не очень активно делят уран-235. Чтобы вызвать деление, быстрый нейтрон должен пролететь в куске урана-235 в среднем 8 см. В природном уране, до того как быстрому нейтрону удастся разделить ядро урана-235, он должен пролететь 11,5 м! На самом же деле нейтрон не может пролететь такое расстояние; он гораздо раньше поглощается ядрами урана-238. Поэтому в сплошной массе естественного урана быстрые нейтроны, рождающиеся при делении, не могут вызвать цепную реакцию.
Звезды — не мертвые тела. Они живут и в своем развитии проходят разные стадии — стадии эволюции, как говорят астрофизики. На первой стадии в ядре звезды протекает термоядерная реакция «сгорания» водорода в гелий. Этот процесс тянется миллион лет. Постепенно «запасы» водорода в центре звезды сходят на нет, зато гелия становится все больше и больше. Состав ядра и состав оболочки звезды становятся различными.
И тут звезда изменяет свое доселе спокойное поведение. Ее оболочка начинает расширяться, а ядро, напротив, сжимается. Сжатие повышает температуру, и она достигает в центре звезды 150 млн. градусов.
Теперь синтез химических элементов может перескочить гелиевый «барьер». Ядра гелия начинают сливаться друг с другом, и включается механизм так называемого альфа-синтеза. К образующимся ядрам присоединяются новые -частицы. Сначала три -частицы сливаются в ядро углерода-12. Дальнейшую цепочку синтеза мы в терминах ядерной физики можем записать так:
С12 (, ) О16 (, ) Ne20 (, ) Mg24,
где означает испускание гамма-лучей.
Мы оборвали эту цепочку на магнии не случайно. Тут -синтез прекращается, потому что 150 млн. градусов не хватает для образования последующих элементов.
Но ведь до технеция -синтез так и не дошел. У магния порядковый номер 12, у технеция — 43. Разница между ними равна 31. Еще тридцать один элемент каким-то путем должен был образоваться, чтобы технеций мог салютовать земным ученым с далеких звездных миров...
Быть может, звезда за счет чего-то получает дополнительный подогрев? Однако за счет чего именно? Ведь теперь речь идет о температурах уже в миллиарды градусов.
Элемент технеций ученые сначала синтезировали в 1937 г. искусственно. Только в 1961 г. его следы обнаружились в земных минералах. Но уже в 1950 г. технеций подал весть о своем существовании с ослепительной поверхности Солнца. Его следы обнаружила в солнечном спектре Шарлотта Мур — американский астрофизик. Затем присутствие технеция в некоторых звездах доказал англичанин Меррил. Это событие бросило новый свет на проблему происхождения химических элементов.
Звезды живут миллиарды лет. Период полураспада самого долгоживущего изотопа — технеция — около 2 млн. лет. «Солнечные» условия не способны продлить его жизнь. Ведь на радиоактивный распад не влияют самые высокие температуры. Сопоставление этих двух фактов рождает загадку. Откуда берется технеций на Солнце и в звездах? Почему он существует сейчас, если уже давным-давно должен был распасться?Вывод может быть только один: и поныне технеций непрерывно образуется на Солнце и в звездах. А раз так, то должны существовать в звездах такие условия, которые благоприятны для синтеза элементов тяжелее гелия.
Какие бы удобства ни представляла протонно-нейтронная модель ядра, она все-таки лишь схема, которая более или менее удачно объясняет факты, накопленные ядерной физикой. Физики, в конце концов, пришли к весьма неожиданному выводу. «Чистых» протонов и нейтронов в ядре нет. Есть некое ядерное вещество. Отдельные «кусочки» этого ядерного вещества — нуклоны — могут существовать в двух состояниях: иметь положительный заряд или вообще не иметь заряда. Эти два состояния могут превращаться друг в друга. Внешне такое превращение выглядит как превращение нейтрона в протон или наоборот. И объяснять природу ядерных сил теперь пытаются, рассматривая обмен мезонами между двумя нуклонами.
В последние годы ученые решили выяснить, как устроен нуклон. Для этого потребовались весьма тонкие и сложные эксперименты, весь арсенал знаний, накопленных ядерной физикой. Им удалось определить размер нуклона, его радиус. Радиус ядра был известен физикам уже давно. Он равен в среднем 1,35•10-13 см (для сравнения укажем, что радиус простейшего атома — атома водорода — 10-8 см). Плотность ядерного вещества чудовищно велика — около 2•1014 г/см3, т. е. примерно 200 млн. т в одном кубическом сантиметре. Если бы из вещества подобной плотности удалось изготовить шар радиусом в 200 м, он весил бы столько, сколько планета Земля.
Ученые представляют себе строение нуклона так. В центре его находится своеобразное ядрышко — «керн». Его радиус примерно равен 0,3•10-13 см. Керн окружен «облаком», состоящим из мезонов. Что представляет собой керн, пока еще неизвестно. Мы знаем о нем еще меньше, чем о строении ядра Земли.
Мария и Пьер Кюри разделили лучи, открытые Беккерелем, на три пучка: альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. До сих пор мы говорили только о первых двух пучках. Гамма-лучи также играют большую роль во многих видах радиоактивного распада. У этих лучей много общего с лучами Рентгена. И те и другие представляют собой электромагнитные излучения. Только длина волны у гамма-лучей значительно короче. В природе вообще нет волн более коротких, чем гамма-лучи.
Рентгеновские лучи возникают в атоме в результате перехода электронов с одной оболочки на другую, более глубокую. Энергия, выделяющаяся в этом процессе, проявляется внешне в виде рентгеновского излучения. У гамма-лучей уже не электронная, а ядерная природа. Атомное ядро, приобретя некоторый избыток энергии, приходит в возбужденное состояние. Оно стремится избавиться от излишней энергии и перейти в обычное (невозбужденное) состояние. Когда же такой переход происходит, выделяется гамма-квант, рождаются гамма-лучи. Квант — это определенное, наименьшее из возможных, количество энергии.
То, о чем сейчас пойдет речь, быть может, вам покажется весьма фантастическим. Возможен ли управляемый радиоактивный распад? Ученые воздерживаются пока от каких-либо конкретных гипотез в этой области.
Но здесь нелишне вспомнить любопытный исторический парадокс. Всего за несколько лет до того, как был пущен первый ядерный реактор, такие великие умы человечества, как Эйнштейн и Резерфорд, скептически относились к возможности практического применения ядерной энергии.
Бесчисленные эксперименты убеждали: человек не властен по своему усмотрению изменить ритм атомных «часов», он не может ни замедлить, ни ускорить радиоактивный распад. Ученые подвергли радиоактивные вещества действию солнечного жара и космического холода, сильнейших электрических и магнитных полей, использовали глубокий вакуум и давление в сотни тысяч атмосфер — периоды полураспада радиоактивных изотопов не изменялись.
Но есть среди процессов радиоактивных превращений уже знакомый нам орбитальный захват. В этом процессе участвуют электроны с внутренних оболочек. У изотопов какого-нибудь очень легкого элемента мало электронных оболочек, и все они фактически внешние. Напомним, что химические свойства элементов как раз зависят от числа электронов и их расположения на внешних оболочках атомов. У элементов второго периода таблицы Менделеева валентные электроны, участвующие в химических связях, находятся во второй, т. е. в L-оболочке. В теории валентности существует понятие плотности валентных электронов. Они могут быть расположены, грубо говоря, гуще либо реже. Это зависит от того, входит данный элемент в состав какого-нибудь соединения или же он находится в свободном состоянии.
С помощью ядерных реакций было искусственно синтезировано около 60 радиоизотопов технеция, прометия, астата и франция и более 100 изотопов трансурановых элементов. Периоды их полураспада оказались ничтожно малыми по сравнению с возрастом Земли. Например, самый долговечный изотоп франция живет всего 21 минуту. А наиболее устойчивый — плутоний-244 — распадается наполовину за 76 млн. лет. Хотя все эти элементы — «вторичные», их земное существование можно считать вполне вероятным.
Изотопы астата и франция входят в радиоактивные семейства. Но по сравнению с другими вторичными элементами они в весьма невыгодном положении. Они располагаются на боковых ответвлениях главных «магистралей» радиоактивных превращений. Эти ответвления объясняются способностью некоторых атомов распадаться двумя различными способами.Скажем, актиний-227 в ряду урана-235 в основном способен испускать --частицы, электроны. Но он может выбрасывать и -частицу. Такое явление называют еще «радиоактивной вилкой». На «бета-зубце» этой «вилки» находится торий-227, а на «альфа-зубце» — как раз изотоп редчайшего франция. Так же «рождается» и астат. Поэтому вторичные астат и франций образуются в очень малых количествах, а так как у них и периоды полураспада ничтожно малы, то им не удается накапливаться в ощутимых количествах. Поэтому-то астат и франций — редчайшие элементы Земли. С помощью очень сложных расчетов ученые доказали, что в слое земной коры толщиной 1,6 км содержится лишь несколько граммов этих элементов.