В 30-х годах нашего столетия понятие «открытие элементов» сменилось другим: «искусственный синтез элементов». К этому времени в периодической системе пустовали клетки с № 43, 61, 85 и 87. Неясным оставался вопрос о существовании трансурановых элементов с порядковыми номерами 93 и далее. Большинство из всех этих элементов было искусственно синтезировано раньше, чем их удалось обнаружить в земных минералах.
Ученые располагали солидным арсеналом бомбардирующих снарядов: альфа-частицей, протоном, нейтроном, дейтроном (ядром тяжелого изотопа водорода — дейтерия). Недавно к ним прибавилась и такая крупнокалиберная «артиллерия», как ядра атомов легких элементов — бора, азота, кислорода, неона. Ученые получили чудесные установки — ускорители, которые позволяли разгонять атомные «снаряды» до очень высокой скорости. Это сильно облегчало им задачу пробиться к бомбардируемым ядрам.
Первым элементом, созданным человеком, был технеций. Так назвали 43-й элемент итальянские ученые К. Перрье и Э. Сегрэ (греческое слово «технетос» — по-русски «искусственный»). Они обстреляли молибденовую пластинку дейтронами (d), и в результате ядерной реакции 42Мо98 (d, n) 43Тс99 родился в январе 1937 г. изотоп первого искусственного элемента.
В 1940 г. ученые Корсон, Мак-Кензи и Сегрэ обстреляли быстрыми -частицами ядра висмута. Продуктом реакции оказался изотоп другого
искусственного элемента — астата (греческое слово «астатос» — по-русски «неустойчивый»); его порядковый номер 85. Потом наступила очередь прометия — 61-го элемента. С 1940 г. началась эпоха синтеза трансурановых элементов, и теперь нам известен уже изотоп лоуренсия — элемента с порядковым номером 103. А совсем недавно советские физики во главе с Г. Н. Флеровым синтезировали более 150 атомов изотопа 104-го элемента.
У ядер тяжелых элементов большой заряд. В опытах Резерфорда, которые привели к созданию ядерной модели, поток -частиц встречал на своем пути ядра золота — элемента из конца периодической системы. И электростатические силы отталкивания между положительным зарядом альфа-частиц и ядрами атомов золота были очень велики.
А если взять легкие элементы? Скажем, азот. У его ядра небольшой заряд. Силы, отталкивающие -частицу от такого ядра, были бы значительно меньше. Быть может, альфа-частице удалось бы проникнуть в ядро?
...В самом конце первой мировой войны Резерфорд однажды не явился на заседание Британского комитета борьбы с подводными лоднами. Когда его упрекнули в невнимании к своим обязанностям, он в весьма резкой форме ответил: «Я был занят экспериментами, из которых следует, что атом можно искусственно разделить. А такая перспектива значительно важнее, чем война!»
Великий ученый нисколько не преувеличивал. В июне 1919 г. он опубликовал результаты своих исследований. С тех пор начался в атомной науке новый этап — эпоха искусственного превращения элементов. В природных радиоактивных процессах элементы превращались друг в друга естественным образом. Человек оставался лишь свидетелем этого удивительного явления. Резерфорд же дал человеку возможность управлять превращением элементов.
Резерфорд обстреливал азот -частицами и в результате получил какие-то более легкие частицы. Он доказал, что эти частицы— ядра атомов водорода, протоны. Значит, протоны действительно входят в состав атомных ядер. Если протон покидает атомное ядро, то заряд ядра изменяется и рождается ядро нового элемента.
Радиоактивность — самопроизвольный распад атомов некоторых химических элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. Так отвечали ученые в начале XX столетия. Но их ответ рождал новый вопрос: а почему этот самопроизвольный распад происходит? Почему атомы у одних химических элементов устойчивы, а у других нет?
Одни исследователи полагали, что радиоактивный распад вызывается излучением, проникающим на Землю из мирового пространства,— чем-то вроде открытых в то время космических лучей. Атомы тяжелых элементов обладают способностью накапливать эту энергию. Они возбуждаются, и возбуждение становится причиной их радиоактивного распада. Но эта гипотеза не подтверждалась. Эксперименты убеждали, что никакие внешние условия не влияют на радиоактивный распад — не ускоряют и не замедляют его.
В 1906 г. ученым удалось сделать сенсационное открытие. Элементы калий и рубидий, расположенные очень далеко от «неустойчивого» конца таблицы Менделеева, обнаружили слабую -активность. Правда, периоды полураспада их радиоактивных изотопов равны тысячам миллиардов лет. Но важен сам факт: «тяжесть» атомов, видимо, ни при чем и радиоактивность не привилегия элементов, завершающих периодическую систему.
Тогда у ученых появилась догадка. Быть может, радиоактивность — это общее свойство всех атомов: все они в итоге обречены на взаимное превращение, на гибель. И только то, что большинство изотопов обладает огромными периодами полураспада, не дает нам заметить их радиоактивность.
Эту гипотезу пока нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть, но время работает на нее. Число природных радиоактивных изотопов тех элементов, для которых радиоактивность раньше трудно было и предположить, непрерывно растет.
Давайте немного пофантазируем. Представим себе нашу планету через... сто миллиардов лет. Конечно, никто не в силах предвидеть, что случится с Землей за этот громадный срок. Но допустим, что ничего из ряда вон выходящего не
случится. Можно в таком случае уверенно сказать, какой элемент из существующих в природе будет на Земле замыкать таблицу Менделеева?
Уран? Нет! Самым тяжелым элементом периодической системы окажется висмут с порядковым номером 83. А все радиоактивные элементы бесследно исчезнут, потому что у радиоактивных элементов и всех их изотопов вполне определенная продолжительность жизни.
Чтобы охарактеризовать долговечность того или иного радиоактивного изотопа, ученые ввели понятие «период полураспада». Это то время, за которое распадается половина любого количества радиоактивного изотопа. Величины периодов полураспада могут быть самыми различными.
Известны изотопы, которые теряют половину своих атомов за миллиардную долю секунды. Известно и потрясающее «долголетие», когда продолжительность жизни изотопа измеряется миллиардами миллиардов лет.
Сравнивая величины периодов полураспада у изотопов, входящих в радиоактивные семейства, можно сделать любопытное наблюдение: «отцы» семейств отличаются от своих «детей» поразительным долголетием. У тория-232 период полураспада равен 14 млрд. лет; у урана-238— примерно в три раза меньше. А уран-235 распадается значительно активнее — за 700 млн. лет он растрачивает половину своих атомов. По сравнению с этими громадными числами периоды полураспада у других изотопов, входящих в семейства, очень малы: секунды, минуты, дни, годы, в лучшем случае — десятки тысяч лет. Например, самый долгоживущий изотоп радия распадается наполовину всего за 1620 лет.
Наша планета существует, как считают ученые, более 6 млрд. лет. Если бы все радиоактивные элементы: полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, протактиний — все, кроме урана и тория, были бы, так сказать, предоставлены самим себе, у них не было бы никаких шансов уцелеть за этот громадный срок. И ученые терялись бы в догадках, куда девались семь элементов конца периодической системы. Время еще пощадило торий и уран, но и их количества заметно уменьшились с момента образования земного шара.
Радий, распадаясь, рождает «эманацию»* (радон). Ученые изучили продукты радиоактивного превращения тория и среди них нашли газ, который ничем не отличается от радона. Актиний тоже выделяет «эманацию», и она как две капли воды похожа на радон. Все эти три вида «эманации» различаются только весом их атомов. И, добавим, своими радиоактивными характеристиками.Уже не один, а целых три инертных газа претендовали на 86-ю клетку таблицы Менделеева.
За короткий срок ученые открыли более 30 самостоятельных радиоактивных веществ. Каждое из них предлагали считать за отдельный элемент.Например, три радиоактивных вещества (их назвали уран-икс, ионий и радиоторий) химически были совершенно неразличимы и не имели никаких отличительных черт по сравнению с обычным торием. На клетку 90 периодической
системы обрушилась неожиданная беда. Четыре элемента-близнеца предъявили на нее одинаковые права. Пришлось отказаться от старых представлений, что все атомы данного химического элемента однородны.
«Они неоднородны!— заявили ученые Фредерик Содди и Казимеж Фаянс в 1913 г.—У каждого радиоактивного элемента может быть несколько сортов атомов. У них одинаковый заряд, они обладают одними и теми же свойствами и отличаются друг от друга только величиной атомных весов».
Природа рентгеновских лучей проста: это электромагнитные колебания с малой длиной волны. Иное дело — природа радиоактивных излучений. Когда их подвергли действию электрического поля, они разделились на два потока, отклонявшихся в разные стороны. Это означало, что у одной их части положительный, а у другой — отрицательный электрический заряд. Их поместили в магнитное поле. И снова ученые обнаружили их неоднородность.Стало быть, радиоактивное излучение представляло собой поток частиц, притом с разными массами: одни — тяжелее, другие — легче. На страницах научных журналов появились новые термины: -излучение и -излучение; -частицы и -частицы.
Скоро был обнаружен третий компонент радиоактивного излучения.
Радиоактивность могла быть открыта раньше. Но ее значение ученые не поняли бы. Так, собственно, и случилось за 30 лет до работы Анри Беккереля.
В 1868 г. Парижская академия наук предоставила свою трибуну Ниепсу де Сен-Виктору.Скромный естествоиспытатель, занимавшийся изучением фотографических процессов, отнюдь не жаждал славы. Он без всяких претензий доложил высокому собранию свой мемуар «О новых действиях света». В нем он рассказывал, как различные виды света действуют на фотографическую пластинку.
Ниепс де Сен-Виктор проделал много опытов, в том числе и с фосфоресцирующими веществами. И среди этих веществ была двойная сернокислая соль урана и калия. Ее призрачное бледно-зеленое свечение заставляло темнеть пластинку, даже если пластинка была обернута в черную бумагу.
Ученые довольно равнодушно выслушали рассуждения Ниепса о некоем новом сорте световых лучей, которые проходят сквозь плотную бумагу. Сообщение исследователя было напечатано, пожалуй, лишь из соображений этики. Напечатано — и забыто!
Точно так же прошли незамеченными аналогичные опыты Арнодона, безвестного химика из Лиона.
А ведь этим неудачникам оставалось сделать полшага до открытия радиоактивности. Эпоха «лучевой лихорадки» еще не наступила. Она началась лишь после того, как Рентген обнаружил «Х-лучи». Открывать новые лучи с этой поры стало своеобразной модой. Дух времени в какой-то мере облегчил задачу Беккереля.
В ноябре 1895 г. немецкий физик Конрад Рентген открыл загадочные лучи, которые теперь весь мир называет рентгеновскими, или «Х-лучами». Исследователи пытались
определить, как и почему эти лучи испускаются. И в частности, они полагали, что рентгеновским излучением может сопровождаться фосфоресценция—холодное свечение некоторых веществ. Подвергнутые действию солнечного света, такие вещества сохраняют затем определенное время способность самопроизвольно светиться. Быть может, фосфоресцирующие вещества сами служат источниками рентгеновского излучения? Это и решил проверить Анри Беккерель.
Среди фосфоресцирующих веществ высокой активностью отличалась двойная сернокислая соль урана и калия — своеобразные урановые квасцы. Если фосфоресценция действительно сопровождается рентгеновским излучением, то образцы соли должны оставить отпечатки на фотопластинке, завернутой в черную бумагу. Ведь проникающая способность «Х-лучей» хорошо известна. Так рассуждал Беккерель. И его идея вскоре подтвердилась. Он мог заявить на конференции Парижской академии наук, что фосфоресцирующие вещества действительно испускают лучи Рентгена.
Но как серьезный ученый он продолжал свои исследования. Однажды (это было в конце февраля 1896 г.) он все подготовил для опыта, но солнце в тот день так и не появилось на парижском небе, и его лучи не могли вызвать фосфоресценцию у урановой соли.
Оставалось дожидаться ясной погоды. Через несколько дней Беккерель, щурясь от весеннего солнца, распахнул окно своей лаборатории. Но прежде чем выставлять на свет
новую пластинку, он решил проявить старую, ту самую, которая пролежала несколько дней в ящике стола, завернутая в черную бумагу, под образцами урановой соли.
О радиоактивности написаны десятки тысяч статей и сотни книг. Открытие этого явления — одно из величайших в истории науки.
Алхимики пытались осуществить превращение элементов, из обычного свинца получить благородное золото. Время развеяло в прах их наивные верования. В XIX столетии только безнадежные упрямцы еще думали, что из одного элемента можно получить другой. В науке считалось неоспоримым, что атом неделим. А между тем в мире химических элементов течет своя, очень своеобразная и далеко не совсем понятная жизнь. Во Вселенной умирают одни атомы, другие рождаются. Идет великий круговорот элементов.
Первым, кто доказал, что атомы химических элементов могут изменяться, был французский ученый Анри Беккерель.