Рассказ о строении вещества
Шрифт:
1. «Алхимики XX века»
А теперь, когда наш рассказ о строении вещества подходит к концу, вспомним еще раз об алхимиках.
Сколько поколений учёных прошлого ценой всей своей жизни старалось превратить заманчивую мечту в действительность. Свинец — в серебро, медь — в золото! Увы! Это так и осталось для них мечтой. Теперь, когда мы читаем о работах алхимиков, мы ясно видим, почему они не могли воплотить свою мечту в жизнь. Для этого у них не было главного — истинного знания природы вещей, не говоря уже об отсутствии технических возможностей нашего времени.
Ну, а как же обстоит дело с превращением элементов сейчас? Ведь теперь мы знаем об элементах и внутреннем устройстве их атомов несравненно больше алхимиков.
Научные знания, накопленные человечеством, — вот тот истинный и всесильный «философский камень», при помощи которого можно осуществлять превращения простых веществ!
Действительно, изучение строения атомов показало, что по существу природа всех атомов едина. Все они состоят из протонов, нейтронов и электронов. И вся разница между различными элементами заключается лишь в величине заряда и массе ядра, то-есть в количестве протонов и нейтронов в ядрах атомов.
Следовательно, для того чтобы превратить один элемент в другой, надо лишь изменить каким-то образом число протонов и нейтронов, входящих в ядро данного элемента.
Можно ли это сделать? Оказывается, можно.
Прежде нем научиться делать это самим, учёные внимательно изучили, как это происходит в природе. Речь идёт о самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. Оказалось, например, что атомы радия, распадаясь, превращаются в атомы тяжёлого газа радона.
Каким образом осуществляется здесь превращение элементов друг в друга? Альфа-частички, вылетающие из радиоактивных веществ, — это не что иное, как атомные ядра элемента гелия с массой 4 и положительным зарядом 2. Таким образом, когда из ядра атома радия, масса которого равна 226 и заряд 88, вылетает одна альфа-частица, то, очевидно, что ядро радия изменяет свою массу и заряд. Масса атома вновь образовавшегося элемента будет 222, а заряд 86. При этом перестраивается и электронная оболочка атома, теряя два лишних электрона. Это уже не атом радия. Это атом тяжёлого инертного газа радона.
Сходные превращения претерпевают и другие радиоактивные элементы: торий, уран и другие.
Естественный распад радиоактивных элементов с превращением их во всё новые и новые элементы заканчивается превращением всех их в элемент, по своим химическим свойствам не отличаемый от обычного свинца.
Есть и другой вид радиоактивного распада. Как мы уже говорили, при радиоактивном распаде выделяются и бета-лучи — быстро летящие электроны. Это означает, что ядра некоторых радиоактивных элементов распадаются с выбросом из себя не альфа-частиц, а электронов. В этом случае происходит следующее: вылетающий из ядра электрон, как отрицательно заряженная частичка, увеличивает положительный заряд ядра на 1. А раз изменяется заряд ядра — это опять-таки означает превращение элемента! Таким путём распадается, например, элемент с массой 234 и зарядом 90, по своим свойствам не отличимый от тория; он превращается в элемент, по химическим свойствам не отличимый от элемента протактиния.
Ядро вновь образовавшегося элемента (масса 234, заряд 91) в свою очередь выбрасывает один электрон и превращается снова в уран с массой 234 и зарядом 92.
Но что такое? Ведь атомный вес урана, как известно, равен 238. Между тем здесь, при бета-распаде, мы получаем уран с массой 234. В чем тут дело?
Дело заключается всё в том же — химические свойства атомов какого-либо элемента определяются только зарядом их ядер. Вес же ядра, как уже говорилось, решающего значения для химических свойств элемента не имеет. Таким образом, уран с массой 238 и уран с массой 234 химически неразличимы.
Такие атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разный вес его, занимают в таблице Менделеева одно и то же место; их называют изотопами.
Существование изотопов химических элементов гениально предсказал А. М. Бутлеров еще в 1882 году.
Дальнейшее изучение атомных ядер привело к открытию изотопов у всех элементов, как радиоактивных, так и нерадиоактивных. Число изотопов у различных элементов бывает самое различное. Так, медь (атомный вес 63,57), например, имеет изотопы с атомными весами 63 и 65; хлор (атомный вес 35,5) имеет также два изотопа с атомными весами 35 и 37 (определение массы отдельных атомов осуществляется при помощи прибора, называемого масс-спектрографом).
Именно потому, что медь и хлор имеют изотопы с разной массой, средний атомный вес природной меди и природного хлора, представляющих собой смесь изотопов, и получается дробным. Этим обстоятельством объясняются дробные числа атомных весов многих других элементов в менделеевской таблице.
Так происходит в природе.
С открытием радиоактивности учёные смело взялись за опыты по превращению элементов друг в друга. Впервые это удалось осуществить в 1919 году, когда были «обстреляны» атомы обыкновенного азота альфа-частицами.
При «бомбардировке» азота (вес 14 и заряд 7) ядрами гелия (вес 4, заряд 2) последние «застревают» в атомных ядрах азота. При этом получается ядро с массой 14 + 4 = 18 и зарядом 7 + 2 = 9. Это ядро элемента фтора. Однако такое ядро искусственно полученного фтора очень неустойчиво. Поэтому оно тут же распадается, выделяя из себя один протон, то-есть ядро водорода. Оставшееся ядро превращается в ядро изотопа кислорода (заряд 8 и масса 17).
Так, в XX веке было осуществлено первое действительное превращение элементов.
После этого учёные стали осуществлять в своих лабораториях превращения и многих других элементов. Так, при помощи тех же «атомных пуль» — альфа-частичек — было осуществлено превращение натрия в алюминий и магний, алюминия — в фосфор и кремний и т. д.
Правда, надо заметить, что количество полученных искусственно химических элементов ничтожно. И говорить сейчас о каком-либо широком практическом применении искусственных элементов мы, конечно, еще не можем. Исключением являются только два случая: это использование искусственно полученных элементов, не существующих в природе, о которых мы рассказываем дальше, для освобождения внутриатомной энергии и применение многих искусственных радиоактивных изотопов обычных элементов в научной работе и медицине.
И если в наши дни вы слышите порой о каких-то неведомых «учёных», якобы уже получающих золото искусственным путем, то можете быть уверены, что это лишь жульничество. К разряду именно таких «учёных» относились, например, японцы Мите и Нагаока, якобы получившие в 1924–1925 годах золото из ртути под влиянием сильнейших электрических разрядов.
Рис. 23. Образование ядра атома кислорода (левая более короткая ветвь вилки) при столкновении альфа-частицы с атомом азота (снимок в камере Вильсона).