ТРАНСМУТАЦИЯ

ТРАНСМУТАЦИЯ

Убежденный в материальной природе эманации, в октябре 1901 года Резерфорд привлек к ее изучению Фредерика Содди, молодого и эксцентричного химика из Оксфорда. После первых экспериментов Содди понял, что наблюдает новое, исключительное явление, и сообщил Резерфорду, что речь идет о «трансмутации», во время которой торий превращается в другой элемент. Резерфорд попросил сохранять это в секрете, чтобы их не приняли за алхимиков, но эти наблюдения подтвердили то, о чем он догадывался с самого начала. Содди продолжил эксперименты и пришел к выводу, что эманация происходит не напрямую от тория, а от радиоактивной примеси, которую он назвал торий-Х, распадающейся намного быстрее, чем торий. Измерив интенсивность испускания радиации, Содди выяснил, что кривые уменьшения активности тория и восстановления тория-Х дополняли друг друга, и это позволило утверждать, что атомы тория-Х образуются при разложении атомов тория. С другой стороны, он понял, что эманация остается неизменной при контакте с различными химическими реактивами в широком температурном диапазоне, так что это мог быть только газ группы аргона. Элементы этой группы были открыты недавно, и их назвали благородными газами, потому что они не вступали в реакции ни с какими другими элементами.

Резерфорд и Содди пытались изолировать торий-Х, подобно тому как Мария изолировала полоний и радий. Попытка оказалась безуспешной, но ученые пришли к выводу о том, что, помимо тория, тория-Х (позже определенного как радий-224) и эманации, существовало промежуточное, еще более активное вещество. Летом 1902 года Резерфорд и Содди опубликовали результаты экспериментов, но не решились обнародовать главный вывод: имеют место различные последовательные трансмутации одного элемента в другой. Излучение, которое Резерфорд назвал а, было образовано частицами, испускание которых вызывало фундаментальные изменения в атоме и его превращение в атом другого элемента.

^{Атом радия испускает альфа-частицу, превращаясь в эманацию (на самом деле в газ радон). Этот атом, в свою очередь, испускает частицу «радий А» (сегодня известно, что это форма полония). Цепочка заканчивается стабильным свинцом.} 

В мае 1903 года Резерфорд и Содди обобщили свои открытия: последовательные радиоактивные трансформации формировали семьи радиоэлементов. Ученые разработали таблицу, приведенную выше, в которой объяснили, как каждый новый элемент образуется на основе предыдущего при испускании а-частицы. Эти новые радиоактивные тела не были открыты ранее: они постоянно распадались и присутствовали в невозможных для обнаружения количествах. Как пишет Пьер Радваньи в своей книге о чете Кюри, ученые пришли к выводу:

«В естественных минералах, содержащих эти радиоэлементы, эти превращения, должно быть, происходили постоянно в течение долгих периодов, поэтому конечные продукты всегда находятся в природе как постоянные спутники радиоэлементов. Гелий, возможно, — один из этих продуктов. […] Выделение заряженной частицы является основой для превращения. […] Во время радиоактивного превращения происходит распад атома».

* * * 

РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ

Существует три естественных радиоактивных ряда, исходные изотопы которых — уран-238, уран-235 и торий-232. Мария работала в основном с первым, а Резерфорд — с третьим. Во всех трех случаях конечный стабильный элемент — это изотоп свинца. Периоды полураспада первых элементов рядов и их соответствующая распространенность следующие:

U-238 (99,27%) = 4,47 х 10⁹ лет;

U-235 (0,72%) = 7,1 х 10⁸ лет;

Th-232 (100%) = 232 х 10⁸ лет.

Радий-226 — один из членов первого ряда, а полоний-210 — предпоследний член этого ряда, который распадается, порождая свинец-206. Пропорции различных элементов ряда остаются с течением времени приблизительно постоянными. Отношение между концентрациями родительского элемента и дочерних элементов обратно пропорционально периодам полураспада. Эти пропорции можно использовать как часы для различных временных шкал, например они пригодились для определения возраста Земли. На прилагающемся графике в качестве примера показан радиоактивный ряд урана-238, конечный элемент которого — стабильный изотоп свинца-206. На горизонтальной оси показан атомный номер, Z (число протонов ядра), на вертикальной — массовое число, А (число протонов плюс нейтронов ядра), a-излучения показаны белыми стрелками, р — черными. Рядом с каждой белой стрелкой указано время полураспада в годах, днях, минутах или секундах. Наименьший период у полония-214, равный 200 микросекундам (200 х 10^–6 секунд). Наибольший — у урана-238, 4500 миллионов лет. На вертикальных линиях фигурирует один и тот же элемент (с одним и тем же атомным номером), в то время как на горизонтальных линиях появляются изотопы различных элементов с одним и тем же массовым числом.

* * * 

Позже было доказано, что уран, торий и радий принадлежат к одной и той же семье, так что все они присутствовали в настуране.

В нижней части таблицы Резерфорда и Содди есть указание на другое большое открытие, которое исследователи опубликовали в том же году, — закон радиоактивного распада. Оба ученых установили, что число радиоактивных атомов, которые распадаются за единицу времени, пропорционально общему числу атомов элемента, поэтому убывание следует экспоненциальному закону. В химии это называется кинетикой первого порядка, при которой скорость реакции пропорциональна концентрации реактивов в степени 1, что означает соответствие одномолекулярным процессам. В них концентрация реактивов подвержена экспоненциальному убыванию:

N(t) = N₀e^—?t

где N₀ — число атомов (точнее, их ядер, называемых радиоядрами) в начальный момент, t = 0; N(t) — число атомов в момент t; и ? — постоянная радиоактивного распада, то есть вероятность распада радиоактивного элемента на единицу времени. Эта постоянная характерна для каждого радиоактивного элемента и говорит о его стабильности. На ее основе был определен период полураспада, ?_1/2, то есть время, необходимое для распада половины атомов образца данного элемента. Если

N = N₀/2 ? t = t_1/2,

то t_1/2 = ln 2/?.

Чем больше значение ?, тем больше вероятность распада и тем меньше период полураспада. В конце каждого периода активность (число полураспадов на единицу времени) образца сокращается до половины изначальной активности, поскольку последняя пропорциональна числу ядер, имеющихся в каждый момент. Каждое ядро имеет свой период полураспада, обычно характерный только для него. В таблицу включены периоды первых ядер, с которыми работала Мария.

Таким образом, значения t_1/2 могли варьироваться от долей секунды до миллионов лет, и никакие обстоятельства не могли их изменить. При первой оценке было определено, что этот период для радия равен 1300 годам, а для полония — чуть больше 143 дней. Оба значения были затем исправлены, окончательные данные — 1600 лет и 138 дней. В таблице, составленной Резерфордом и Содди, исследователи разделили вещества одной из радиоактивных семей на группы: с одной стороны были радий и эманация, с другой — три вещества, которые являлись радиоактивными отложениями быстрого изменения (их периоды полураспада измеряются в минутах), в третью группу они включили другие три вещества так называемого медленного изменения (их период полураспада мог достигать нескольких дней или лет).

Итак, t_1/2 превратилось в один из главных инструментов для определения радиоактивного элемента, или радиоэлемента. Этот закон породил множество применений в таких областях, как археология (здесь стоит вспомнить метод датирования объектов с помощью определения концентрации ¹⁴С) или геология, где открытие позволило точно определить возраст Земли.