Уран и радий
Как мы видели из предыдущих глав, в основе учения о геохимии лежит атом, что значит по-гречески «неделимый». Из сочетания девяноста двух видов атомов, отвечающих девяноста двум различным элементам, и построена вся окружающая нас природа.
Что же представляет собой эта мельчайшая «неделимая» частица вещества, действительно ли она «неделима», действительно ли все известные виды атомов существуют независимо друг от друга и не проявляют единства строения?
Понятие атома как материально неделимого шарика лежало в основе химии и физики. «Неделимый» атом вполне объяснял физические и химические свойства вещества, и поэтому физики и химики, хотя и подозревали о сложном строении атома, не особенно стремились раскрыть его.
И только когда знаменитый французский физик Анри Беккерель в 1896 г. обнаружил неизвестное до того явление испускания ураном каких-то невидимых лучей, а супруги Кюри нашли новый элемент — радий, у которого это явление было выражено неизмеримо ярче, стало ясно, что атом имеет весьма сложную структуру. Сейчас, после блестящих работ Марии Кюри-Склодовской, Резерфорда, Бора и др., картина строения атома выяснилась достаточно детально. Мы знаем не только из каких простейших частиц состоит атом, но знаем и их размеры, вес, взаимное расположение и силы, которые их связывают.
Как мы уже говорили, в центре атомов находятся состоящие из протонов и нейтронов атомные ядра.
Если мы будем в периодической системе Д. И. Менделеева постепенно переходить от более легких химических элементов к тяжелым, то увидим, что ядра атомов легких элементов состоят из приблизительно равного числа протонов и нейтронов (это нетрудно видеть из того, что атомный вес элементов в начале периодической таблицы численно равен или близок к удвоенному порядковому номеру элемента).
При переходе к более тяжелым химическим элементам число нейтронов в ядрах атомов начинает преобладать над числом протонов в них. Наконец, избыток нейтронов над протонами делается значительным, и ядра атомов становятся неустойчивыми. Начиная с порядкового номера 84, все ядра атомов химических элементов являются образованиями неустойчивыми и соответствующие элементы — радиоактивными.
Радиоактивность — это свойство атомов самопроизвольно распадаться, превращаясь в атомы других элементов, с выделением больших количеств энергии в форме трех различных типов излучений.
Первый — альфа-лучи (а-лучи), или поток быстро несущихся материальных частиц, обладающих двойным положительным электрическим зарядом; каждая альфа-частица обладает массой, в четыре раза большей массы атома водорода и представляет собой ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Это ядро настолько устойчиво, что в атомах тяжелых элементов оно как бы содержится в готовом виде и вылетает в форме альфа-частицы при радиоактивном распаде ядер. Испустив альфа-частицу, исходное ядро теряет два протона. Но число протонов в ядре равняется положительному заряду атомного ядра, т. е. номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому при испускании альфа-частицы вместо исходного ядра возникает ядро другого элемента, расположенного в периодической системе на две клетки левее.
Второй — бета-лучи, или бета-частицы, — поток электронов, несущихся с огромными скоростями. Каждый электрон несет один отрицательный, элементарный, т. е. наименьший из существующих, электрический заряд и обладает массой в 1840 раз меньшей, чем атом водорода.
В ядрах атомов не существует свободных электронов, и поэтому появление отрицательных бета-частиц вызвано превращением одного сорта ядерных «кирпичей» — нейтронов в другой сорт — протоны. Поскольку нейтрон электронейтрален, а протон положителен, каждое такое превращение сопровождается испусканием электрона, вылетающего из ядра. Стало быть, при бета-распаде число протонов в ядре увеличивается на единицу, и получается другой химический элемент, расположенный в периодической системе на одну клетку правее исходного.
Третий тип лучей образуют гамма-лучи (у-лучи), представляющие собою излучение, подобное рентгеновским лучам, но с еще более короткой длиной волны.