А. Азимов - Краткая история химии (1118124), страница 8
Текст из файла (страница 8)
И все-таки астрономы задаются вопросом, не могут лисуществовать Галактики, построенные из антивещества? Если такое возможно, тообнаружить такие Галактики будет очень трудно.ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬВ результате успешного проведения первых ядерных реакций были получены ужеизвестные, встречающиеся в природе изотопы. Однако полученные таким образомнейтронно-протонные комбинации могли отличаться от комбинаций, характерных дляприродных изотопов.
Ведь первые органические молекулы, синтезированные химиками,отличались от молекул природных соединений (см. гл. 6). Нейтронно-протонныекомбинации нового типа были получены в 1934 г. французскими физиками супругамиФредериком Жолио-Кюри (1900-1958) и Ирен Жолио-Кюри (1897-1956) (дочь известныхфизиков супругов Кюри, прославившихся открытием радия, см.
гл. 13).Супруги Жолио-Кюри бомбардировали алюминий альфа-частицами и при этомвыяснили, что алюминий продолжает испускать частицы и после окончания бомбардировки.В результате проведенных исследований были открыты алюминий-27 (13 протонов плюс 14нейтронов) и фосфор-30 (15 протонов плюс 15 нейтронов).Но фосфор, встречающийся в природе, имеет только одну разновидность атомов фосфор-31 (15 протонов плюс 16 нейтронов), следовательно, фосфор-30 - искусственныйизотоп. Причина, по которой этот изотоп не встречается в природе, очевидна: периодполураспада фосфора-31 составляет всего 14 дней.
Излучение именно этого изотопа инаблюдали супруги Жолио-Кюри.Супруги Жолио-Кюри первыми открыли явление искусственной радиоактивности. Кнастоящему времени получено более тысячи радиоактивных изотопов, не встречающихся вприроде. У каждого элемента имеется один или несколько радиоактивных изотопов. Одинрадиоактивный изотоп имеется даже у водорода; период полураспада водорода-3,называемого также тритием, составляет 12 лет.В 1940 г. американский химик Мартин Д. Камен (род. в 1913 г.) открыл необычныйрадиоактивный изотоп углерода - углерод-14. Некоторое количество этого изотопаобразуется в атмосфере в результате бомбардировки азота космическими лучами.
Этоозначает, что все живые существа, в том числе и мы, постоянно вдыхаем некотороеколичество углерода-14, который потом попадает в ткани. Американский химик УиллардФрэнк Либби (1908-1980) предложил определять возраст археологических находок исходя изсодержания углерода-14. Аналогичный метод используется при определении возрастаземной коры: его определяют исходя из содержания урана и свинца. Таким образом, химияпришла на помощь историкам и археологам.Осуществляя синтез химических веществ, можно часть обычных изотопов заменить наредкие стабильные изотопы. Например, водород-1 можно заменить на водо-род-2,углерод-12 - на углерод-13, азот-14 - на азот-15, а кислород-16 - на кислород-18.
С помощьютаких меченых соединений можно изучать механизмы реакций, происходящих в живыхтканях. Новатором в такого рода работе был американский биохимик Рудольф Шонхеймер(1898-1941), который, используя водород-2 и азот-15, провел важные исследования жиров ибелков. После окончания Второй мировой войны такие изотопы стали более доступны, чтопозволило провести более тщательное изучение механизмов реакций. Примером того, какуюроль могут сыграть изотопы, служит работа американского биохимика Малвина Келвина(род. в 1911 г.). В 50-х годах XX в.
он применил углерод-14 для изучения механизма реакцийфотосинтеза. Работу эту Келвин проделал с такой обстоятельностью, которая всего лишьдвадцать лет назад считалась совершенно невозможной.Вслед за искусственными изотопами физикам удалось получить и искусственныеэлементы. В 1937 г. изобретатель циклотрона Лоуренс провел бомбардировку образцамолибдена (порядковый номер 42) дейтронами (ядра водорода-2), после чего отправил этотобразец Сегре в Рим. (Позднее Сегре переехал в США и уже там открыл антипротон.) Сегретщательно изучил образец и обнаружил, что он содержит следы нового радиоактивноговещества - как впоследствии выяснилось, элемента с порядковым номером 43.
К этомувремени элемент еще не был открыт в природе (несмотря на несколько неподтвердившихсяизвестий), и поэтому его назвали технецием (от греческого - искусственный).Со временем были заполнены три оставшихся в периодической таблице пробела (см.гл. 8). В 1939 и 1940 гг. были открыты элементы номер 87 (франций) и номер 85 (астат), а в1947 г.- элемент номер 61 (прометий). Все эти элементы радиоактивны.Астат и франций образуются из урана в очень малых количествах; по-видимому,именно по этой причине их не удалось открыть раньше.
Технеций и прометий образуются веще меньших количествах. Это единственные элементы с порядковыми номерами меньше84, не имеющие стабильных изотопов.ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫВначале бомбардировка атомных ядер велась положительно заряженными частицами:протонами, дейтронами и альфа-частицами. Поскольку одноименно заряженные частицыотталкиваются, то положительно заряженные ядра атомов отталкивают положительнозаряженные частицы, и заставить движущиеся с большей скоростью частицы преодолетьотталкивание и столкнуться с ядром весьма сложно, так что ядерные реакции трудноосуществимы.С открытием нейтрона (см.
гл. 12) у химиков появились новые возможности. Нейтроныпредставляют собой незаряженные частицы, и атомные ядра их не отталкивают. Направивнейтрон в нужном направлении, его легко можно заставить столкнуться с ядром.Итальянский физик Энрике Ферми (1901-1954) первым обстоятельно изучилбомбардировку нейтронами. Свою работу он начал почти сразу же, как только узнал оботкрытии нейтрона Он обнаружил, что пучок нейтронов инициирует ядерные реакцииособенно эффективно, если он проходит через воду или парафин. Легкие атомы этих веществпри каждом столкновении поглощают некоторое количество энергии нейтронов, но самихнейтронов при этом не поглощают. Следовательно, нейтроны замедляются настолько, что вконечном счете движутся со скоростью обычных молекул, находящихся при комнатнойтемпературе.
Такие тепловые нейтроны находятся вблизи отдельных ядер в течение секундыили немногим более, следовательно, вероятность того, что ядро поглотит нейтрон, в этомслучае выше, чем при бомбардировке быстрыми нейтронами.Когда атомное ядро поглощает нейтрон, оно необязательно становится новымэлементом; при этом может образоваться просто более тяжелый изотоп.
Так, есликислород-16 приобретает нейтрон (массовое число 1), то он становится кислородом-17.Однако, присоединяя нейтрон, элемент может превратиться в радиоактивный изотоп. Б этомслучае элемент обычно распадается с излучением бета-частицы, а согласно правилу Содди,это означает, что он становится элементом, занимающим более высокое место впериодической таблице. Таким образом, если кислород-18 получает нейтрон, то онпревращается в радиоактивный кислород-19. Этот изотоп излучает бета-частицу истановится стабильным фтором-19.
Таким образом, бомбардируя кислород нейтронами, егоможно превратить во фтор.В 1934 г. Ферми занялся бомбардировкой урана нейтронами с тем, чтобы узнать, нельзяли получить атомы с большей массой, чем уран (трансурановые элементы), В то время уурана был наибольший порядковый номер в периодической таблице, но возможно, что уэлементов с большими порядковыми номерами слишком короткий период полураспада.Сначала Ферми действительно подумал, что он синтезировал элемент с номером 93, норезультаты эксперимента оказались очень запутанными и привели к еще болеедраматическому повороту, что будет описано чуть позднее. Именно эти разработки отвлеклина несколько лет внимание ученых от изучения возможностей получения трансурановыхэлементов.В 1940 г.
американский физик Эдвин Маттисон Макмиллан (1907-1991) и его коллегахимик Филипп Ходж Эйблсон (род. в 1913 г.), проводя нейтронную бомбардировку урана,действительно обнаружили новый тип атома - атом с порядковым номером 93, который ониназвали нептунием.
Период полураспада даже наиболее долгоживущего изотопанептуния-237 составляет немногим более двух миллионов лет, т. е. содержавшийся когда-тов земной коре нептуний должен уже давно распасться. Нептуний-237 - первый элементчетвертого радиоактивного ряда.Затем, в 1941 г., Макмиллан и американский физик Гленн Теодор Сиборг (род. в 1912г.) получили и идентифицировали плутоний - элемент с порядковым номером 94.
Группаученых Калифорнийского университета, возглавляемая Сиборгом, на протяжениипоследующих десяти лет выделила более полудюжины элементов, в том числе америций(номер 95), кюрий (номер 96), берклий (номер 97), калифорний (номер 98), эйнштейний(номер 99) и фермий (номер 100).Однако получать каждый следующий элемент становилось все труднее и труднее, ивыделить его удавалось все в меньших и меньших количествах. Более того, периодполураспада каждого последующего элемента оказывался короче, чем у предыдущего, такчто каждый новый элемент после получения все быстрее и быстрее распадался. Несмотря наэто, в 1955 г. был получен менделевий (номер 101), в 1957 г.
- нобелий (номер 102), в 1961 г.лоуренсий (номер 103). В 1964 г. советские физики сообщили о получении (микроколичеств)элемента с порядковым номером 10452.Сиборг и его группа установили, что трансурановые элементы похожи друг на друга,как похожи друг на друга редкоземельные элементы (см. гл. 8).
Объясняется это сходствотеми же самыми причинами: новые электроны размещаются на внутренних электронныхоболочках, а внешняя электронная оболочка с тремя электронами остается неизменной.Первый ряд элементов, начинающийся с лантана (порядковый номер 57), получил названиеряда лантаноидов, а более новый, начинающийся с актиния (порядковый номер 89) рядаактиноидов.С открытием лоуренсия были получены все актиноиды. Предполагалось, что элемент спорядковым номером 104 будет значительно отличаться по химическим свойствам отактиноидов.ЯДЕРНАЯ БОМБАВернемся теперь к работе Ферми по бомбардировке урана нейтронами.
Предположениео том, что в результате бомбардировки получен элемент с порядковым номером 93, в товремя подтвердить не удалось, так как попытки выделить этот элемент успехом неувенчались.Среди ученых, занимавшихся изучением результатов такой бомбардировки, были Ган иМейтнер, открывшие двадцать лет назад протактиний (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
