И магнитным полем частица движется

по развёртывающейся спирали.

Позднее было доказано, что в этом опыте образовались две новые час­тицы — ядро кислорода-17 и про­тон: ¹⁴₇N+⁴₂Не ®¹⁷₈О+¹₁Н.

Энергия, связанная с ядерными реакциями, неизмеримо больше, чем

энергия любой химической реакции. При протекании ядерной реакции суммарные значения заряда и массо­вых чисел обязательно сохраняются, например

²⁷₁₃Al+⁴₂Не ®³⁰₁₅Р+¹₀n. Имен­но по этой реакции был впервые по­лучен искусственный фосфор-30.

Если для осуществления ядерной реакции использована положительно заряженная частица-снаряд (протон, a-частица и др.), то при приближении к также положительно заряженному ядру мишени она будет испытывать сильное отталкивание. Для того что­бы преодолеть его, бомбардирующая частица должна иметь очень высокую кинетическую энергию. В некоторых случаях (как, например, в реакции, осуществлённой Резерфордом) a-частице достаточно той энергии, с ко­торой она вылетает из ядра при ра­диоактивном распаде.

ОРЕОЛЫ В КРИСТАЛЛАХ

Один из самых давних (хотя и не очень точных) методов определения возраста минералов основан на изуче­нии так называемых окрашенных оре­олов. Часто в прозрачные кристаллы вещества вкраплены крохотные час­тички какого-нибудь радиоактивного минерала, содержащего, например, торий или уран. Он излучает a-частицы, которые распространяются во все стороны с высокой скоростью, причём дальность полёта зависит от их началь­ной скорости и от плотности минера­ла. В воздухе пробег этих частиц изме­ряется несколькими сантиметрами, а

в минералах — всего десятками мик­рометров.

В полёте a-частицы производят на­рушения в кристалле, который при этом окрашивается. Изменения не­равномерны и достигают максимума «на излёте» высокоэнергетической час­тицы, вблизи конца пробега, где про­исходит наибольшая потеря её энер­гии. Поэтому окраска минерала на пути полёта a-частицы постепенно усиливается и становится максималь­ной в самом конце пробега, создавая достаточно резко очерченный венец — окрашенный ореол. При этом вокруг радиоактивного вкрапления возникает окрашенная сферическая поверхность. Её радиус (он измеряется сотыми доля­ми миллиметра) зависит от энергии ис­пускаемых радиоактивным веществом a-частиц. А так как при распаде урана или тория образуются другие радиоак­тивные элементы, испускающие a-лучи с различной энергией, то обычно вокруг такого центра наблюдается не одна, а несколько сферических по­верхностей разного радиуса. Особен­но красиво они выглядят, если кри­сталл расколоть и отшлифовать: под микроскопом сферические поверхно­сти проявятся в виде кольцевидных или

дискообразных ореолов. По интенсив­ности их окраски можно определить возраст минерала: сочность цвета зави­сит от общего числа a-частиц, воздей­ствующих на соль, поэтому чем древнее минерал, чем дольше он подвергался об­лучению, тем выразительнее ореолы.

Многочисленные и тщательные ис­следования подобных ореолов провёл английский геолог и геофизик Джон Джоли (1857—1933). Он обнаружил их в разных минералах — большей частью в биотите (алюмосиликате калия), тур­малине (сложного состава борсодержащем алюмосиликате), флюорите (фто­риде кальция).

Аля повышения точности метода сравнивают интенсивность окраски естественных и искусственных орео­лов — последние получают при введе­нии в различные минералы сильно ра­диоактивных препаратов. При этом, конечно, нет необходимости ожидать результатов миллионы лет: они одина­ковы и при длительном воздействии на минерал слабого природного радиоак­тивного источника, и при кратковре­менном сильном искусственном облу­чении. Интенсивность окраски зависит только от общего числа a-частиц, воз­действовавших на минерал.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ

В наши дни радионуклиды известны у большинства химических элементов. Они имеют много самых разных приме­нений, особенно в химии и биохимии. Дело в том, что химическое поведение радионуклидов какого-либо элемента практически такое же, как и у его ста­бильных нуклидов. Но ядра радионук­лидов в момент распада «посылают сиг­нал» о своём присутствии. Учёные разработали аппаратуру, позволяющую надёжно регистрировать сигналы от распада буквально единичных атомов. Благодаря этому становится возмож­ным использовать радионуклиды в ка­честве атомов-меток, так называемых радиоактивных индикаторов.

Например, с помощью фосфора-32 можно установить, как кукуруза усваи­вает из почвы фосфорное удобрение. В удобрение добавляют очень малое ко­личество радионуклида. Далее, анализируя радиоактивность различных час­тей растения, можно определить, быст­ро ли фосфат усваивают корни, с какой скоростью он поступает в листья, стеб­ли или початки и как усвоение удобре­ния зависит от его химической формы (в частности, от того, в виде какой именно соли — аммония, калия или кальция — взят фосфат), от способа введения в почву и других факторов. Полученная информация позволила существенно повысить эффективность применения минеральных удобрений.

Аналогичным образом на подопыт­ных животных можно проследить дей­ствие лекарств, содержащих радиоак­тивные индикаторы. Использование радионуклидов позволяет наблюдать и за поведением различных микроприме­сей в технологических процессах.

Так как для установления природы радионуклидов достаточно буквально единичных атомов, по результатам ис­следования пряди волос Наполеона, сохранившейся до наших дней, уда­лось выяснить, что в конце жизни его организм получал избыток мышьяка. Возможно, именно это и стало причи­ной болезни и смерти.

А вот чисто химическая проблема, которую помог решить радиоуглерод. При окислении пропионовой кислоты СН₃СН₂СООН в кислой среде образу­ются углекислый газ и щавелевая кис­лота НООС—СООН. Интересно было выяснить, какая именно из двух связей С—С в пропионовой кислоте разруша­ется при окислении. Аля этого синтези­ровали пропионовую кислоту, содержа­щую метку ¹⁴С в карбоксильной группе. Затем провели окисление и определи­ли активность выделившегося углекис­лого газа и активность щавелевой кис­лоты. Измерения показали, что эти значения относятся как 3 : 7. Следова­тельно, в пропионовой кислоте рвутся обе связи, но с разной вероятностью.

И число подобных примеров очень велико. Одному только использованию меток углерода-14 и трития в органи­ческой химии посвящены многотом­ные издания.

Но чаще всего бомбардирующие частицы разгоняют до гигантских скоростей, используя специальные устройства — ускорители. Создатель так называемого циклического уско­рителя (циклотрона) американский физик Эрнест Орландо Лоуренс (1901 — 1958) получил за своё изобре­тение Нобелевскую премию. С помо­щью циклотрона стало возможным проводить разнообразные ядерные реакции. Так, в 1937 г. при облучении молибдена дейтронами образовались атомы радиоактивного элемента №43 — технеция. А спустя три года был синтезирован ещё один эле­мент — астат: ²⁰⁹₈₃Bi+⁴₂Не ®²¹¹₈₅At+2¹₀n.

Проще всего получать искусст­венные радионуклиды, бомбардируя ядра нейтронами. Нейтроны не несут заряда, и поэтому при приближении к ядру-мишени они не испытывают отталкивания. Более того, нейтроны приходится замедлять: чем медленнее движется нейтрон, тем, как правило, выше вероятность его захвата ядром. При поглощении нейтронов возникают новые радиоактивные ядра, испы­тывающие b-распад. С помощью ней­тронов можно синтезировать радио­нуклиды большинства химических элементов.

Ещё один источник радионукли­дов — продукты, возникающие при работе ядерного реактора. В нём про­текает так называемая цепная реакция вынужденного деления ядер реактор­ного горючего: урана-235 или плутония-239. После поглощения нейтрона ядро урана или плутония испытывает вынужденное деление, что приводит к образованию двух новых (обычно радиоактивных) ядер элементов сере­дины периодической системы, и од­новременно освобождаются два-три нейтрона. Эти нейтроны вызывают деление ещё двух-трёх ядер урана или плутония и т. д. В результате в продуктах деления накапливаются многочисленные радионуклиды, кото­рые выделяют из отработанного ядер­ного горючего. Эти радионуклиды находят применение в медицине, в научных исследованиях.

РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД

Ядра ¹⁴С образуются в атмосфере за счёт взаимодействия нейтронов кос­мического излучения с ядрами азота: ¹⁴₇N+¹₀n®¹⁴₆C+¹₁р. Их период полу­распада Т_1/2 = 5730 лет.

Концентрация ¹⁴С в атмосферном воздухе (в составе СО₂) практически постоянна в течение последних не­скольких десятков тысяч лет и соот­ветствует уровню активности около 15 Бк на 1 г углерода. При фотосин­тезе растения усваивают углекислый газ, содержащий радиоуглерод, за­тем он попадает и в организмы жи­вотных. В результате, активность углерода во всех живых организмах одинакова. Но как только организм погибает, он перестаёт усваивать ра­диоуглерод, а тот, который в нём уже есть, непрерывно распадается.

Если имеется материал раститель­ного или животного происхождения (льняная ткань, шерсть, шёлк, древеси­на, торф, каменный уголь, кожа, кос­ти животных и т. д.), то, измеряя ак­тивность оставшегося радиоуглерода, можно установить возраст образца. За разработку радиоуглеродного метода определения возраста археологиче­ских находок американский учёный Уиллард Фрэнк Либби (1908—1980) получил Нобелевскую премию.

ДОСЬЕ ВЕЩЕСТВА

В КАЖДОЙ ЯЧЕЙКЕ

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева... Химики не переста­ют удивляться её простоте и изящест­ву, будущие специалисты — студен­ты — сложности и запутанности связей между строением атомов и свойствами элементов, а школьни­ки — огромному количеству инфор­мации, которое уместилось всего на одной страничке. Действительно, в каждой ячейке таблицы (а их уже больше сотни) указаны и международ­ный символ элемента, и его название, и порядковый номер, и относительная атомная масса... В полных вариантах содержатся и другие сведения: цветом выделяют принадлежность элемента к тому или иному семейству, указывают строение электронных оболочек, при­водят свойства простых веществ и тип их кристаллической структуры.

Современный облик таблицы — плод долгого и напряжённого труда тысяч и тысяч химиков и физиков. Менделеев вполне мог бы повторить слова английского учёного Дж У. Меллора, который по окончании много­летней работы над своей 16-томной

энциклопедией по неорганической и теоретической химии написал на ти­тульном листе «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их труд остался...».

В самом деле, немногие знают о том, кто именно уточнил соотноше­ние изотопов олова в природе, пред­ложил современную шкалу атомных масс, впервые разделил мифиче­ский элемент дидим на празеодим и неодим, синтезировал нептуний и об­наружил его следы в земной коре — словом, внёс свой вклад, пусть порой и небольшой, в заполнение ячеек таб­лицы. Корни же этого великого откры­тия уходят вглубь веков, в античность, когда были сформулированы первые идеи об атомах.

АТОМЫ, ЭЛЕМЕНТЫ И ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Современная наука знает об атомах если не всё, то очень многое. Давно известно, что их масса крайне мала.

Сейчас массы атомов определены с высокой точностью, вот только вы­ражать их в привычных единицах — граммах — неудобно. Масса атома даже самого тяжёлого из земных эле­ментов, урана, составляет всего лишь 3,952•10^-22 г. Поэтому учёные, как правило, используют относительные атомные массы А_r (где r — начальная буква латинского слова relativus — «относительный»); это безразмерная величина, показывающая отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома углерода-12. Значения относительных атомных масс изме­рялись (и уточнялись) неоднократно многими учёными.

Химический элемент — это атомы одного сорта или, по современному лаконичному определению, совокуп­ность атомов с определённым зарядом ядра Z. Заряд ядра равен числу прото­нов в нём; именно числом протонов обусловлена сущность химического элемента, его отличие от прочих. Вот почему и бесцветный лёгкий газ, со­стоящий из молекул Н₂, и положитель­но заряженные катионы Н⁺ в водных растворах кислот, и анионы Н^- в рас­плаве гидрида лития LiH, и протоны в физических ускорителях или в глуби­нах Солнца, и «холодные» нейтраль­ные атомы Н в межзвёздных про­странствах представляют собой один и тот же элемент — водород (Z=1). Более того, тяжёлые изотопы водоро­да — дейтерий (D, или ²Н) и тритий (Т, или ³Н), содержащие помимо одного протона один или два нейтрона, и ис­кусственно полученные сверхтяжё­лые изотопы ⁴Н и ⁵Н — это всё тот же элемент водород.

Всего в природе найдено 90 раз­личных элементов и ещё более 20 по­лучены искусственно. Химические элементы входят в состав простых и сложных веществ. Простые вещества (раньше их называли простыми тела­ми) образованы атомами одного и того же элемента, а сложные содер­жат атомы двух и более элементов.

Очень образно о различии поня­тий элемента и простого вещества ска­зал в начале XX в. американский педа­гог Александр Смит: «Правильно будет, если мы будем говорить об элементе