Как были открыты химические элементы

Э. Резерфорд и Р. Оуэнс пришли к выводу, что торий постоянно испускает какое-то газообразное радиоактивное вещество. Они назвали его эманацией (от латинского слова, означающего «истечение») тория или тороном.

По аналогии возникла идея, что и другие радиоактивные элементы способны выделять эманации. В 1900 г. немецкий физик Э. Дорн открыл эманацию радия, а спустя три года А. Дебьерн наблюдал эманацию актиния. Так появились на свет еще два радиоэлемента: радон и актинон. Выяснилось важное обстоятельство, что все три эманации различаются лишь по периодам полураспада: у торона он равен 51,5 с, у радона — 3,8 дня, у актинона — 3,02 с. Самый долгоживущий — радон, поэтому все исследования природы эманаций проводили с этим радиоактивным веществом. Во всем остальном эманации ничем не отличались друг от друга. И все они не обладали химическими свойствами, т. е. были инертными газами (аналогами аргона и его спутников). Как выяснилось позже, они различались и по величине атомных масс. Но в периодической системе для этих трех элементов имелось одно-единственное место в нулевой группе, под ксеноном.

Подобное исключительное положение скоро стало правилом. Поэтому здесь придется коснуться некоторых важных событий на пути развития учения о радиоактивности. Закончим лишь рассказ о радоне. Это название осталось потому, что именно радон наиболее долгоживущий из всех радиоактивных инертных газов. Одно время для него предлагали имя «нитон» (В. Рамзай), по-латыни — «светящийся», но оно не привилось в науке.

РАДИОЭЛЕМЕНТЫ И ИХ СЕМЕЙСТВА

Накануне открытия полония и радия в периодической системе в промежутке между висмутом и ураном насчитывалось семь пустых мест. И пока число вновь открытых радиоактивных элементов было невелико, никаких затруднений с их размещением в менделеевской таблице не возникало. Настораживали эманации. Они имели идентичные свойства, и поэтому их нельзя было расставить по разным клеткам периодической системы, например разместив две из них на пустых местах, соответствовавших неизвестным тяжелым аналогам иода и цезия. Такая операция явилась бы противоестественной.

Но если даже оставить в покое непонятное семейство радона, то и без этого имелись неясности. В 1900 г. В. Крукс обнаружил странное явление. Проведя дробную кристаллизацию уранового соединения, он получил фильтрат и осадок. Уран находился в растворе, но никакой активности обнаружить в нем не удавалось. Напротив, осадок не содержал урана, зато интенсивно излучал. Отсюда В. Крукс сделал парадоксальный вывод: сам уран не радиоактивен, а делает его радиоактивным некая примесь, которую ему (Круксу) и удалось отделить от урана. Словно предчувствуя недоброе, ученый не дал этой примеси какого-либо определенного названия, а стал ее именовать уран-«икс» (UX). Потом выяснилось, что уран, освобожденный от UX, восстанавливает свою активность. Просто UX — гораздо более сильный излучатель. Но в таком случае правомерно рассматривать его в качестве нового радиоактивного элемента.

Спустя два года Э. Резерфорд и Ф. Содди обнаружили такое же временное исчезновение активности у тория. Примесь (опять же по аналогии) получила название торий-«икс» (ThX). Эти ученые пытались разрешить вопрос фундаментальной важности: что происходит с радиоактивным элементом в результате испускания им радиоактивного излучения? Остается его химическая природа неизменной или же меняется? Им удалось сделать ценное наблюдение: эманация тория порождалась не самим торием, а ThX. Иначе говоря, они выявили первую цепочку радиоактивных превращений:

Th→ThX→EmTh

И именно это событие послужило решающим шагом к формулировке теории радиоактивного распада.

По Э. Резерфорду и Ф. Содди, механизм радиоактивного распада заключается в том, что происходит превращение химических элементов, их естественная трансмутация. Особенно четко это удалось проследить на примере радия, который, испуская α-частицу, превращался в радон. Несколько позже выяснилось, что α-частица представляет собой дважды ионизированный атом гелия. В результате распада радия рождались два других элемента — радон и гелий:

Ra→Rn+He

Спустя короткое время это явление экспериментально подтвердили В. Рамзай и Ф. Содди.

Все известные радиоактивные элементы, рассуждали далее Э. Резерфорд и Ф. Содди, не являются совершенно изолированными, а генетически связаны друг с другом (последовательно превращаются один в другой). Они образуют как бы три радиоактивных семейства: урановое, ториевое и радиевое, названные так по имени исходного элемента — родоначальника семейства. Оставалось неясным многое: сколько радиоактивных веществ входит в семейство? Какими элементами заканчиваются эти семейства? И наконец, что же это за «материальное образование» — радиоактивный элемент, какова его истинная природа?

Последний вопрос не является надуманным, ибо начиная с первых лет XX в. число радиоактивных веществ стало стремительно возрастать и проблема их размещения в периодической системе сделалась чрезвычайно актуальной.