Занимательная геохимия. Химия земли

И только когда знаменитый французский физик Анри Беккерель в 1896 году 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 Склодовской-Кюри, Резерфорда, Бора и других, 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.

Мария Склодовская-Кюри (1867–1934)

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 (α-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, то есть 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 (β-лучи), или бета-частицы, — поток электронов, несущихся с огромными скоростями. Каждый электрон несет один отрицательный, элементарный, то есть 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 (γ-лучи), представляющие собою излучение, подобное рентгеновским лучам, но с еще более короткой длиной волны.

Если мы поместим в небольшую стеклянную трубочку около грамма соли радия, запаяем эту трубочку и будем за ней наблюдать, то мы сможем обнаружить все основные явления, сопровождающие радиоактивный распад.

Прежде всего, если использовать прибор, при помощи которого можно измерять небольшие разности температуры, мы без труда обнаружим, что температура трубочки с солью радия немного выше температуры окружающей среды.

Получается такое впечатление, как будто внутри соли радия спрятан непрерывно действующий нагревательный прибор. На основании этого наблюдения можно сделать важное заключение, что при радиоактивном распаде или разрушении атомных ядер происходит непрерывное выделение больших количеств энергии. Опыт показывает, что 1 г радия, распадаясь, выделяет в один час 140 малых калорий тепла или, при полном своем превращении до свинца (на что потребуется около двадцати тысяч лет), выделит 2,9 миллиона больших калорий тепла, то есть столько, сколько получается при сжигании полутонны каменного угля.

Оставим трубку с радием лежать и будем при помощи маленького насоса откачивать заключающийся в ней воздух, переводя его осторожно в другую трубку, из которой предварительно был выкачан воздух. Трубку запаяем. Окажется, что в темноте она светится зеленовато-голубоватым светом точно так же, как светится трубка с солью радия.

Это явление обусловлено возникновением нового радиоактивного вещества, родившегося из радия. Вещество это — газ. Он получил название — радон (Rn).