Этот вопрос давно уже мучил ученых. Даже когда они не знали о существовании нейтронов и протонов, дробные атомные веса элементов вызывали у них недоумение. Химики, определявшие атомные веса элементов, вначале думали, что дробные числа объясняются неточностью опытов по определению атомного веса элементов. Но постепенно они убедились в том, что дело не в точности измерений, а в чем-то другом.
Современник Менделеева, выдающийся русский ученый Бутлеров, выдвинул предположение, что у каждого химического элемента имеется несколько разновидностей атомов, отличающихся только атомным весом. Поскольку эти разновидности атомов встречаются с разной вероятностью, то в среднем и получаются у элементов дробные числа. Химические же свойства у этих разновидностей элементов абсолютно одинаковые. Поэтому они и стоят в одной клетке в таблице Менделеева.
Предположение Бутлерова было правильным. Но объяснить и доказать его Бутлеров не мог. Ведь тогда не знали о существовании нейтронов и протонов.
Позднее, в 1910 г., ученик Резерфорда английский ученый Содди, изучавший явление радиоактивности, высказал фактически ту же мысль, что и Бутлеров. Он предложил эти разновидности атомов называть изотопами (по-гречески изотоп означает «занимающий то же место»). Так родился этот термин, который в настоящее время прочно вошел в наш язык.
Но загадка дробных чисел у атомных весов элементов стала ясной только после того, как советский ученый Дмитрий Иваненко разработал теорию нейтронно-протонной структуры ядра атома. Исходя из этой теории, все можно было объяснить очень просто. Если разновидности элементов стоят в одной клетке таблицы Менделеева, значит, число протонов в ядре у этих элементов одинаковое. Следовательно, и химические свойства, определяемые зарядом ядра, у них одинаковые. Но каждая разновидность данного элемента — изотоп — имеет отличное от остальных изотопов число нейтронов в ядре. Поэтому каждый элемент, состоящий из смеси изотопов, и имеет дробный атомный вес.
Например, хлор. В ядре атома хлора 17 протонов. Он поэтому и стоит на 17-м месте в таблице Менделеева. Но атомный вес хлора в точности равен 35,457, а не 35, как мы раньше для простоты писали, рассказывая о Дальтоне. Это получается потому, что есть две разновидности ядер хлора. В одних ядрах 18 нейтронов, а в других — 20 нейтронов. Число же протонов в обоих сортах ядер одинаково. Вот и получается, что атомный вес хлора в среднем 35,457.
Так теория советского ученого Дмитрия Иваненко о нейтронно-протонной структуре атомных ядер позволила разгадать еще одну загадку атома.
Радиоактивность можно создать!
Мы уже говорили о том, что радиоактивность — это внутриатомный процесс. Замедлить или ускорить излучение радиоактивных элементов невозможно ни теплом, ни холодом, ни химическими реакциями, ни светом, ни звуком, ни механическим воздействием. И тем более никто из ученых не предполагал, что радиоактивность можно создать, вызвать искусственно.
Но вот открытие Чедвика дало в руки ученых идеальный снаряд для обстрела атомных ядер — нейтрон. Он свободно проникал в глубь атомного ядра.
Пауза в развитии ядерной физики кончилась. Началась новая волна интенсивных исследований, но уже при помощи нейтронов. Это был «бег на стартовой дорожке исследований», как сказал Резерфорд. И лидировали в этом стремительном беге науки все те же супруги — Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они продолжали работать в Институте радия под руководством уже всемирно известной Марии Кюри.
Конечно, им было немного досадно, что в очень важном открытии нейтрона, которое, как говорится, было у них уже «на носу», их опередил, причем буквально на несколько дней, Чедвик. Но имеет ли это какое-нибудь значение, если наука от этого только выигрывает! А только так, а не иначе относиться к научной работе их научила Мария Кюри, и они продолжали исследования при помощи нейтронов.
Все новые и новые статьи об исследованиях нейтронов появлялись во французских научных журналах в 1932— 1934 гг. Под статьями стояли подписи Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Ими была точно измерена масса нейтрона, изучены условия, при которых возникает нейтронное излучение, и проведен большой ряд других исследований. И, наконец, 15 декабря 1934 г. они представили во Французскую академию наук новый доклад о еще одном замечательном открытии. Молодые супруги Кюри опрокинули устоявшееся мнение, что явление радиоактивности не подчиняется воле человека. Своим открытием они доказали, что радиоактивность можно создать.
Что случилось с алюминием?
Однажды Фредерик и Ирен Жолио-Кюри работали с радиоактивным элементом, открытым еще давно Марией и Пьером Кюри,— полонием. В ходе опытов нужно было на пути лучей, испускаемых полонием, поставить тонкую алюминиевую пластинку, чтобы отсеять альфа-лучи, испускаемые полонием. Пластинку поставили. Как и следовало ожидать, альфа-лучи задерживались пластинкой, а бета-лучи, также входящие в состав излучения полония, проходили через пластинку.
Но вот полониевый источник убрали. Что за чудо? Излучение продолжается, алюминиевая пластинка сама стала радиоактивной! Было над чем задуматься. И пока Фредерик и Ирен размышляли над непонятным явлением, излучение алюминия через несколько минут прекратилось. Новая загадка.
Опыт повторили. И снова возникало излучение из алюминия, которое пропадало через несколько минут. Что же происходит с алюминием? Почему он начинает сам излучать, причем его таинственное излучение довольно быстро пропадает?
>
Вот в чем дело
Было совершенно ясно, что причиной появления кратковременной радиоактивности у алюминия является облучение его излучением полония. Значит, решают супруги
Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в 1930-х годах,
Жолио-Кюри, это излучение действует на атомы алюминия так, что они сами становятся радиоактивными. Но только на несколько минут, а не на тысячи лет, как атомы радия, урана, тория, полония и других естественных радиоактивных элементов.
Раз альфа-лучи полностью поглощались алюминиевой пластинкой, значит, только они и «ответственны» за радиоактивность алюминия. Это ясно. Но каков механизм возникновения радиоактивности? И супруги Жолио-Кюри делают смелое предположение: при захвате альфа-частиц ядрами алюминия происходит ядерная реакция, в результате которой эти ядра сами делаются способными испускать радиоактивное излучение. Но раз ядро поглотило альфа- частицу, то оно уже не является ядром атома алюминия, а становится ядром другого элемента—фосфора.
Но это надо доказать. И супруги Кюри идут к химикам. Они просят рекомендовать им такой способ обнаружения фосфора в веществе, чтобы его присутствие можно было обнаружить в течение нескольких минут. Ведь радиоактивность пропадает очень быстро. Но химики только разводили руками — способа такого молниеносного анализа они не знают. Вот если в течение нескольких часов, то пожалуйста!
Ничего не оставалось делать, как самим превратиться на время в химиков и разработать такой способ. Прошло немного времени, и такой способ Фредерик и Ирен Жолио- Кюри разработали. Они научились менее чем за три минуты определять присутствие фосфора и доказали, что радиоактивные ядра, возникающие в алюминии, действительно являются ядрами атомов фосфора.
Но супруги Жолио-Кюри шли еще дальше. Они доказали, что под действием альфа-частиц из ядер атомов алюминия образуются не встречающиеся в природе ядра атомов фосфора— новый, радиоактивный изотоп фосфора. Так впервые появился хорошо известный нам термин — радиоактивный изотоп.
Количество искусственно полученных радиоактивных атомов фосфора в результате радиоактивного распада уменьшалось вдвое примерно через каждые три минуты: излучение довольно быстро прекращалось.
Сделанное открытие чрезвычайно заинтересовало Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. Они решили выяснить: а нельзя ли создать радиоактивные изотопы других элементов? Попробовали облучать альфа-частицами и нейтронами другие элементы и получили новые искусственные элементы. Стало ясно, что радиоактивные изотопы элементов, никогда не существовавшие в природе, могут быть созданы руками человека.
