Глубокий смысл гипотезы об изотопах окончательно прояснится лишь в 1932 г., после того, как будет открыт нейтрон и утвердится протонно-нейтронная модель ядра. Однако следствия из этой гипотезы можно было извлечь немедленно. Прежде всего, теперь для полного определения элемента необходимо было задавать две характеристики: заряд и массу ядра, которые обычно пишут слева от символа элемента. Например, символ означает изотоп радия с зарядом ядра 88 и массой 226, символ 1Н — тяжелый изотоп водорода — дейтерий, а символ 1Не²⁺ — дважды ионизированный атом гелия с массой 4, то есть попросту а-частицу.

Радиоактивный распад радия на радон и гелий можно представить теперь в виде схемы которая очень напоминает уравнения обычных химических реакций. В действительности это и есть настоящая реакция, только реакция ядерная (наконец-то мы можем пользоваться этим термином!). В реакции а-распада масса исходного ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2, поэтому химические свойства образовавшегося атома полностью отличны от свойств исходного, так как в таблице Менделеева он смещается на 2 клетки влево.

226 -г. ОС

88 Ra

1600 лет

222

86

Rn +*Не,

При p-распаде, согласно тогдашним представлениям, из ядра каким-то образом излучается электрон, в результате чего заряд исходного ядра увеличивается на 1 (в таблице Менделеева исходный элемент смещается на 1 клетку вправо), а его масса остается практически неизменной. Например, именно так образуется из радиоактивного висмута полоний, открытый Марией и Пьером Кюри:

210

83

Bi

Р

5 дней

210

84

Ро + е.

С помощью этих простых правил (так называемых правил смещения Содди — Фаянса) ухалось, наконец, распутать цепочки радиоактивных превращений и каждому радиоэлементу найти свое место в периодической системе: все они спокойно уместились в семь клеток таблицы Менделеева в промежутке между свинцом и ураном. Оказалось, кроме того, что все известные в то время радиоэлементы группируются в три радиоактивных семейства: урана, тория и актиния, в которых каждый последующий элемент ряда получается из предыдущего путем излучения а- или р-частицы.

На схеме представлено семейство урана. Не торопитесь ее перелистывать! Представьте на минуту, сколько вложено в нее труда, сколько великих судеб и счастливых открытий с нею связано! Чтобы нарисовать ее, потребовались годы изнурительной работы физиков и радиохимиков, тысячи опытов, бесконечные осаждения, экстракции, анализы — все то, о чем практически невозможно рассказать непосвященным.

С появлением этой схемы у всех радиохимиков наступило то мгновенное чувство облегчения, которое возникает на перевале после длительного восхождения. И точно так же сразу

Радий 6

стало видно далеко по обе стороны перевала: стали понятны прежние ошибки и ясен дальнейший путь. Прежде всего, теперь исчезли все таинственные элементы — многолетний кошмар химиков (их тогдашние названия приведены снизу истинных символов элементов): уран Хг (открыт Круксом в 1900 г.), уран Х₂ (Фаянс и Геринг, 1913 г.), уран II (Гейгер и Неттол, 1912 г.), ионий (Болтвуд, 1907 г.), радий Л, В, С,G (Резерфорд, 1904 г.),— многие из них оказались хорошо знакомыми химическими элементами: торием, висмутом, свинцом и т. д.

В цепочке превращений, представленной на схеме, присутствуют два урана, два висмута, три полония и три свинца, причем лишь последний из них ²82⁶РЬ стабилен. Поражает разнообразие периодов полураспада радиоэлементов: от 4,5 млрд, лет у ²ilU до 1,6«10“⁴ с у ²в|Ро. Причина такого разнообразия выяснится только через 15 лет после открытия этой схемы и через 3 года после создания квантовой механики.

Теперь стало ясно также, что в любом минерале урана присутствуют одновременно все продукты его распада, то есть все 15 элементов радиоактивного семейства. Не случайно поэтому, что радий (Ra) и полоний (Ро) супруги Кюри открыли именно в урановой смолке. Более того, легко видеть, что, выделив из урановой смолки фракцию висмута, они наблюдали в ней излучение по крайней мере двух изотопов полония с атомными массами 214 и 210.

Все элементы радиоактивного семейства находятся в состоянии радиоактивного равновесия, то есть каждую секунду числа образовавшихся и распавшихся атомов каждого элемента равны между собой. Интуитивно ясно, что чем короче период полураспада элемента, тем меньше его атомов находится в смеси. Строгий расчет подтверждает это заключение и приводит к выводу, что отношение концентраций любых двух элементов радиоактивного семейства в их стационарной смеси равно отношению их периодов полураспада. Например, концентрация радия по отношению к урану равна

(1,6-10³ лет)/(4,5-10⁹ лет) =0,36-10“⁶,

то есть в 1 т урана следует ожидать всего 0,36 г радия — как раз примерно столько, сколько удалось выделить Марии Кюри.

Когда и как образовался уран — об этом мы узнаем немного позднее. Но раз образовавшись, он живет и умирает по законам, которые нам теперь хорошо известны. В каком-то смысле уран даже более удивителен, чем радий. Его период полураспада огромен: 4,5 млрд. лет. Свидетель и современник рождения нашей планеты, он сохраняет в своих недрах и радий, и полоний, и еще десяток других радиоэлементов, которые без него давно бы исчезли на Земле. Ежечасно и ежесекундно он порождает их вновь и вновь — подобно древнему богу неба Урану, исторгавшему из своего чрева титанов и циклопов.

Прежде чем ²I!U превратится в ²в!РЬ, должно произойти 8 а-распадов и 6 0-распадов с разными скоростями и различной энергией излучаемых частиц, причем каждый 0-распад сопровождается также излучением у-кванта. Вот всю эту смесь и наблюдал Беккерель в своем первом опыте! Даже сегодня удивительно, что ее удалось разложить на составные части. Наверное, нечто подобное испытывал Левенгук, глядя на каплю простой воды в микроскоп.

При виде схемы превращений ²э!и трудно удержаться от мыслей об эволюции элементов, и это — не случайная 232

ассоциация. Резерфорд с юношеских лет находился под влиянием идей известного английского астрофизика Нормана Локьера, который последовательно отстаивал мысль о «неорганической эволюции» элементов, то есть о возможности их превращения друг в друга в недрах звезд. Быть может, поэтому именно Резерфорд стал автором гипотезы радиоактивного распада: для него мысль о распаде радиоактивных элементов не выглядела столь абсурдной, как для других. В дальнейшем Резерфорд сознательно будет стремиться осуществить искусственную «трансмутацию элементов» и в 1919 г., через 20 лет после начала своих занятий радиоактивностью, добьется цели.

В приведенной схеме распада ²glU последний элемент ряда — стабильный изотоп свинца ²вВРЬ — обязательно должен иметь атомную массу 206; в противном случае вся эта схема распада — не более чем красивое, но умозрительное построение. Поначалу такой вывод смутил химиков: они-то хорошо знали, что атомная масса природного свинца равна 207,2. Но вскоре после появления идеи об изотопах, в том же 1913 г., американский ученый

Теодор Уильям Ричардс (1868—1928) определил атомную массу свинца, выделенную из минералов урана, и показал, что она действительно равна 206. Год спустя Фредерик Содди установил, что атомная масса свинца, образующегося при распаде тория, равна 208 — в полном согласии с предсказаниями для ториевого радиоактивного семейства. Отсюда следовал однозначный вывод: природный свинец представляет собой смесь стабильных изотопов с целочисленными атомными массами. Более того: наличие изотопов не является, по-видимому, привилегией только лишь радиоактивных элементов, но все химические элементы представляют собой смесь изотопов с целочисленными атомными массами.