desktopwallpapers.org.ua_8408

Из сочетания девяноста двух видов атомов, отвечающих девяноста двум различным элементам, и построена вся окружающая нас природа.
Что же представляет собой эта мельчайшая «неделимая» ча­стица вещества, действительно ли она «неделима», действитель­но ли все известные виды атомов существуют независимо друг от друга и не проявляют единства строения?
Понятие атома как материально неделимого шарика лежало в основе химии и физики. «Неделимый» атом вполне объяснял физические и химические свойства вещества, и поэтому физики и химики, хотя и подозревали о сложном строении атома, не особенно стремились раскрыть его.
И только когда знаменитый французский физик Анри Бек — керель в 1896 г. 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 Кю- ри-Склодовской, Резерфорда, Бора и др., 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.

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 ив 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 (а-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, т. е. номеру элемента в периодической системе Д. И. Мен­делеева. Поэтому при испускании альфа-частицы вместо исход­ ного ядра возникает ядро другого элемента, расположенного в периодической системе на две клетки левее.




Второй — бета-лучи (B-лучи), или бета-частицы,— ноток электронов, несущихся с огромными скоростями. Каждый элек­трон несет один отрицательный, элементарный, т. е. наименьший из существующих, электрический заряд и обладает массой ч 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» —г 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 (у-лучи), представ­ляющие собою излучение, подобное рентгеновским лучам, но еще более короткой длиной волны.

Разрушение ядер атомов под влиянием альфа- частиц: водорода и гелия (вверху), кислорода и азота (внизу). Выделяются протоны, с длинным- пробегом

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. Юн получил название — радон (Rn).
Количество радона в трубке возрастает сперва быстро, затем все медленнее и наконец становится почти постоянным, так как скорость распада радона становится равной скорости его появ­ления.
Радиоактивность можно обнаружить, поднося трубки к за­ряженному электроскопу. Радиоактивные излучения ионизиру­ют воздух, делают его проводником электричества, и электроскоп разряжается.
Если мы будем день за днем следить за тем, каково действие трубки с радоном на заряженный электроскоп, то без труда обнаружим, что с течением времени действие это ослабевает. Через 3,8 суток сила действия упадет наполовину, а по про­шествии нескольких десятков дней трубка при приближении ее к заряженному электроскопу никакого действия на него оказы­вать не будет. Зато если мы пропустим через такую трубку электрический разряд и будем наблюдать вызванное этим раз­рядом свечение газа в спектроскоп, то обнаружим появление спектра нового газа, которого ранее в трубке не было. Новый появившийся в трубке газ — гелий. Наконец, если мы после многих лет хранения в стеклянной трубке соли радия тщатель­но удалим ее из трубки и затем при помощи чувствительных приемов анализа испытаем поверхность внутренних стенок трубки на присутствие посторонних химических элементов, мы сможем обнаружить, что в пустой трубке присутствует в ни­чтожных количествах металл свинец.

Из одного грамма металлического радия путем распада его атомов образуется в год 4,00 • 10~4 г свинца с массой атома, рав­ной 206, и 172 мм3 газообразного гелия.
Итак, в результате радиоактивного распада радия получа­ются один за другим новые радиоактивные элементы, пока, наконец, не образуется нерадиоактивный свинец. На этом дальнейшее превращение прекращается. Сам же радий, в свою оче­редь, является лишь промежуточным звеном в длинной цепи продуктов превращения урана.
Ряд элементов, получающихся в результате распада радио­активных элементов, носит название радиоактивного ряда.
Все ядра каждого радиоактивного элемента являются неу­стойчивыми и вероятность того, что они распадутся в заданный промежуток времени, одинакова. Таким образом, достаточно большой образец радиоактивного вещества, содержащий многие миллионы атомов, всегда распадается с одной и той же постоян­ной скоростью, независимо от каких бы то ни было химических и физических воздействий.
Было доказано, что различные внешние физические воздей­ствия на радиоактивное вещество, начиная от температуры жидкого гелия, близкой к абсолютному нулю, до температур в несколько тысяч градусов, давления в несколько тысяч атмо­сфер й электрические разряды высокого напряжения, никакого влияния на распад его не оказывают.
Скорость, с какой радиоактивное вещество распадается или превращается, обыкновенно выражается через период полурас­пада Т, или время, необходимое для того, чтобы половина всех первоначально присутствующих атомов вещества успела рас­пасться. Эта величина, очевидно, характерна и постоянна для каждой разновидности неустойчивых атомов, т. е. для каждого данного радиоактивного элемента.
Периоды полураспада радиоактивных элементов лежат в очень широком интервале — от долей секунды для наиболее не­устойчивых атомных ядер до’ миллиардов лет для слегка не устойчивых, к которым относятся, например, уран и торий. Часто дочернее ядро, подобно своему радиоактивному «роди­телю», само является неустойчивым радиоактивным и распадается, пока, наконец, через несколько последовательных поко­лений ядер не образуется устойчивое ядро.
В настоящее время известны три таких естественных радио­активных ряда, или семейства: ряд урана-радия, начинающий­ся с изотопа урана с массой атома 238, ряд урана-актиния, начи­нающийся с другого изотопа урана с массой 235, и ряд тория. Конечными устойчивыми и далее не разрушающимися продук­тами каждого из этих рядов, образующимися после десяти­двенадцати последовательных превращений, являются ядра атомов изотопов свинца, соответственно с массами 206, 207, 208. Кроме свинца, устойчивыми продуктами превращений в каж­дом из указанных выше радиоактивных рядов являются лишив­шиеся своей кинетической энергии и заряда альфа-частицы, ставшие атомами гелия.
При непрерывно протекающем на земле радиоактивном рас­паде атомов урана, тория и радия происходит постоянное выде­ление тепла.
Если подсчитать количество тепла всех указанных элемен­тов, выделяемое при распаде, то окажется, что, сами того не подозревая, мы давно уже пользуемся этим теплом, так как за его счет наш земной шар заметно подогревается.
Точно так же оказывается, что добываемый для наполнения дирижаблей и аэростатов заграждения газ гелий образуется за счет радиоактивного распада содержащихся в земле атомов урана, тория и радия. Подсчитано, что таким путем в земле за время ее существования образовались огромные количества газа гелия, исчисляемые многими сотнями миллионов кубиче­ских метров.
Непрерывно протекающий распад содержащихся в земле атомов урана, тория и радия интересен для нас не только как источник постоянного тепла и как источник образования промышленных запасов химических элементов, но и как естествен­ный часовой механизм, хронометр, по которому мы можем отсчитывать время, протекшее с момен­та образования на Земле тех или других горных по­род и, наконец, самой Зем­ли как твердого тела.
Каким же образом ато­мы урана, тория и радия и их распад могут быть использованы как часы для определения геологи­ческого времени? А вот каким. Мы с вами видим, что скорость, с какой происходит распад радиоактивных атомов, не зависит от химиче­ских и физических воздействий и остается все время строго постоянной. С другой стороны, при радиоактивном распаде образуются устойчивые и далее не изменяющиеся атомы эле­ментов гелия и свинца, количество которых с течением времени будет все более и более накапливаться.
Зная, какое количество гелия и свинца образуется за счет радиоактивного распада атомов из одного грамма урана или тория в течение одного года, и определив, сколько урана и тория содержится в каком-нибудь минерале и сколько в том же минерале содержится гелия и свинца, из отношения гелия к урану и торию, с одной стороны, и из отношения свинца к ура­ну и торию — с другой, мы получим время в годах, которое прошло с момента образования этого минерала.
Действительно, в момент своего образования минерал содер­жал в своем составе только атомы урана и тория, никаких ато­мов гелия и свинца в нем не было; затем за счет распада атомов урана и тория в минерале стали появляться и постепенно накапливаться атомы гелия и свинца.
Такой содержащий атомы урана и тория минерал можно уподобить песочным часам, действие которых вы все, наверное, видели. Напомню вам, как устроены такие часы. Они состо­ят из двух сообщающихся друг с другом сосудов; в одном из них насыпано определенное количество песка. В момент, когда часы пускают, их закрепляют и дают песку под дейст­вием силы тяжести медленно высыпаться из верхнего сосуда в нижний.
Обыкновенно насыпается такое количество песка, чтобы оно полностью пересыпалось в нижний сосуд в заданный промежу­ток времени — 10 минут, 15 минут. Песочными часами пользу­ются для отсчетов постоянных промежутков времени. Однако ими можно было бы пользоваться и для отсчетов любых проме­жутков времени. Для этого пришлось бы или взвесить количест­во песка, или разметить сосуды на равные по объему части и измерять объемы насыпавшегося песка. Так как песок под дей­ствием тяжести высыпается с определенной скоростью, то мож­но определить, сколько песка по объему или по весу высыпается из верхнего сосуда в нижний в течение одной минуты, и по объему высыпавшегося песка судить, сколько минут прошло с момента, когда мы пустили часы.
Нечто подобное происходит с минералом, содержащим ато­мы урана и тория. Он уподобляется верхнему сосуду, содержа­щему определенное количество песка, только роли отдельных песчинок выполняют атомы урана и тория. Они тоже с опреде­ленной скоростью превращаются в атомы гелия и свинца, и, как в случае с песочными часами, атомы распада накапливаются в mпрямой зависимости от протекшего до настоящих дней времени существования радиоактивного минерала.
Количество оставшегося урана определяем прямым анали­зом; количество распавшихся атомов урана и тория мы вычис­ляем по количеству образовавшихся из них гелия и свинца. Эти данные позволяют найти отношение урана к количеству образовавшихся свинца и гелия, а следовательно, вычислить время, в течение которого продолжался распад. Таким путем ученым удалось определить, что на Земле встречаются мине­ралы, с момента образования которых прошло почти два мил­лиарда лет. Таким образом, теперь мы знаем, что Земля наша очень древняя старушка, и ей, во всяком случае, больше двух миллиардов лет от роду.
В заключение этой главы мне хотелось бы рассказать вам еще об одном явлении, которое открыто недавно и которому суждено сыграть большую роль в жизни людей. Мы с вами видели, что все ядра атомов тяжелых химических элементов, на­чиная с 84-го порядкового номера в периодической система Д. И. Менделеева,— это ядра неустойчивые, или обладающие свойством радиоактивности. Оказывается, что ядро атома- делается неустойчивым, если в нем сильно нарушается некото­рое определенное соотношение между протонами и нейтронами. При большом избытке нейтронов в ядре оно делается неустой­чивым.
Как только ученые подметили это свойство ядер химических элементов, они вскоре нашли средство искусственно менять соотношение между протонами и нейтронами в ядрах химиче­ских элементов и, таким образом, по своему желанию превра­щать устойчивые разновидности ядер атомов в неустойчивые,, делать химические элементы искусственно-радиоактивными. Как это можно сделать?
Для этого нужно найти какой-нибудь снаряд, размер кото­рого не превосходил бы размер ядра атома, сообщить ему очень, большую энергию и попасть им в ядро атома.
Такими снарядами атомных размеров с очень большой энер­гией являются альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Ими прежде всего и воспользовались ученые,, чтобы искусственно разрушать ядро атома. Впервые это уда­лось сделать известному английскому физику Эрнесту Резер­форду, который, действуя в 1919 г. альфа-лучами на ядра атомов азота, обнаружил, что при этом из них вылетают протоны.
Пятнадцать лет спустя, в 1934 г., молодая чета французских ученых Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри, действуя альфа-части­цами элемента полоний на алюминий, обнаружили, что алюми­ний под действием альфа-лучей не только испускает лучи, в со­став которых входят нейтроны, но и по окончании облучения;альфа-частицами сохраняет в течение некоторого времени- радиоактивные свойства, испуская бета-лучи.
Путем химического анализа супруги Жолио-Кюри устано­вили, что искусственно-радиоактивным при этом является не сам алюминий, а атомы фосфора, образовавшиеся из атомов- алюминия под действием альфа-частиц.
Таким образом были получены первые искусственно-радио­активные элементы и была открыта искусственная радиоактив­ность. А вскоре, испробовав разные приемы для получения ис­кусственно-радиоактивных элементов, стали действовать на! ядра химических элементов вместо альфа-частиц нейтронами^ гораздо легче проникающими в ядра атомов, чем альфа-части­цы, которые заряжены положительно и потому при приближе­нии к атому отталкиваются ядром.
Эти силы отталкивания у ядер атомов тяжелых химических элементов настолько велики, что энергии альфа-частиц не1 хватает для того, чтобы их преодолеть, и альфа-частица до ядра атома добраться яе может. Нейтроны же как частицы, не несу­щие никакого электрического заряда, ядрами не отталкиваются и легко в них проникают. Действительно, путем воздействия нейтронов великому итальянскому физику Э. Ферми, а вслед, за ним и другим ученым удалось получить искусственно­радиоактивные неустойчивые разновидности ядер атомов для всех химических элементов.
В ходе этих исследований немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом в 1939 г. было обнаружено, что при воздей­ствии нейтронами малой энергии на самый тяжелый химический элемент — уран — ядра атомов урана претерпевают но­вый, ранее неизвестный тип распада, при котором ядро атома делится на две приблизительно равные половинки. Эти половин­ки сами являются неустойчивыми разновидностями ядер атомов- известных нам химических элементов, находящихся в середине- таблицы Д. И. Менделеева.
Год спустя, в 1940 г., молодые советские физики К. А. Петр- жак и Г. Н. Флеров открыли, что деление урана происходит и самопроизвольно, т. е. что в природе существует еще один вид. радиоактивного распада — спонтанное (самопроизвольное) де­ление, которое, однако, случается еще реже, чем обычный, радиоактивный распад урана.
Если путем обыкновенного радиоактивного распада полови­на всех наличных атомов урана распадается через четыре с половиной миллиарда лет, то путем деления атомов урана период полураспада равен 8 тысячам триллионов лет, и, следова­тельно, этот второй тип распада случается в два миллиона раз; реже, но зато он сопровождается гораздо большим выделением энергии, чем обычный радиоактивный распад.

Пульт управления первой промышленной атомной электростанции. Мощность ее б тыс. кет. В сутки АЭС расходует всего 30 г урана- 236 {вместо 100 т угля). Управление, атомным котлом и всеми другими агрегатами станции производится с общего пульта управления. Вырабатываемый атомной станцией электрический ток поступает для промышленности и сельского хозяйства приле­гающих районов

При спонтанном делении урана тоже происходит образова­ние некоторых устойчивых ядер элементов, постоянно накап­ливающихся в природе, наряду с образованием неустойчивых и далее распадающихся ядер.
Так, если при обычном радиоактивном распаде происходит образование и постепенное накопление атомов гелия, то при новом типе радиоактивности урана происходит образование и постепенное накопление атомов ксенона или криптона.
Путем бомбардировки изотопов урана нейтронами и заря­женными частицами в 1950—1957 гг. удалось получить ряд но­вых заурановых элементов — нептуний с атомным номером 93, плутоний — 94, америций — 95, кюрий — 96, берклий — 97, ка­лифорний — 98, эйнштейний — 99, фермий — 100, менделе­вий — 101 и нобелий — 102, которые нашли свое место в табли­це Менделеева.
Огромная роль таблицы Менделеева в установлении природы и предсказании свойств этих элементов была подчеркнута од­ним из ученых, синтезировавшим элементы № 94—101, амери­канцем Г. Сиборгом тем, что он дал элементу № 101 имя ге­ниального русского ученого.
Часть магнита синхрофазотрона на 10 Бэв

Но самым интересным и важным свойством деления тяже­лых ядер явилось то, что этим новым типом распада атомов можно управлять по нашему желанию.
Замечательно в этом открытии то, что человеческая техника но только вызывает эти бурные реакции, освобождающие чудо­вищную энергию, но и может на них воздействовать, задержи­вать или ускорять, заменять бурные взрывы более медленным и бол*ее спокойным выделением могучей энергии. И та блестя­щая мысль о внутриатомной энергии, которая еще только за­рождалась в конце девяностых годов в уме Пьера Кюри, открывшего вместе со своей женой радий, мысль, которую ре­шались высказывать на пороге нового столетия лишь немногие ученые, сейчас стала реальностью наших дней.
Когда ученые в 1903 г. рисовали картину счастливого будущего человечества, обладающего бесконечными запасами
О Занимательная геохимия сенужной для его жизни энергии, тогда эта идея казалась только красивой фантазией и не находила своего подтверждения ни в реальных фактах природы, ни в завоеваниях тогдапщей тех­ники. А вот сейчас эта мечта превращается в реальность.
Не удивительно, что металл уран сделался за последние годы объектом исключительного внимания во всех странах. Раньше это был просто отброс радиевого производства. Радие­вые фирмы в Бельгии, Канаде, Америке и в других странах ис­кали применения для этого металла после его выделения на * больших радиевых заводах. Но настоящего применения не на­ходилось, цены на него были низкие, и он шел за бесценок на окраску фарфора, кафелей и для получения дешевых зеленых стекол.
Теперь же не радий, а сам металл уран сделался объектом поисков и разведок.
Пусть требуется еще много трудов и усилий для овладения этой проблемой, пусть даже эта энергия будет вначале дороже, чем энергия, получаемая в паровых котлах, но зато какие гран­диозные возможности использования этих практически вечных двигателей открываются перед человечеством!
В руках человечества оказывается новый вид энергии, более — могучий, чем все, что люди знали до сих пор.
Сейчас ученые всего мира напряженно работают, чтобы возможно полнее овладеть могучей силой, скрытой в ядрах урана.
Но эта сила уже далеко не является пределом человеческих дерзаний. Наука шагает в наши дни семимильными шагами.
И всего через несколько лет после высвобождения атомной энер­гии в процессах деления тяжелых ядер стала реальной новая — подлинно ни с чем не соизмеримая — возможность использова­ния атомной энергии «сплавления» легких ядер в ядра гелия. Ближайшие годы должны дать возможность использовать новое атомное горючее, а именно… воду. В стакане обыкновенной воды скрыта энергия в 5000 киловатт-часов, энергия же превра­щения в гелий всех содержащихся в гидросфере нашей пла­неты ядер тяжелого изотопа водорода — дейтерия — выражает­ся астрономической цифрой в 7 • 1024 (т. е. семеркой с два­дцатью четырьмя нулями) киловатт-часов.

Print Friendly

Это интересно: