16.3. Радиоактивные элементы в периодической системе

С самого начала было ясно, что полоний, актиний и радий генерируются в содержащих их минералах. Исследованием этого вопроса учёные и занялись в первую очередь.

В 1903 г. в сентябре и ноябре в журнале «Philosophical Magazin» Э. Резерфорд и Ф. Содди писали об исследованиях радиоактивного распада тория: «Было приведено достаточно данных, чтобы ясно показать, что в радиоактивности тория и радиоактивности радия проявляются сложнейшие превращения, каждое из которых сопровождается непрерывным образованием особого вида активного вещества».

Образующиеся из радия и тория эманации являются инертным газом, который, возможно, и есть конечный продукт распада. Впоследствии уже в Англии в 1903 г. В. Рамзай и Ф. Содди обнаружили, что в состав продуктов распада радия входит гелий. А в 1908 г. Э. Резерфорд и Г. Гейгер в Англии измерили зарядα-частицы и показали, что она является дважды ионизированным атомом гелия.

В апреле и мае 1903 г. в новых статьях Э. Резерфорда и Ф. Содди «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение» со всей определённостью утверждается, что «все изучавшиеся случаи радиоактивного превращения сводятся к образованию одного вещества из другого (если учитывать испускаемые лучи). Когда происходит несколько превращений, то они происходят не одновременно, а последовательно». …«Благодаря тому, что каждый последующий продукт распада в свою очередь превращается в новый элемент, они могут накапливаться только до того момента, когда скорость распада (пропорциональная накопленному количеству) уравновесит скорость образования (пропорциональную количеству непосредственно материнского вещества). Это условие называется «условием радиоактивного равновесия»». Вследствие его выполнения все члены последовательного ряда радиоактивных элементов в минералах существуют в количествах, пропорциональных их среднему времени жизни; при этих условиях одинаковое количество атомов всех продуктов этого ряда (независимо от общего количества вещества) расщепляются одновременно и испускают одинаковое числоαилиβчастиц в секунду.

Э. Резерфорд и Ф. Содди сформулировали закон радиоактивного превращения: «Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что эта активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии». Отсюда следует, что «скорость превращения всё время пропорциональна количеству вещества, ещё не подвергнувшегося превращению».

Относительное количество радиоактивного вещества, превращающегося в единицу времениdNt/Nt, есть величина постояннаяλ, которую Э. Резерфорд и Ф. Содди назвали радиоактивной постоянной (сейчас она называется постоянной радиоактивного распада). В том же году Э. Резерфорд и Ф. Содди объединили в первые цепочки последовательного распада свыше 10 радиоэлементов.

В 1909 г. шведские учёные Д. Стрёмгольм и Т. Сведберг при изучении химии радиоактивных элементов обнаружили, что многие из них неотделимы друг от друга.

После открытия большого количества естественных радиоактивных элементов и формирования правила сдвига местоположения продукта распада в периодической системе Д.И. Менделеева относительно место положения в ней материнского элемента в зависимости от природы испускаемых ими излучений стало ясно, что многие радиоэлементы претендуют на одно и то же место.

В 1913 г. Ф. Содди вводит понятие изотопии: атомы элемента данного порядкового номера могут отличаться массой ядра, скоростью радиоактивного распада и природой излучений. В том же году Д. Томсон обнаруживает, что элемент неон имеет атомы разной массы. В январе 1913 г. А. Ван ден Брук (в Голландии) выдвинул идею, что порядковый номер элемента в периодической системе равен заряду ядра его атомов. Эту идею экспериментально подтвердил в декабре 1913 года Г. Мозли (в Англии) на примере цепочки элементов от кальция до никеля. Тем самым была решена задача о дробной величине массы элемента: элемент содержит атомы разной целочисленной массы в различных пропорциях.

Понятие изотопии позволило найти место в периодической системе всем вновь открытым радиоактивным элементам. В дальнейшем все эти элементы естественного происхождения удалось связать в три семейства: урана (28U), тория (22Th) и актиноурана (25U), представленных на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Радиоактивные семейства: а – актиноурана, б – урана, в – тория