Александр Ферсман – Занимательная геохимия. Химия земли (страница 10)
Но как в это время, так и позднее поднимались кверху горячие растворы. Они выносят с собой тугоплавкие, подвижные, легкорастворимые соединения цинка, свинца, меди, сурьмы, мышьяка, с ними увлекаются также золото и серебро.
Длинной цепью по восточному склону Урала тянутся эти рудные месторождения, то образуя большие скопления — линзы, то ветвящиеся жилы и кусты жил.
На таблице Менделеева — это правое поле рудных элементов.
Но вот окончилась вулканическая деятельность, прекратились те сжатия, которые подняли Уральские хребты, перемещая их гребни с востока на запад, открывая то тут то там выход вулканическим породам и горячим водам жил.
Начался длительный период разрушения. В течение сотен миллионов лет разрушались Уральские горы, размывались горные породы. Все, что труднорастворимо, оставалось на месте, остальное переходило в раствор, уносилось водами, переносилось в моря и озера. Омывавшее с запада Урал великое пермское море накапливало в себе эти вещества. Море стало высыхать, от него отделялись заливы, озера, лиманы, а соли садились на дно.
Так скопились соли натрия, калия, магния, хлора, брома, бора и рубидия.
На таблице Менделеева — это верхние и левые клетки.
А там, где были горные вершины Урала, осталось лишь то, что не подчинилось химическому воздействию воды.
В тропическом климате мезозоя десятки миллионов лет росла кора из разрушенных горных пород. Железо, никель, хром и кобальт, собираясь в этой коре, образовали те богатые месторождения бурых железняков, которые положили начало промышленности никеля на Южном Урале.
В районах разрушения гранитов собирались кварцевые россыпи, в них накапливались золото, вольфрам, самоцветы, сохраняясь и собираясь в шлихах и песках.
Так постепенно умирал Урал, одеваясь почвенным покровом, и лишь по временам к нему подходили нахлынувшие с востока воды, размывая его уже заросшие холмы и снова отлагая по берегам марганцевые и железные руды.
Менделеевская таблица оказалась скрытой под тайгой полярного Урала, под ковыльными степями Казахстана. Нужен был приход новой, передовой техники, для того чтобы снять древнюю кору с великого Уральского хребта, чтобы, шаг за шагом открывая здесь отдельные элементы менделеевской таблицы, сделать все богатства недр этих грандиозных горных цепей доступными для нашей промышленности.
Атом разрушается. Уран и радий
Как мы видели из предыдущих глав, в основе учения о геохимии лежит атом, что значит по-гречески «неделимый». Из сочетания девяноста двух видов атомов, отвечающих девяноста двум различным элементам, и построена вся окружающая нас природа[17].
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 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).
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.