Александр Ферсман – Занимательная геохимия. Химия земли (страница 11)

Из одного грамма металлического радия путем распада его атомов образуется в год 4 × 10^–4г 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 и 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, то есть 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 неустойчивых, 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 десяти-двенадцати 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.

Схема саморазвивающейся цепной реакции в ядрах атома урана-235

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 прямой 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[18].

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 системе 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 году альфа-лучами на ядра атомов азота, обнаружил, что при этом из них вылетают протоны.

Пятнадцать лет спустя, в 1934 году, молодая чета французских ученых Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри, действуя альфа-частицами элемента полония 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.