Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Основной теоретический интерес к этим элементам заключается в том, что они Пролили свет на верхнюю часть периодической таблицы. До открытия трансурановых элементов, на основе некоторых опытных химических данных, торий в периодической таблице поместили под гафнием, протактиний — под танталом, а уран — под вольфрамом.

Согласно этому принципу, открытый нептуний следовало бы поместить перед рением. Однако химические свойства нептуния были аналогичны свойствам урана и трансурановых элементов. Оказалось (Сиборг первым предположил это), что элементы начиная с актиния образовывали новый ряд «редкоземельных» элементов (см. гл. 1), соответственно их нужно поместить под первым рядом редкоземельных элементов (от лантана и далее), что и сделано в периодической таблице (см. гл. 1).

Первый ряд, от лантана до лютеция включительно, сегодня называют лантаноидами, по названию первого члена этого ряда. По аналогии второй ряд, от актиния до лавренция включительно, называют актинидами. Лавренций является последним членом ряда актинидов, и химики уверены, что, как только элемент 104 удастся получить в достаточном для изучения его химических свойств количестве, окажется, что он по своим свойствам будет похож на гафний.

Хотя периоды полураспада некоторых изотопов трансурановых элементов и длинные по человеческим меркам, по меркам геологическим все они слишком короткие. (Тем не менее следы нептуния и плутония были найдены в урановых рудах. Они появились в результате взаимодействия нейтронов и урана, вызванного ядерной реакцией, возникающей под действием космических излучений высокой энергии.)

Особенный интерес представляет нептуний–237. В результате деления его массового числа на 4 остаток равен 1, значит, нептуний–237 принадлежит к ряду элементов 4x + 1. Элементы этого радиоактивного ряда в природе не встречаются (см. гл. 8). Период полураспада нептуния–237 более 2 миллионов лет, и, по последним сведениям, это самый долгоживущий элемент данного ряда. Значит, нептуний–237 вполне может быть родительским элементом нептуниевого ряда. Его дочерние элементы не повторяют ни один из элементов трех других радиоактивных рядов (см. табл. 12).

Основной чертой нептуниевого ряда является то, что он, в отличие от трех других рядов, заканчивается висмутом, а не свинцом. Раз родительский элемент не дошел до наших дней, то не дошли и менее долгоживущие дочерние элементы. Из всего ряда встречается только конечный стабильный изотоп — висмут–209.

Когда перед глазами весь список изотопов — стабильных и нестабильных, — можно сделать определенные утверждения о структуре ядра.

Для начала возьмем атом, ядро которого состоит из одного лишь протона. Получим атом водорода–1. Ядро не может содержать больше одного электрона, если в нем нет нейтронов. Среди элементов с маленькими атомами стабильные ядра состоят из равного или почти равного количества протонов и нейтронов. Так, у ядра водорода–2 1 протон и 1 нейтрон, у гения-4 — 2 протона и 2 нейтрона, у углерода–12 — 6 протонов и 6 нейтронов, у кислорода–16 — 8 протонов и 8 нейтронов, у серы–32 — 16 протонов и 16 нейтронов, у кальция–40 — 20 протонов и 20 нейтронов.

Дальше ситуация меняется. Стабильные ядра всех элементов тяжелее кальция–40 содержат больше нейтронов, чем протонов, причем чем выше массовое число, тем больше дисбаланс между нейтронами и протонами. Так, ядро наиболее распространенного изотопа железа — железо–56 — состоит из 26 протонов и 30 нейтронов, то есть соотношение нейтронов и протонов (n/p) равно 1,15. Ядро наиболее распространенного изотопа серебра — серебро–107 — состоит из 47 протонов и 60 нейтронов, соотношение n/p равно 1,27. Ядро единственного стабильного изотопа висмута — висмута–209 — состоит из 83 протонов и 126 нейтронов, соотношение n/p равно 1,52. Ядро наиболее тяжелого из встречающихся в природе изотопов урана — урана–238 — состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, то есть соотношение n/p равно 1,59.

Очевидно, что чем больше протонов содержится в ядре, тем больше избыточных нейтронов необходимо для поддержания стабильности ядра. (Хотя конечно же слишком большой избыток нейтронов — это так же плохо, как и их недостаток.)