Периодический закон и правило радиоактивного сдвига

Основные правила геохимии со всей очевидностью под­тверждают отчётливую связь распространённости химических элементов в земной коре с их атомной массой и атомным номером, а следовательно, и с их положением в пе­риодической системе Д.И. Менделеева.

В чём же причина этой связи? Сама периодическая си­стема в её клеточной форме отражает связь между химическими элементами в застывшей форме. Она представляет как бы мгновенную фотографию, на кото­рой запечатлён момент исторического развития хими­ческих элементов. Философ, химик и историк науки Бонифаций Михайлович Кедров говорил, что че­ловеческая мысль движется по таблице, как по застывшей картине, и размещение химических элементов по клеткам не создаёт впечатления движения. Вместе с тем периодическая система химических элементов наталкивает на мысль о едином плане строения атомов элементов, о возможности их взаимных превращений, о том, что клетки таблицы являются как бы ступенями в развитии материи.

Открытие и объяснение явления радиоактивности под­твердило смутные догадки учёных XIX века. В законе радиоактивного сдвига, сформулированном английским радиохимиком Фредериком Содди и американским физикохимиком Казимиром Фаян­сом, периодическая система химических элементов выступила уже не в статиче­ской, а в динамической форме.

Радиоактивностью (от лат. radio – излучаю и actives – действенный) называют самопроизвольное (спонтанное) деление атомных ядер – распад атомного ядра на 2 (реже 3 или 4) осколка; происходит лишь у тяжёлых элементов (например, у урана) и ограничивает возможность существования более тяжёлых трансурановых элементов. Такое деление открыто физиками: академиком АН СССР Георгием Николаевичем Флёровым (1913-90) и К.А. Петржаком неустойчивого нуклида одного химического элемента в нуклид другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или атомных ядер.

Периодом полураспада (Т_1/2) называется время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного нуклида. В течение первого периода полураспада распадается 1/2 часть от первоначального числа ядер атомов нуклида N₀ и остаётся 1/2 N₀ = 2^-1 N₀ атомных ядер. В течение второго периода распадается половина от 2^-1 N₀ и остаётся 1/2∙2^-1 N₀ = 2^-2 N₀ ядер и т. д. В конце n-го периода полураспада остается 2^-n N₀ ядер атомов исходного нуклида. Аналогичное выражение справедливо для массы (m) нераспавшегося нуклида: m = 2^-n m₀, где m₀ — исходная масса нуклида.

Пример. Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа равен 3 ч. Какая масса его останется нераспавшейся через 18 ч, если первоначальная масса нуклида составляла 200 г?

Решение. За время хранения радиоактивного нуклида прошло 18/3 = 6 периодов полураспада. Отсюда масса нераспавшегося нуклида, оставшаяся после 18 ч хранения, равна:

m = 2^-n m₀ = 2^-6 · 200 = 200/64 = 3,125 (г)

Уравнения реакций радиоактивного распада должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов:

а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц — продуктов реакции; при этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются;

б) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию, и частиц — продуктов реакции равны между собой.

К основным видам радиоактивного распада, происходящего в природе относятся α-распад, β^- и β⁺ -распады, электронный захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием γ-лучей, то есть жесткого (с большой частотой волны) электромагнитного излучения.

Согласно Содди и Фаянсу, при α-распаде – испускании α-частицы (ядро атома гелия – гелион атомное ядро теряет два протона и два нейтрона, следовательно, заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4. Дочернее ядро принадлежит атому химического элемента, смещённого в периодической системе на две клетки к началу системы по отношению к материнскому элементу:

β^- -Распаду предшеству­ет процесс протекающий в атомном ядре; таким образом, при испускании электрона (β^- -частица) заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Дочернее ядро – изобар[11] ис­ходного – принадлежит атому химического элемента, смещенного на одну клетку к концу периодической системы от места материнского элемента: .

Позитронный распад. β ⁺-Частица – позитрон (е⁺) – обладает массой электрона и зарядом, равным заряду электрона, но противоположным по знаку. Позитронному распаду предшествует ядерный процесс: Число протонов в ядре при позитронном распаде уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Образующееся ядро – изобар исходного ядра – принадлежит элементу, смещённому от материнского элемента на одну клетку к началу периодической системы.

При электронном захвате атомным ядром электрона с ближайшего к нему K-слоя в ядре уменьшается число протонов вследствие протекания процесса:

Заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остаётся прежним. Дочернее ядро принадлежит атому химического элемента (изобар исходного элемента), смещённого по отношению к материнскому на одну клетку к началу периодической системы элементов:

При переходе периферийного электрона на освободившееся в К-слое место выделяется энергия в виде кванта рентгеновского излучения.

Таким образом, в законе радиоктивного сдвига периодическая система отразила процесс развития химических элементов. Поэтому можно сказать, что периодический закон Д.И. Менделеева по отно­шению к неживой (косной) природе сыграл ту же роль, что и дарвинизм по отношению к живой природе. Недаром английский учёный Уильям Крукс назвал открытие Менделеева «неорганическим дарвинизмом[12]».

Рассматривая исторический процесс развития и взаимного превращения химических элементов, легко прийти к выводу о том, что в природе должны накапливаться наиболее устойчивые структуры, и, наоборот, неустойчивые радио­активные, короткоживущие конструкции обречены на неминуемое «вымирание».

Из атомной физики известно, что общая устойчивость атомных ядер падает с увеличением содержания в них нейтронов. Н. Бор ввёл параметр для определения устойчивости атомных ядер: если отношение Z²/A < 33, то ядра устойчивы (Z — атомный номер, А — массовое число); если отношение Z²/A > 33, то ядро неустойчиво и подвержено радиоактивным превращениям. В периодической системе висмут является последним химическим элементом, имеющим устойчивый нуклид [исключение составляют два лёгких элемента: технеций Th (Z = 43) и прометий Pm (Z = 61), у которых нет ни одного устойчивого природного нуклида].

Из тех атомных ядер, для которых параметр Бора меньше 33, наиболее прочными являются ядра с чётным числом протонов, особенно сложенные из группировок (2р + 2n), то есть из α-частиц, или гелионов.

Многие учёные в мире ведут настойчивые поиски конструкции атомных ядер типа периодической системы, которая отразила бы закономер­ности строения, свойств и распространённости в природе устойчивых и неустойчивых нуклидов химических эле­ментов. Создание такой системы поможет дать научное объяснение основным правилам геохимии Мен­делеева, Ферсмана, Оддо и Гаркинса, с несомнен­ной очевидностью отражающих одну и ту же закономер­ность: распространённость химических элементов в земной коре, как и в целом во Вселенной, определяется свойствами ядер их атомов.

Первичные атомные кларки

А.Е. Ферсман высказал предположение, что пер­вичное распределение химических элементов в космосе характеризовалось «первичными кларками», зависящими целиком от свойств атомного ядра. «Однако, — пояснял Ферсман, — эти кларки нам пока не известны, ни одна из областей космоса как химическая ассоциация, не даёт в чистом виде первич­ных соотношений кларков».

По мнению Ферсмана, на распространённость химиче­ских элементов в разных участках космоса влияют опреде­лённым образом процессы дифференциации, связанные с различиями в химических свойствах элементов. Эта диффе­ренциация приводит к перемещениям и перегруппировкам огромных масс химических элементов.

Однако «... как ни могучи и грандиозны процессы пере­мещения и перегруппировки элементов на основе законов Менделеевской системы, всё же основным фоном, на кото­ром они разыгрываются,...является «первичный кларк», связанный с ядром и устойчивостью его строения».