Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
51. Сурьма … 121 123
52. Теллур … 120 122, 123, 124, 125, 126, 128, 130
53. Йод … 127
54. Ксенон … 124 126, 128, 129, 130, 131, 132, 134, 136
55. Цезий … 133
56. Барий … 130 132, 134, 135, 136, 137, 138
57. Лантан … 138 139
58. Церий … 136 138, 140, 142
59. Празеодим … 141
60. Неодим … 142 143, 144, 145, 146, 148, 150
62. Самарий … 144 147, 148, 149, 150, 152, 154
63. Европий … 151 153
64. Гадолиний … 152 154, 155, 156, 157, 158, 160
65. Тербий … 159
66. Диспрозий … 156, 158, 160, 161. 162, 163, 164
67. Гольмий … 165
68. Эрбий … 162, 164, 166, 167, 168, 170
69. Тулий … 169
70. Иттербий … 168, 170, 171, 172, 173, 174, 176
71. Лютеций … 175, 176
72. Гафний … 174, 176, 177, 178, 179, 180
73. Тантал … 180, 181
74. Вольфрам … 180, 182, 183, 184, 186
75. Рений … 185, 187
76. Осмий … 184, 186, 187, 188, 189, 190, 192
77. Иридий … 191, 193
78. Платина … 190, 192, 194, 195, 196, 198
79. Золото … 197
80. Ртуть … 196, 198, 199, 200, 201, 202, 204
81. Таллий … 203, 205
82. Свинец … 204, 206, 207, 208
83. Висмут … 209
Может показаться странным, что радиоактивность не была обнаружена ранее, особенно на примере калия–40, так как калий — вполне обычный химический элемент, а у калия–40 (входит в список элементов табл. 9) период полураспада короче, чем у урана–238 и урана–232, поэтому он и более радиоактивный.
На то есть две причины. Во-первых, в природе калий–40 встречается довольно редко: из 10 000 атомов калия только 1 является атомом калия–40. Во-вторых, хотя и уран, и торий являются родителями ряда очень радиоактивных элементов, именно их дочерние элементы порождают явления, которые наблюдали Беккерель и Кюри.
Ни один из радиоактивных элементов с длинным периодом полураспада, являющийся изотопом более легких элементов, не может быть родителем радиоактивного ряда. Они испускают бета-частицу и тут же становятся стабильными изотопами элемента с атомным числом, больше на 1. Таким образом, рубидий–87 становится устойчивым стронцием–87, лантан–138 становится устойчивым церием–138 и т. д.
У калия–40 все немного по-другому. Около 89% всех распадающихся атомов калия–40 действительно излучают бета-частицу и превращаются в устойчивый кальций–40. Ядра оставшихся 11% атомов поглощают электрон К-оболочки (см. гл. 5), и этот процесс получил название К-захват. Этот захваченный электрон нейтрализует положительный заряд протона, и в итоге в ядре появляется еще один нейтрон. При этом количество нуклонов не меняется, а следовательно, и атомный вес остается прежним, но вот атомное число уменьшается на 1. Путем К-захвата калий–40 (атомное число 19) становится устойчивым аргоном–40 (атомное число 18).
В какой-то мере самым необычным из всех стабильных изотопов является водород–2, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, в отличие от ядра водорода–1, которое состоит только из одного протона. Соотношение разницы массы у этих двух элементов намного больше, чем у двух любых стабильных изотопов любого другого элемента.
Например, масса урана–238 в 238/235, или 1,013, раза больше массы урана–235, олова–124 (самый тяжелый изотоп этого элемента) — в 1,107 раза больше массы олова–112 (самого легкого). Масса кислорода–18 в 1,125 раза больше массы кислорода–16. А масса водорода–2 в 2 раза больше массы водорода–1.
Эта огромная разница относительной массы двух изотопов водорода говорит о том, что по физическим и химическим свойствам эти два элемента отличаются друг от друга сильнее, чем изотопы других веществ. Точка кипения обычного водорода 20,38 °К, а у водорода–2 («тяжелый водород») — 23,50 °К.
Опять-таки плотность обычной воды — 1000 граммов на кубический сантиметр, а температура замерзания 273,1 °K (0 °С), в то время как у воды, молекулы которой состоят из водорода–2 («тяжелой воды»), плотность 1,108 грамма на кубический сантиметр, а температура замерзания — 276,9 °К (3,8 °С).
Учитывая все особенности водорода–2, ему дали особое название — дейтерий (от греч. «второй»). Его символ — D, и формула тяжелого водорода выглядит как D2, а тяжелой воды — D2O.
Физики предположили возможность существования дейтерия еще в самые первые годы изучения изотопов, так как атомный вес водорода был немного выше, чем он должен быть.
Таблица 9.
ЛЕГКИЕ РАДИОАКТИВНЫЕ НУКЛИДЫ
(Нуклид … Период полураспада (лет))
Калий–40 … 1 300 000 000
Рубидий–87 … 47 000 000 000
Лантан–138 … 110 000 000 000
Самарий–146 … 106 000 000 000
Лютеций–176 … 36 000 000 000
Рений–187 … 70 000 000 000
Платина–190 … 700 000 000 000
Как показали подсчеты, энергетические уровни единственного электрона водорода–1 и водорода–2 распределены немного по-разному, поэтому в спектре водорода должны присутствовать слабые линии водорода–2. Однако этого не наблюдается, да и масс-спектрографом водород–2 обнаружен не был. Возможно, причина кроется в том, что водород–2 в природе встречается довольно редко: из 7000 атомов водорода только один является атомом водорода–2.
В 1931 году американский химик Гарольд Юри (1893–1981) решил провести следующий эксперимент. Он оставил 4 литра водорода испаряться до 1 куб. см, полагая, что поскольку водород–2 испаряется медленнее, то он сконцентрируется в этой «последней капле». Юри оказался прав. В спектре последней капли он обнаружил линии дейтерия точно там, где они, по расчетам, и должны были быть.
ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ
Люди, особо любящие порядок во всем, могут попытаться «поделить» атом между химиками и физиками, отдав первым электроны, а вторым — ядро.
Однако с научной точки зрения этого делать нельзя. Поэтому, несмотря на то что изучение структуры ядра резко отличается от изучения обычных химических реакций, химики должны интересоваться структурой ядра, хотя бы потому, что от нее зависит базовая величина химии — атомный вес.
В конце XIX века считали, что с атомным весом все было ясно и понятно. Как казалось химикам, атомный вес каждого элемента уникален и в будущем нужно лишь уточнить его значения до четвертого и пятого разряда десятичной дроби.
