Как были открыты химические элементы

Радиоактивные ряды урана-238, урана-235, тория-232.

Радиоактивные семейства разделяются каждое на две характерные части. Радиоэлементы, предшествующие эманациям, являются сравнительно долгоживущими; напротив, радиоэлементы, следующие за эманациями, имеют очень малые периоды полураспада. Для их обозначения даже была выработана специальная номенклатура, использующая латинские буквы А, В и С рядом с символами соответствующих элементов (Ra, Th, Ac). Совокупности этих недолговечных радиоэлементов называли активными осадками; они-то и представили наибольшие трудности для исследования и послужили причиной многих заблуждений и ошибок. Но именно изучение активных осадков в значительной степени способствовало становлению радиохимии как новой научной дисциплины.

По мере того как радиоактивные семейства приобретали современный облик, все резче заявляла о себе необходимость рационального размещения радиоэлементов в периодической системе. Ведь в конечном счете каждый из них обнаруживал химическое сходство с тем или иным «обычным» элементом, занимающим определенную клетку в таблице. Но радиоэлементов было слишком много. В. Рамзай определил ситуацию французским выражением embarras en richess (теснота вследствие изобилия)[15]. Ведь около 40 радиоэлементов стало известно в начале второго десятилетия нашего века. И среди них наблюдалось несколько совокупностей радиоэлементов, которые были настолько близки по химическим свойствам, что разделить их не удавалось никакими из существующих методов. Например, все три эманации, а также торий, ионий, радиоторий, или, наконец, радий и торий-Х.

Между тем радиоэлементы каждой из таких совокупностей заметно различались по атомным массам, порой на несколько единиц. Такое положение вещей рождало растерянность. Некоторые ученые предлагали оставлять многие радиоэлементы вообще вне менделеевской таблицы. Но творческая мысль не мирилась с этим. В 1910 г. шведские ученые Д. Стремгольм и Т. Сведберг предложили размещать по нескольку радиоэлементов в одной клетке таблицы (их правота вскоре стала очевидной). Идею шведских исследователей поддержал в 1911 г. английский радиохимик А. Камерон.

Хотя еще в 1903 г. было доказано, что радиоактивность сопровождается превращением элементов, долгое время ученые не могли сказать с полной определенностью, что именно происходит с тем или иным радиоэлементом, когда он испускает α- либо β-частицу? А ведь ответ на этот вопрос позволял представить, куда перемещается данный радиоэлемент в периодической системе в результате радиоактивного распада. Люди еще не знали, как устроен атом, и о всяких переменах в природе радиоэлемента можно было судить, сопоставляя химические свойства его и продукта его превращения. А задача часто была чрезвычайно трудной, поскольку радиохимикам приходилось оперировать с исчезающе малыми количествами веществ. Во многих случаях химический «портрет» радиоэлемента приходилось рисовать лишь по косвенным признакам.

Упорство исследователей и накопление опыта сделали свое дело: удалось сформулировать правило радиоактивных смещений. В разработке его формулировки участвовали многие ученые, но главная роль принадлежала Ф. Содди и польскому химику К. Фаянсу, поэтому его часто называют правилом Содди-Фаянса. Вот в чем оно заключается: при α-распаде образуется радиоэлемент, который занимает место на две клетки влево от исходного, а при β-распаде на одну клетку вправо. Когда было доказано, что заряд ядра атома равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе, эмпирическое правило стало законом радиоактивных смещений: α-частица уносит с собой два положительных заряда, и потому порядковый номер (заряд ядра) исходного элемента понижается на две единицы. Напротив, вылет β-частицы означает повышение положительного заряда ядра на единицу.

Закон сдвига гармонично связал радиоактивные семейства с периодической системой элементов. Через несколько последовательных α- и β-распадов родоначальники семейств превращались в стабильный свинец, а по ходу дела образовывались природные радиоактивные элементы, которые в таблице Менделеева расположились между ураном и висмутом. Но получалось при этом, что каждой клетке системы соответствовало по нескольку радиоэлементов. Они имели одинаковый заряд ядра, но разную массу, т. е. они как бы являлись разновидностями данного элемента, одинаковыми по химическим свойствам и различающимися по массе и радиоактивным характеристикам. Ф. Содди в декабре 1913 г. назвал такие разновидности изотопами (от греческих слов, означающих «одинаковоместные», т. е. занимающие одно место в периодической системе).

Теперь становится понятным, что радиоэлементы не что иное, как изотопы естественных радиоактивных элементов. Три эманации — это изотопы одного радиоактивного элемента радона, занимающего 86-ю клетку периодической системы. Уран, торий, полоний, актиний — все они представлены своими изотопами в радиоактивных семействах. Потом стало ясно, что изотопы есть и у многих стабильных элементов. И вот какое интересное соображение отсюда следует. Открытие стабильного элемента означало одновременное открытие его изотопов, всей плеяды его изотопов. У природных радиоактивных элементов сначала обнаруживали отдельные изотопы. Открытие радиоэлементов и было открытием изотопов. В этом моменте состоит существенная разница между стабильными и радиоактивными элементами с точки зрения особенностей их обнаружения в природе. Немудрено, что периодической системе пришлось выдержать серьезное испытание, когда возникла необходимость размещения в ней обилия радиоэлементов. Ведь она была систематикой элементов, а не изотопов. Формулировка закона сдвига и открытие изотопии внесли существенную ясность и позволили двинуться дальше.