Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20, 29, 34, 36, 43, 47/2004

Поскольку изменчивость атомов (естественная или осуществляемая искусственным путем) относится к наиболее фундаментальным чертам современной атомистики, то на ее характерных особенностях и закономерностях остановимся подробнее.

Современное определение понятия «радиоактивность» констатирует самопроизвольное (не зависящее от внешних условий) превращение нестабильного изотопа данного элемента в изотоп другого элемента, причем этот процесс сопровождается испусканием элементарных частиц или ядер. Поскольку речь идет о самопроизвольном изменении атома, то уместнее было бы использовать термин «превращаемость». Определение не расшифровывает также, какие именно элементарные частицы имеются в виду (очевидно, это могут быть электроны, протоны, позитроны и нейтроны; в случае испускания нейтронов образуются изотопы элемента с тем же значением Z).

Современная атомистика, включая проблемы учения о радиоактивности и ядерной физике, привычно оперирует термином «изотоп». Между тем во многих случаях он оказывается не вполне удобным. Так, две разновидности атомов, различающиеся по Z, не являются изотопными. В то же время в поисках и при описании ядерных закономерностей сплошь и рядом приходится сравнивать разновидности атомов с разными Z (например, изобары). Эта неточность в значительной степени устраняется, если использовать предложенный в 1947 г. американским физиком Т.Команом термин «нуклид» – «вид атомов, характеризующийся определенной комбинацией протонов и нейтронов в ядрах».

Допустимо представить феномен радиоактивности как некое фундаментальное свойство нуклидов: заложенную априори способность претерпевать изменение структуры без какого-либо влияния внешних условий. Эта способность и может быть определена как свойство нестабильности (или просто как «нестабильность»). В таком случае общая характеристика радиоактивности получает более широкое толкование, ибо объединяет две связанные категории: состояния и действия. При этом состояние (свойство нестабильности) нуклида выступает как первичное, а действие (реализация свойства нестабильности, выражающаяся в акте превращаемости нуклида) — как вторичное.

Само понятие «нестабильность» в широком плане применяется к самым различным объектам исследования: нестабильными могут быть различные системы, конфигурации, соединения и т.п. Да и в понятийном аппарате учения о радиоактивности термин «нестабильность» не может претендовать на новизну, поскольку нередко используется как синоним термина «радиоактивность». Уточнение состоит в том, что мы предлагаем признать за радиоактивностью две связанные, но самостоятельные ипостаси, трактуя ее как свойство и как процесс.

Понятие «радиоактивность» исторически закрепилось за субатомными структурами типа атомных ядер (хотя постоянно употребляются такие термины, как «радиоактивный элемент», «радиоактивный изотоп»). Что касается субъядерных структур (элементарных частиц), превращаемость большинства из которых имеет место, то правомерно говорить об их именно нестабильности. Так, часто используемый термин «радиоактивность нейтрона» едва ли корректен. Поэтому тождество «радиоактивность = нестабильность» относится лишь к материальным структурам вполне определенного типа, притом более или менее сложным, каковыми являются атомные ядра. Употребляя в дальнейшем термин «нестабильность», мы будем иметь в виду нестабильность нуклидов как их определенное свойство.

Множество нуклидов подразделяется на два подмножества: стабильные и нестабильные. Свойство стабильности соответствует нуклидам с данной комбинацией величин Z и N. Такая комбинация остается неизменной в течение неопределенно долгого промежутка времени. Что касается свойства нестабильности, то оно характеризует потенциальную возможность превращаемости данного нуклида в другой нуклид или в другие нуклиды, притом превращаемость самопроизвольную, не зависящую от внешних условий.

Все известные нестабильные нуклиды подразделяют на две группы: существующие в природе и синтезированные. Природные нестабильные нуклиды (в интервале Z = 81–92) объединяются в три радиоактивных семейства. Все эти нуклиды, в том числе завершающие семейства стабильные изотопы свинца, вторичны по своему происхождению. Своим существованием они обязаны последовательным цепочкам радиоактивных превращений, берущих начало от долгоживущих родоначальников семейств: тория-232, урана-238 и урана-235. Три элемента – ²³²Th, ²³⁸U и ²³⁵U – первичные по происхождению, поскольку их периоды полураспада превосходят возраст существования Земли.

Таким образом, после висмута (Z = 83) нет ни одного элемента, который был бы представлен хоть одной стабильной разновидностью нуклидов. Кроме того, все нуклиды с Z = 43 и 61 радиоактивны. Эта аномалия в свое время доставила много хлопот в попытках обнаружить соответствующие элементы (технеций и прометий) в природных объектах. Она получила объяснение в рамках теоретической ядерной физики.

Итак, свойство нестабильности самопроизвольно реализуется (во всяком случае достоверно наблюдается) у сравнительно небольшого количества нуклидов, существующих в природе. Но именно этот ограниченный «материал» стал основой для изучения феномена радиоактивности и соответствующих открытий, сыгравших огромную роль в разработке современных представлений о строении и свойствах материи.

Существенно более обширное поле исследований составляют нестабильные нуклиды, полученные искусственно посредством различных ядерных реакций. Их можно разделить на две совокупности. К первой относятся нуклиды, для которых значения Z меньше или равны 92, – это изотопы элементов, существующих в природе. Ко второй принадлежат нуклиды с Z > 92. Изучение их ядерных характеристик было теоретически важным для оценки возможных предельных значений Z синтезируемых нуклидов, в частности, для появления гипотез относительно верхней границы существования атомных структур материи.

Заявляя, что данный нуклид обладает свойством нестабильности, мы лишь констатируем, что он способен к самопроизвольной превращаемости в другой (другие) нуклиды. Большей информации это утверждение не содержит. Свойство нестабильности может реализовываться различными способами, т.е. посредством нескольких видов радиоактивной превращаемости. Поэтому оно заслуживает дополнительной характеристики. Как каждый цвет имеет разнообразные оттенки, так и общее свойство нестабильности подразделяется на ряд специфических свойств, каждое из которых «маркируется» способностью нуклида именно к определенному виду радиоактивной превращаемости. Так, мы можем говорить об -нестабильности, ^–-нестабильности,
⁺-нестабильности, нестабильности по отношению к спонтанному делению и т.п.

Способность данного нуклида к превращаемости тем или иным способом определяется различными закономерностями, которым подчиняется поведение атомных ядер.

Нуклиды, существующие в природе, обладают главным образом - и ^–-нестабильностью. Изучение этих видов распада непосредственно способствовало стремительному развитию учения о радиоактивности. Они характерны и для многих синтезированных нуклидов. Теоретически все нуклиды с А > 140 принципиально способны к -превращаемости. Широко распространена
-нестабильность у трансуранов. Что касается ^–-нестабильности, то она свойственна нуклидам с избытком нейтронов, тогда как ⁺-нестабильность присуща нейтронодефицитным нуклидам.

Познание феномена радиоактивности началось с обнаружения способности урансодержащих препаратов испускать невидимые сильно проникающие лучи неизвестной природы. Уже в первых работах А.А.Беккерель сделал вывод, что излучение не ослабевает со временем. Открытия полония и радия показали, что существуют вещества, излучения которых во много раз интенсивнее уранового. Однако вскоре обнаружились факты ослабления интенсивности излучения со временем.

У.Крукс в 1899 г. открыл радиоэлемент UX ( – Прим. ред.). При отделении его от урана последний как бы утрачивал способность испускать лучи. Это заключение оказалось ошибочным, поскольку выяснилось, что UX накапливается в уране, т.е. порождается им. Фактически это было первое, хотя и не осознанное сразу свидетельство протекания естественной радиоактивной превращаемости. Поскольку одно радиоактивное вещество могло превращаться в другое, то здесь и возникало понимание радиоактивности как процесса, что требовало изучения его природы и механизма.

Общепризнано, что открытие явления радиоактивности связано с ураном, точнее с его соединением — калийуранилсульфатом. Автор открытия Беккерель использовал «фотографический метод» (почернение фотопластинки). Однако позднее выяснилось, что этот метод пригоден лишь для детектирования - и -излучений.

Как известно, природный уран почти целиком состоит из изотопа уран-238, который ^–-стабилен, а энергия его -излучения невысока (4,2 Мэв). Поэтому в экспериментах Беккереля -частицы не могли вызвать почернения фотопластинки, они задерживались бы плотной бумагой, в которую пластинка была завернута. Если бы исследователь пользовался свежеприготовленным препаратом калийуранилсульфата, то едва ли ему удалось бы сделать соответствующие наблюдения. Согласно сохранившимся свидетельствам, Беккерель пользовался образцом препарата из коллекции своего отца. Данное соединение обладает сильной способностью к фосфоресценции, а отец автора открытия радиоактивности как раз являлся крупнейшим специалистом в области изучения этого явления.

Прибор Э.Резерфорда для регистрации эманации тория (радиоэлемента UX)

Образец из коллекции хранился, по-видимому, долгие годы, а потому в нем постепенно накапливались продукты последовательной радиоактивной превращаемости урана, причем некоторые из них в сильной степени обладали ^–-активностью. Именно они в конечном счете и оказались непосредственными «виновниками» обнаружения новых лучей. Это утверждение основывается на том факте, что Крукс, отделив UX от урана, не сумел обнаружить радиоактивность последнего.

ЛИТЕРАТУРА

Старосельская-Никитина О.А. История радиоактивности и возникновения ядерной физики.
М.: Изд-во АН СССР, 1963;
Содди Ф. История атомной энергии. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1978;
Учение о радиоактивности. История и современность. М.: Наука, 1973;
The Discovery of Radioactivity and Transmutation. Ed. A. Romer. N. Y.: Dover, 1964.

Д.Н.ТРИФОНОВ