Если бы не было урана и тория
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
…Тогда человек и до сих пор не сумел бы поставить себе на службу атомную энергию: эти два металла — основное ядерное «горючее». Тогда ученые не смогли бы искусственно получить десять трансурановых элементов, потому что главное «сырье» для них — элемент уран. Тогда открытие явления радиоактивности произошло бы не в 1896 году, а значительно позже и не носило бы столь случайный характер, как в опытах Анри Беккереля. Тогда на вопрос, какой элемент замыкает таблицу Менделеева, каждый школьник отвечал бы, не задумываясь: висмут, элемент с порядковым номером 83. И он был бы прав, потому что в существовании на Земле элементов тяжелее висмута «повинны» уран и торий. Первые три «тогда» достаточно очевидны, четвертое нужно еще доказать. Это мы и попытаемся сделать.
ГЕНЕРАТОРЫ ВТОРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Начнем со статистики, немного суховатой, но очень нужной для нашей цели. Выберем самые долгоживущие изотопы радиоактивных элементов и выпишем для них периоды полураспада — Т.
Это одна нить наших рассуждений. Другую дадут астрономия и геология. В звездах непрерывно происходит образование химических элементов. Различные ядерные реакции сначала приводят к синтезу легких представителей таблицы Менделеева. Затем звезды сами по себе изменяются, эволюционируют, и в ходе их эволюции синтезируются все более и более тяжелые элементы, вплоть до трансурановых. Считается, что в момент образования солнечной системы в ней имелись в достаточном количестве все известные нам сто два элемента.
Возраст солнечной системы, по новейшим данным, около пяти миллиардов, то есть 5,10 в 9-ой степени лет. Теперь спрашивается: все ли радиоактивные элементы, имевшиеся на Земле в момент ее образования, сумели дожить до наших дней?
Свяжем обе нити рассуждений. Сопоставим возраст Земли с периодами полураспада самых долгоживущих изотопов радиоэлементов. Только для урана-238, урана-235 и тория-232 периоды полураспада соизмеримы с цифрой 5,10 в 9-ой степени лет. Нетрудно понять, что за время существования Земли количество этих изотопов уменьшилось примерно вдвое. «Первоначальные» полоний, астатин, радон, франций, радий, актиний и протактиний, имея малые значения Т, распались уже в первые тысячелетия после образования солнечной системы. Те количества этих элементов, которые мы сейчас обнаруживаем в земной коре, уже вторичного происхождения. Они не что иное, как продукты распада долгоживущих изотопов урана и тория.
Так же не «дожили» до наших дней и первоначальные трансурановые элементы. Следовательно, имей уран и торий меньшие периоды полураспада, скажем, порядка 10 в 6-ой степени и 10 в 7-ой степени лет, они давно бы уже исчезли с поверхности Земли. А отсутствие этих «генераторов вторичных элементов» привело бы к тому, что периодическая система обрывалась на висмуте.
Подведем первые итоги. Мы можем теперь подразделить все химические элементы на первичные и вторичные. Первичные — это те, которые, раз образовавшись, до сих пор сохранились в земной коре. К ним относятся элементы от водорода до висмута минус технеций и прометий. Наконец, торий и уран — также элементы первичные. Таким образом, восемьдесят три химических элемента были свидетелями образования солнечной системы. Остальные же, вторичные, рождались и рождаются заново уже в земных условиях. Среди них два — астатин и францин – на особом положении.
Их исключительность бросается в глаза сразу: достаточно сказать, что в слое земной коры толщиной 1,6 км содержится всего 69 мг астатина-218 и 24,5 г франция-223 — основных природных изотопов этих элементов. Поэтому-то так долго и пустовали клетки периодической системы с порядковыми номерами 85 и 87. Только в 1939 году удалось выделить следы франция-223 из образца актиния; существование же астатина в земной коре доказали уже после того, как элемент был получен искусственно в 1940 году. Чем же объяснить столь уникально малое содержание астатина и франция в земной коре? Двумя причинами.
Изотопы этих элементов во всех трех радиоактивных семействах находятся не на главном направлении радиоактивных превращений, а на ответвлениях. С другой стороны, изотопы астатина и франция имеют очень малые периоды полураспада и попросту не успевают накапливаться в достаточных количествах. Так, у астатина-218 Т = 3 сек., а франция-223 — 21 мин. Столь малые величины Т объясняются высокой энергией а-распада изотопов этих элементов. Стало быть, в радиоактивном равновесии с родоначальниками семейств — ураном и торием — могут находиться лишь следы астатина и франция.
Правда, ученые доказали существование в природе и четвертого радиоактивного семейства, возглавляемого нептунием-237. Этот изотоп в ничтожных количествах образуется в земной коре из урана-238. Нептуниевое семейство целиком состоит из вторичных изотопов, так как все его члены имеют много меньшую, чем возраст Земли, продолжительность жизни. В семействе нептуния-237 астатин и франций находятся на главном направлении превращений, но этот факт представляет лишь теоретический интерес, потому что частям урана-238 соответствует лишь одна (!) часть всех членов семейств, вместе взятых.
Если уж речь пошла о нептунии, то интересно выяснить… встречаются ли в природе трансурановые элементы! Проведя химический анализ некоторых урановых руд, содержащих нептуний и плутоний, ученые подсчитали: из тонны руды выделяется всего лишь одна миллионная доля грамма плутония-239.
Обнаруженные в природе нептуний-237 и плутоний-239 имеют небольшие по сравнению с возрастом Земли периоды полураспада. Оба эти элемента вторичного происхождения, они образуются в результате ядерных реакций. Их распространенность хотя и ничтожная, но все-таки превосходит содержание в земной коре астатина и франция.
Существование других трансуранов в минералах и рудах пока не отмечалось. Нельзя, конечно, полностью отрицать постоянное образование в природе незначительного количества атомов даже самых тяжелых трансурановых элементов. Практические доказательства остаются за более высокой измерительной техникой будущего.
Подведем опять итог. Природные трансурановые элементы синтезируются благодаря урану; искусственные трансураны, получаемые в физических лабораториях, тоже ведут начало от урана. Следовательно, девяносто второй представитель периодической системы снова выступает перед нами в роли «генератора элементов».
Покончили мы со вторичными элементами? Еще нет.
ТЕХНЕЦИЙ И ПРОМЕТИЙ — РЕДКАЯ АНОМАЛИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
В самом деле, только два элемента на «перегоне» от водорода до висмута — технеций и прометий — не имеют ни одного стабильного изотопа. Ученые получили примерно по пятнадцати искусственных изотопов технеция и прометия. Когда измерили величины Т для изотопов технеция, оказалось, что ни один из них не мог «дотянуть» до наших дней. Так же и у прометия самый долгоживущий изотоп — прометий-145. Он B-активен с периодом полураспада всего 30 лет.
Однако, как элементы вторичные, технеций и прометий наверняка должны присутствовать в природе. Каковы же их источники? Во-первых, распад соседних элементов. «Беда лишь в том, что у технеция и прометия нет такой богатой «питательной среды», как торий и уран — для вторичных представителей конца периодической системы.
Теперь во-вторых. Как это ни парадоксально на первый взгляд, своеобразным «генератором» для технеция с прометием может быть все тот же вездесущий уран. Тяжелым элементам свойствен своеобразный вид радиоактивного распада, так называемое спонтанное деление, при котором ядро самопроизвольно разваливается на два осколка примерно равной величины. Этому процессу подвержен и уран, причем доли изотопов технеция и прометия среди осколков его деления составляют соответственно 6% и 3%.
ПОСЛЕДНИЙ ИТОГ
Открытие радиоактивности было связано с солями урана. Выделение целой плеяды химических элементов между висмутом и ураном теснейшим образом связано с изучением этого нового явления. Радиоактивность заложила основы ядерной химии — науки о превращении элементов, — оказала громадное влияние на развитие атомной физики, привела к установлению и объяснению изотопии.
Не будь на Земле урана и тория, открытие радиоактивности совершилось бы много позже. «Виновниками» этого, вероятно, оказались бы природные радиоизотопы некоторых элементов середины таблицы — калия, рубидия, индия, самария. Но изучать новое явление было бы значительно труднее. Вот какие «неудобства» испытала бы наука, если бы не было урана и тория.
Автор: Д. Трифонов.