Радиоактивный газ радон

РАДИОАКТИВНЫЙ ГАЗ РАДОН

В начале XX в. достаточно было беглого взгляда на периодическую таблицу элементов, чтобы возник вопрос: а где же последний, самый тяжелый представитель инертных газов, завершающий шестой период таблицы? И, конечно, не было недостатка в исследователях, занимавшихся поисками недостающего звена цепи. Пользуясь методом Менделеева, химики уверенно судили о свойствах вещества, которого еще никто не держал в руках. Предполагалось, что это газ, притом очень тяжелый, сжижающийся и отвердевающий при относительно высоких температурах.
 
Открытие шестого газа связано с изучением радиоактивности, обнаружение которой приподняло завесу над тайной строения атома и его ядра, положило начало ядерной физике.
В 1900 г. английский физик Э. Резерфорд, изучая явление радиоактивного распада элементов, сделал важное открытие: торий испускает не только лучи, но одновременно выделяет газообразное вещество, названное ученым эманацией, что по-латыни значит «истечение». В 1900 г. Дорн в Германии и сотрудничавший с Кюри Дебьёрн во Франции обнаружили выделение такого жe газа из радия, а в 1903 г. Гизель и Дебьёрн — из актиния. В Трещинах и порах радиоактивных солей и минералов замкнуты микроскопически малые пузырьки эманации. Если их откачать вакуум-насосом, то спустя несколько дней они появляются вновь.
 
Интересно отметить, что в открытии всех трех видов эманации решающее значение имела радиоактивность этого газа, а не его спектральный анализ. Было замечено, что все находящиеся поблизости от тория, радия или актиния вещества со временем становятся радиоактивными. В поисках причины этой «наведенной» радиоактивности было установлено, что названные элементы выделяют эманацию, которая оседает на окружающих предметах вместе с продуктами своего распада, также радиоактивными и к тому же твердыми.
 
Говоря об идентичности выделяемых торием, радием и актинием газов, мы как бы стали на уровень взглядов начала текущего столетия. Но современные воззрения не таковы. Через 10 лет, обобщив большой экспериментальный материал, созданный трудами многих исследователей, Содди показал, что многие элементы (теперь мы скажем — все элементы) могут существовать в нескольких разновидностях.
 
Физические и химические свойства этих разновидностей почти одинаковы, за исключением атомного веса и (в некоторых случаях) радиоактивности. Содди дал им название «изотопы», что значит «занимающие одно и то же место»; под  местом здесь подразумевается клетка в таблице Менделеева.  
 
Именно эманации тория и радия явились первыми установленными изотопами химических элементов. Атомный вес эманации тория, открытой Оуэнсом и Резерфордом, — 220, актиния, открытой Гизелем и Дебьёрном, — 219, радия, открытой Дорном й Дебьёрном, — 222; эта разница объясняется различным числом нейтронов (при одинаковом числе протонов) в атомном ядре каждого изотопа. Сравнительно наиболее устойчива эманация радия, наименее — актиния.
 
Свойства этих изотопов в начале века никто не знал, так как ученые располагали ничтожно малыми количествами сильно загрязненных эманации. В 1903 г. этим вопросом занялся Рамзай совместно с Содди, В их распоряжении были доли грамма бромистого радия, из которого они могли получать одновременно не более 0,1 мм³ чистой эманации — редчайшего на Земле газа. Такой объем простым глазом почти невидим,  Чтобы работать с ним, приходилось изобретать особо тонкие технические приемы и приборы. Так, Рамзай построил сверхчувствительные весы, показывавшие миллиардные доли грамма. Через несколько лет он увеличил их чувствительность еще в 10 раз, Рамзай и Содди разработали способ получения эманации в относительно чистом виде, после чего стало возможным изучать ее свойства. Тут-то й выяснилось, что эманация есть не что иное, как химически недеятельный газ, подчиняющийся всем газовым законам. По величине атомного веса он оказался последним разыскиваемым членом «нулевой» группы периодической системы.
 
Рамзай и Грей дали эманации новое имя — «нитон» (от латинского слова niteo — блещу) за способность светиться в темноте и сообщать красивое свечение некоторым цинковым солям. Полтора десятилетия имена эманация и нитон уживались вместе, но позднее оба были заменены.
В 1923 г. Международный комитет по химическим элементам счел необходимым навести порядок в терминологии. Газообразные продукты радиоактивного распада было решено называть, присоединяя окончание «он» к корням названий материнских элементов. Поскольку важнейшая, самая устойчивая эманация образуется из радия, то ей было присвоено имя радон; соответственно эманация тория называется торон, а актиния — актинон.
 
Почти год исследователям не удавалось увидеть спектр радона. Рамзаю пришла мысль, что его можно сделать видимым, примешав к радону немного гелия. Ему казалось, что рядом с характерными простыми линиями гелия нетрудно будет распознать новые линии, принадлежащие радону. Однако эти попытки закончились неудачей, и ученые возвратились к капиллярным трубкам, заполненным только радоном.
 
Однажды такую трубку случайно оставили неисследованной, и когда через несколько, дней исследовали ее спектр, в нем обнаружили хорошо знакомые линии заведомо отсутствующего гелия. Еще и еще раз повторяли опыт — спектр гелия неизменно появлялся. Значит, при распаде радона образуется гелий? Подтвердилось высказанное ранее предположение Резерфорда: гелий обнаруживается в содержащих уран и торий минералах по той причине, что он является одним из продуктов последовательного радиоактивного распада атомов урана и тория.
 
Теперь уже нетрудно было сделать еще один логический вывод: α-излучение есть не что иное, как поток ядер гелия. Доказано это было Резерфордом простым, но изящным и убедительным опытом. В узкую стеклянную трубку со стенками достаточно тонкими (0,01 мм), чтобы сквозь них беспрепятственно проникали α-частицы, вводился радон. Запаянная трубка помещалась в другую, толстостенную, которая с одной стороны оканчивалась капиллярной разрядной трубкой с платиновыми электродами, а с другой соединялась с напорным сосудом, содержащим ртуть. Через несколько дней накопившийся во внешней трубке газ под давлением ртути вытеснялся в разрядную трубку. При пропускании тока возникало свечение, и в спектре наблюдались характерные линии гелия.
 
Как   происходит   превращение ааа-частиц в   гелий?  Образующиеся       при радиоактивном  распаде  ядра      гелия обладают большой кинетической   энергией,   достаточной   для     того,   чтобы выбить электроны из       любых тел, с которыми они сталкиваются. Захватывая электроны, α-частицы образуют обычный гелий:
 
Не⁺⁺ +2е   Не
 
Оттого что  ядро гелия приобретает электронную оболочку, диаметр ной лучившегося атома увеличивается примерно в 100 000 раз (в сравнении с диаметром ядра), поэтому его проникающая способность становится гораздо меньшей; меняются и другие свойства. О распаде радия на два элемента — радон и гелий — свидетельствовал и баланс атомных весов:
 
Ra226  Rn222 + He4
 
Таким образом, идея вечности и неизменности атомов оказалась подорванной. Превращаемость элементов стала
доказанным  фактом.
 
Триумф закона Менделеева
Выдающаяся роль в открытии и изучении инертных газов принадлежит Уильяму Рамзаю. Успех Рамзая был предопределен его теоретической позицией — он был непоколебимым сторонником периодического закона Менделеева.
Велик был его опыт искусного экспериментатора, счастливо наделенного научной интуицией.
Периодическая  система  элементов  предусматривает
существование только шести инертных газов, так как последний, седьмой период остается незавершенным из-за неустойчивости ядер его самых тяжелых элементов. После того как все шестеро заняли свои клетки, казалось, не было оснований искать новые инертные газы. Тем не менее поиски продолжались еще довольно долго. Ведь научный мир никогда не испытывал недостатка в скептиках. Еще и еще раз пытались разделить на «составные элементы» гелий и аргон, искали новые линии в спектрах самых легких и самых тяжелых элементов.
 
В 1907 г. Мур исследовал остатки не менее чем 120 т жидкого воздуха. Кропотливым трудом он выделил 220 мл жидкого сырого криптона. Испарив его, Мур в остаточной порции, обнаружил чистейшие линии ксенона. Там не было и следов другого газа, более тяжелого или
менее летучего, чем ксенон. К такому же выводу пришел в 1913 г. Д. Д. Томсоя, исследуя воздух при помощи каналовых лучей (потока положительно заряженных ионов). Шифер и Фробезе в 1910 г. произвели последнюю попытку расчленить аргон, прибегнув к его дробной кристаллизации близ точки плавления. Уже в 1923 г. известный английский физик Астон исследовал ксенон, полученный из 439 т жидкого воздуха, однако никакого нового газа не обнаружил.
 
Любопытна история гипотетического элемента с атомным весом 178. Его существование предположил Рамзай, указав ему место в таблице Менделеева между ксеноном и радоном. При этом Рамзай основывался на представлении, что шестой период, подобно четвертому и пятому, состоит из 18 элементов. В поисках элемента Рамзай фракционировал и исследовал остаток от 100 т жидкого воздуха. Вскоре выяснилось, что шестой период вмещает 32 элемента (среди них 15 лантаноидов), и таким образом был снят вопрос о седьмом инертном газе.
 
Может создаться впечатление, что все эти опыты с отрицательными результатами были излишни и бесполезны. Но это не так. Закон Менделеева родился из практики, являясь ее гениальным обобщением. И практикой он должен был проверяться как высшим критерием его силы и жизненности. Многочисленные пристрастные поиски инертных элементов еще более укрепили периодический закон, доказали, что он может служить надежным компасом при продвижении исследователей в сложном лабиринте научных фактов.
 
Открытие аргона первоначально было трудно объяснить с точки зрения периодического закона. Прошло несколько лет, и открытие всей семьи недеятельных газов стало новым триумфом закона Менделеева. Так расцениваем мы эту яркую страницу в истории естествознания, так расценивал ее и Менделеев? «Это, — писал он, — было своего рода испытание теоретической стороны периодического закона. Испытание было выдержано с успехом периодическая законность, нимало не нарушаясь, оказалась удовлетворяющей и аргонным элементам. Эти элементы по величине их атомных весов заняли точное место между галоидами и щелочными металлами».
 
Самый факт существования недеятельных элементе в природе не мог не оказать влияния на дальнейшее развитие теоретических представлений в химии и физике, в особенности представлений о строении электронной оболочки атомов, о сущности и механизме химической связи между элементами, о природе молекулярных сил. Эти вопросы были и остаются кардинальными вопросами химической науки. Напомним, что дату зарождения ядерной физики обычно приурочивают к постановке Резерфордом опыта по изучению рассеяния α-частиц; опыт позволил установить существование ядра в центре атома. Мы видели, что с ядрами атомов гелия связано открытие естественной радиоактивности, с их же помощью была обнаружена искусственная радиоактивность.   
 
Далее мы увидим, что изотопы инертных газов явились той машиной времени, которая помогла науке заглянуть в начальный период развития Земли и всей Солнечной системы, в механизмы звездного синтеза химических элементов, прочесть отдельные фрагменты из истории Вселенной и кое-что понять в ее строении.
Статья на тему Радиоактивный газ радон