Острый интерес к изучению внутреннего строения атома (см. т. 2, глава 5, пп. 5.2–5.3) привел к новому пониманию проблемы естественной радиоактивности. Однако такое понимание не только не устранило имеющиеся проблемы в изучении этого явления, но и привело к появлению целого ряда острых вопросов.

Еще в 1900 г. У. Крукс (см. т. 2, глава 5, п. 5.2.1) обнаружил, что с течением времени сравнительно слабое излучение соединений урана не только не исчезает, а наоборот, усиливается. В 1902 г., принимая во внимание наблюдения У. Крукса, Э. Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди высказали предположение, что при радиоактивном распаде урана, сопровождающемся испусканием α-частицы, происходит образование атома другого элемента, который характеризуется более интенсивной радиоактивностью.

Как было установлено позднее, атом урана, обозначенный UI (впоследствии выяснилось, что это изотоп ²³⁸U), в результате последовательных процессов расщепления порождает целую серию радиоактивных элементов, названную радиоактивным рядом. Среди элементов первого ряда UI были обнаружены радий Ra и полоний Po, а заканчивался ряд свинцом, который не является радиоактивным элементом. Именно система последовательных процессов распада ядер служит причиной того, что такие редкие радиоактивные элементы, как Ra, Po и другие можно отыскать в урановых минералах. Было установлено, что родоначальником второго радиоактивного ряда также является атом урана, названный актиноураном AcU (по современным данным, это изотоп ²³⁵U). Для третьего подобного ряда начало всех превращений соответствовало атому тория ²³²Th.

Ученых беспокоил вопрос, почему в условиях непрекращающегося радиоактивного распада элементы все-таки продолжают существовать? Ответ на этот вопрос в 1903 г. дали Э. Резерфорд и Ф. Содди. Они изучали скорость радиоактивного распада радия и тория, фиксируя число α-частиц, испускаемых данной массой радиоактивного элемента за определенный промежуток времени. Регистрацию α-частиц Резерфорд проводил при помощи сцинтилляционного счетчика[41].

Поскольку рождение каждой новой α-частицы соответствовало распаду одного атома радия или тория, ученые могли точно определять, сколько атомов каждого радиоактивного элемента расщепляется в тот или иной промежуток времени.

В 1903 г. Ф. Содди и Э. Резерфорд экспериментальным путем обнаружили закон радиоактивного распада, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце^{482}. За это открытие ученые впоследствии были награждены Нобелевской премией.

Новый закон ученые сформулировали следующим образом:

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

^{Фредерик Содди (1877–1956)}

^{Радиоактивный ряд урана-238}

C помощью теоремы Бернулли ученые сделали вывод о том, что скорость превращения все время пропорциональна количеству систем, которые еще не подверглись превращению^{483}. Поскольку скорость радиоактивного распада пропорциональна исходному числу ядер, количественно этот процесс можно описать при помощи уравнения:

Nt =N₀e^–λt, (6.1)

где N₀ — первоначальное число радионуклидов; N_t — число ядер, сохранившихся к моменту времени t; λ — постоянная радиоактивного распада, равна доле ядер, распадающихся в единицу времени.

Зная точную массу и число атомов радиоактивного элемента, английские физики рассчитали время, необходимое для распада половины имеющегося количества радиоактивного элемента. Этот период времени, обозначаемый T_½, Э. Резерфорд назвал периодом полураспада.

Период полураспада T_½ связан с постоянной распада λ соотношением:

T_½ = ln2/λ = 0,693λ. (6.2)

^{Зависимость количества распадающихся ядер от времени}

Уравнение (6.2) показывает, что для каждого конкретного вида ядер период полураспада T_½ является постоянной величиной (таблица 6.1). Из этой таблицы видно, что период полураспада ²³⁸U составляет 4,5x10⁹ лет, а для атома ²³⁴U — 2,48x10⁵ лет. Торий ²³²Th распадается медленнее — T_½ для него составляет 1,39х10¹⁰ лет. Поскольку распад урана является постоянным процессом, его можно использовать для определения возраста Земли. В 1907 г. американский химик Б.Б. Болтвуд предположил, что по содержанию свинца в природных месторождениях урана имеется возможность провести ориентировочный расчет возраста нашей планеты. Исходя из допущения, что весь свинец, содержащийся в урановых минералах, образовался в результате распада урана, ему удалось определить, что возраст твердой земной коры исчисляется, по крайней мере, четырьмя миллиардами лет.

Таблица 6.1

Основные физические параметры радиоактивного распада некоторых изотопов

Продолжая изучать изменения радионуклидов, происходящие в результате их распада с выделением α-частиц, β-частиц (электронов) или γ-лучей, в 1913 г. Ф. Содди установил следующие закономерности, которые получили название правил радиоактивного смещения, или правил сдвига:

1. Если радионуклид испускает α-частицу (ядро атома гелия ⁴₂He), общий заряд его ядра уменьшается на две единицы, поэтому образующийся в результате такого распада элемент смещается в Периодической таблице на две клетки влево от исходного.

2. Если радионуклид излучает β-частицу (электрон), то происходит образование элемента с тем же массовым числом, но смещенного в Периодической таблице на одну клетку вправо.

3. В случае испускания нейтральных γ-лучей уменьшается только энергия атомного ядра, в то время как заряд ядра и, следовательно, природа элемента не изменяется.

К аналогичным выводам независимо от Ф. Содди пришел К. Фаянс (см. т. 2, глава 2, п. 2.2). Руководствуясь правилами Содди-Фаянса, химики смогли обстоятельно изучать процессы, происходящие в радиоактивных рядах^{484}. Научные интересы Фаянса были в значительной степени привязаны к изучению радиоактивных элементов. Существенный интерес он проявлял и к процессам выделения радиоактивных элементов из природных соединений. Вместе с австрийским ученым Ф.А. Панетом Фаянс сформулировал правило соосаждения радиоактивных элементов из растворов.

Российские ученые также внесли существенный вклад в изучение химии и технологии радиоактивных элементов. Основоположником школы российских радиохимиков следует считать академика В.Г. Хлопина. Он не только разработал технологию промышленного получения радия и редких элементов, но и руководил созданием первого в нашей стране радиевого завода, на котором были получены радиоактивные препараты, изготовленные из отечественного сырья. Занимаясь усовершенствованием технологии разделения радиоактивных элементов, в 1924 г. В.Г. Хлопин открыл закон распределения микрокомпонентов между кристаллами и насыщенным раствором, названный его именем^{485}. В соответствии с этим законом происходит, например, распределение радиоактивных микрокомпонентов при их соосаждении с изоморфным носителем. Ученые под руководством академика Хлопина изучали процессы миграции радиоактивных элементов в земной коре. Исследования В.Г. Хлопина практически всегда соединяли в себе фундаментальные и прикладные аспекты радиохимии. Ему принадлежит не только каноническая формулировка закона разделения радиоактивных веществ посредством изоморфной кристаллизации, но и разработка технологии промышленного получения плутония из природного урана.

^{Виталий Григорьевич Хлопин (1890–1950)}