Таким образом, в настоящее время периодический закон Д. И. Менделеева формулируется следующим образом: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их порядковых номеров.
Очень интересно отметить, что при распределении элементов в своей таблице Д. И. Менделеев безошибочно поставил на свои места такие элементы, как кобальт и никель, иод и теллур. Как теперь установлено, такое их расположение, хотя оно и нарушает последовательность в возрастании атомных весов, в точности соответствует заряду ядер атомов этих элементов!
Изучение радиоактивности привело учёных к открытию, что среди радиоактивных элементов имеются такие, которые, несмотря на различие в атомном весе, обладают совершенно одинаковыми химическими свойствами. Эти элементы не могут быть химически отделены друг от друга.
Такие элементы были названы изотопами.
Дальнейшие исследования показали, что изотопы имеются не только среди радиоактивных, но и среди большинства элементов периодической системы. В природе химические элементы оказались «смешанными», состоящими из нескольких изотопов.
В настоящее время известно уже до 1000 различных изотопов.
Явление изотопии изменило весь внешний облик периодической системы. Как теперь установлено, существуют многие группы химических элементов — изотопов, каждая из которых занимает только одну клетку, одно место в таблице Менделеева.
Явление изотопии дало также возможность объяснить нарушения в последовательности атомных весов элементов, встречающихся в таблице Д. И. Менделеева, — у теллура, иода и других.
Дальнейшее уточнение и пополнение таблицы Менделеева принесло изучение атомного ядра.
Первое расщепление атомного ядра было произведено 35 лет назад, в 1919 году, когда при облучении («бомбардировке») атомов азота альфа-частицами, вылетающими при распаде радия, были получены атомы одного из изотопов кислорода (с атомным весом 17). В опытах по расщеплению ядер было установлено, что в состав ядер входят положительно заряженные элементарные частицы — протоны, или, иными словами, ядра атомов водорода (как известно, заряд ядра атома этого элемента равен единице и является поэтому минимальным положительным зарядом ядерной частицы).
Было предположено, что в состав атомных ядер входят протоны и электроны. Однако это предположение оказалось неверным.
В 1932 году при «бомбардировке» альфа-частицами атомов элемента бериллия была открыта новая частица, входящая в состав атомного ядра, названная нейтроном. Масса этой частицы почти точно равна массе протона, но в отличие от него нейтрон не несёт никакого заряда.
Открытие нейтрона позволило установить строение атомных ядер. Советский физик Д. Д. Иваненко предложил рассматривать ядро как систему, состоящую из нейтронов и протонов.
Таким образом, на основе известных нам теперь данных можно считать, что все атомы химических элементов построены из трёх основных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые две частицы определяют строение ядра, а также величину атомного веса, а электроны — внешнюю оболочку атома.
Было установлено, что для каждого ядра существуют определённые соотношения протонов и нейтронов, в противном случае ядро перестаёт быть устойчивым.
Если каким-нибудь образом изменить соотношение нейтронов и протонов в ядре, то при избытке первых в ядре происходит превращение нейтронов в протоны с излучением одного электрона, который увеличивает тем самым заряд ядра на одну единицу. Наоборот, при избытке протонов последние превращаются в нейтроны, излучая при этом положительно заряженную элементарную частицу — позитрон, — и заряд ядра понижается на единицу.
Наиболее устойчивой комбинацией протонов и нейтронов считается такое их количество, которое соответствует образованию альфа-частицы, то есть два протона и два нейтрона.
Дальнейшие исследования состава ядер отдельных элементов показали, что у лёгких атомов число нейтронов и протонов равно, и поэтому такие атомы устойчивы.
Но по мере возрастания атомного веса избыток нейтронов становится всё более значительным, а, начиная с элемента № 81 (таллий), эта разница в соотношении нейтронов и протонов возрастает ещё быстрее. Вот почему среди элементов, следующих за таллием, мы находим большое число естественных радиоактивных элементов.
Новые достижения в науке об атомном ядре связаны с работами французских учёных супругов Жолио-Кюри. Облучая альфа-частицами атомы кремния, алюминия и бора, они получили искусственные радиоактивные изотопы фосфора и азота.
Позднее получены искусственным путём радиоактивные изотопы почти для всех элементов. При этом были получены последние четыре недостающие элемента периодической таблицы с атомными номерами 43, 61, 85 и 87.
Элемент № 43 — технеций (Тс) — был открыт в 1937 году при «бомбардировке» молибдена нейтронами и ядрами изотопа водорода — так называемого тяжёлого водорода. Опыты показали, что технеций по своим свойствам гораздо больше похож на более тяжёлый, родственный ему элемент рений, чем на вышестоящий в группе марганец.
Назван он был технецием потому, что был первым элементом, полученным искусственным путём.
Элемент № 61 —прометий (Pm) — был найден при исследовании продуктов деления ядер атомов урана. Этот элемент входит в состав группы редкоземельных элементов и по своим свойствам похож на предшествующий ему элемент неодим (см. таблицу Менделеева).
Элемент № 85 — астатин (At) — был получен из висмута действием альфа-частиц. При низких температурах он летуч. Учёные, открыв этот элемент, дали ему название нестабильный, что по-гречески и означает астагин (так как это единственный галоген, не имеющий стабильных изотопов).
И, наконец, элемент № 87 — франций (Fr) — был получен при альфа-распаде актиния. Это — наиболее тяжёлый из всех известных нам щелочных металлов.
Существование технеция, астатина и франция также было предсказано Менделеевым.
Чтобы закончить рассмотрение периодического закона химических элементов, необходимо ещё остановиться на новых элементах выше № 92, так называемых трансурановых или заурановых элементах.
Попытки найти или получить заурановые элементы делались уже давно, но получены эти элементы были лишь после того, как в 1939 году было открыто явление деления ядер урана нейтронами.
Процесс этого деления урана состоит в следующем. Уран встречается в природе в виде смеси изотопов с массой главным образом 235 и 238. Урана с массой 235 очень мало — не более 0,7 процента, остальная часть приходится на уран 238.
При обстреле атомов урана нейтронами уран 235 захватывает один нейтрон и превращается в уран с массой 236. Этот изотоп нестоек и в свою очередь приводит к распаду ядра с цепью радиоактивных превращений. При этом, — что очень важно, — всегда освобождается два-три нейтрона, которые могут вызвать продолжение такой, как называют учёные, цепной ядерной реакции. Это означает, что если вылетевшие нейтроны вновь попадут в следующее ядро урана 235, они будут продолжать реакцию деления ядра и т. д. Эта реакция и является основой для получения атомной, или вернее, ядерной энергии[5].
Иначе ведёт себя изотоп урана с массой 238. При его обстреле медленными нейтронами последние захватываются ядром. Ядро переходит в неустойчивое состояние, в результате чего оно выбрасывает из себя бета-частицу сначала одну, а затем и другую. Заряд ядра при этом изменяется, и мы получаем новые элементы с порядковыми номерами 93 и 94.
Эти элементы были названы нептунием и плутонием.
Так претворена была в жизнь мысль учёных о получении искусственных элементов через ряд радиоактивных превращений.
Нептуний, а за ним плутоний были открыты в 1940 году. В последующие годы получены были изотопы нептуния, наиболее устойчивым из которых является нептуний с массой 237. Известны изотопы и плутония. Наиболее интересным оказался изотоп с массой 239 — он хотя и радиоактивен, но распадается очень медленно.
В настоящее время получены также и другие трансурановые элементы с порядковыми номерами — 95 (америций), 96 (кюрий), 97 (берклий) и 98 (калифорний).
Америций с массой 241 распадается медленно, что позволило исследовать химические свойства этого элемента. Удалось даже получить его в виде соединения.
Изотоп кюрия с массой 242 распадается медленно, испуская альфа-частицы, что также позволило учёным изучить его химические свойства.
Все трансурановые элементы составляют особую группу, сходную с группой редкоземельных элементов.
Эта группа объединяет в себе элементы, начиная от № 89 (актиний) и далее. Именуется она, как уже говорилось, группой актинидов.
* * *
Таков путь развития взглядов на природу основных веществ мироздания — химических элементов.
