Якби не було урану і торію

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

…Тоді людина і до сих пір не зуміла би поставити собі на службу атомну енергію: ці два метали – основне ядерне «пальне». Тоді вчені не змогли б штучно отримати десять трансуранових елементів, бо головна «сировина» для них – елемент уран. Тоді відкриття явища радіоактивності відбулося б не в 1896 році, а значно пізніше і не носило б настільки випадковий характер, як у дослідах Анрі Беккереля. Тоді на питання, який елемент замикає таблицю Менделєєва, кожен школяр відповідав би, не замислюючись: вісмут, елемент з порядковим номером 83. І він був би правий, тому що в існуванні на Землі елементів важче вісмуту «винні» уран і торій. Перші три «тоді» досить очевидні, четверте потрібно ще довести. Це ми і спробуємо зробити.

ГЕНЕРАТОРИ ВТОРИННИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Почнемо зі статистики, трохи сухуватої, але дуже потрібної для нашої мети. Виберемо самі довгоживучі ізотопи радіоактивних елементів і випишемо для них періоди напіврозпаду – Т.

Це одна нитка наших міркувань. Іншу дадуть астрономія і геологія. У зірках безперервно відбувається утворення хімічних елементів. Різні ядерні реакції спочатку призводять до синтезу легких представників таблиці Менделєєва. Потім зірки самі по собі змінюються, еволюціонують, і в ході їх еволюції синтезуються все більш і більш важкі елементи, аж до трансуранових. Вважається, що в момент утворення сонячної системи в ній були в достатній кількості всі відомі нам сто два елемента.

Вік сонячної системи, за новітніми даними, близько п’яти мільярдів, тобто 5,10 в 9-тій ступені років. Тепер питається: чи всі радіоактивні елементи, що були на Землі в момент її утворення, зуміли дожити до наших днів?

Зв’яжемо обидві нитки міркувань. Зіставимо вік Землі з періодами напіврозпаду найбільш довгоживучих ізотопів радіоелементів. Тільки для урану-238, урану-235 і торію-232 періоди напіврозпаду сумірні з цифрою 5,10 в 9-тій ступені років. Неважко зрозуміти, що за час існування Землі кількість цих ізотопів зменшилася приблизно вдвічі. «Початкові» полоній, астатин, радон, францій, радій, актиній і протактиній, маючи малі значення Т, розпалися вже в перші тисячоліття після утворення сонячної системи. Ті кількості цих елементів, які ми зараз виявляємо в земній корі, вже вторинного походження. Вони не що інше, як продукти розпаду довгоживучих ізотопів урану і торію.

Так само не «дожили» до наших днів і початкові трансуранові елементи. Отже, май уран і торій менші періоди напіврозпаду, скажімо, порядку 10 у 6-тій степені і 10 в 7-ій степені років, вони давно б вже зникли з поверхні Землі. А відсутність цих «генераторів вторинних елементів» призвела б до того, що періодична система обривалася на вісмуті.

Підіб’ємо перші підсумки. Ми можемо тепер підрозділити всі хімічні елементи на первинні та вторинні. Первинні – це ті, які, раз утворившись, досі збереглися в земній корі. До них належать елементи від водню до вісмуту мінус технецій і прометій. Нарешті, торій і уран – також елементи первинні. Таким чином, вісімдесят три хімічних елемента були свідками утворення сонячної системи. Інші ж, вторинні, народжувалися і народжуються заново вже в земних умовах. Серед них два – астатин і францін – на особливому положенні.

Їх винятковість кидається в очі відразу: досить сказати, що в шарі земної кори товщиною 1,6 км. міститься всього 69 мг. астатину-218 і 24,5 г. франція-223 – основних природних ізотопів цих елементів. Тому-то так довго і пустували клітини періодичної системи з порядковими номерами 85 і 87. Тільки в 1939 році вдалося виділити сліди франція-223 зі зразка актинія; існування ж астатину в земній корі довели вже після того, як елемент був отриманий штучно в 1940 році. Чим же пояснити настільки унікально малий вміст астатину і франція в земній корі? Двома причинами.

Ізотопи цих елементів у всіх трьох радіоактивних сімействах знаходяться не на головному напрямку радіоактивних перетворень, а на відгалуженнях. З іншого боку, ізотопи астатину і франція мають дуже малі періоди напіврозпаду і попросту не встигають накопичуватися в достатніх кількостях. Так, у астатину-218 Т = 3 сек., а франція-223 – 21 хв. Настільки малі величини Т пояснюються високою енергією а-розпаду ізотопів цих елементів. Стало бути, в радіоактивній рівновазі з родоначальниками сімейств – ураном і торієм – можуть перебувати лише сліди астатину і франція.

Правда, вчені довели існування в природі і четвертого радіоактивного сімейства, очолюваного нептунієм-237. Цей ізотоп в незначних кількостях утворюється в земній корі з урану-238. Нептунієве сімейство цілком складається з вторинних ізотопів, так як всі його члени мають багато меншу, ніж вік Землі, тривалість життя. У сімействі нептунію-237 астатин і францій знаходяться на головному напрямку перетворень, але цей факт представляє лише теоретичний інтерес, тому що частинам урану-238 відповідає лише одна (!) частина всіх членів сімейств, разом взятих.

Якщо вже мова пішла про нептуній, то цікаво з’ясувати… чи зустрічаються в природі трансуранові елементи! Провівши хімічний аналіз деяких уранових руд, що містять нептуній і плутоній, вчені підрахували: з тонни руди виділяється всього лише одна мільйонна частка грама плутонію-239.

Виявлені в природі нептуній-237 і плутоній-239 мають невеликі в порівнянні з віком Землі періоди напіврозпаду. Обидва ці елементи вторинного походження, вони утворюються в результаті ядерних реакцій. Їх поширеність хоча і незначна, але все-таки перевершує вміст в земній корі астатину і франція.

Існування інших трансуранів в мінералах і рудах поки не відзначалося. Не можна, звичайно, повністю заперечувати постійне утворення в природі незначної кількості атомів навіть найважчих трансуранових елементів. Практичні докази залишаються за більш високою вимірювальною технікою майбутнього.

Підіб’ємо знову підсумок. Природні трансуранові елементи синтезуються завдяки урану; штучні трансурані, одержувані у фізичних лабораторіях, теж ведуть початок від урану. Отже, дев’яносто другий представник періодичної системи знову виступає перед нами в ролі «генератора елементів».

Чи покінчили ми з вторинними елементами? Ще ні.

ТЕХНЕЦІЙ ТА ПРОМЕТІЙ – РІДКІСНА АНОМАЛІЯ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ

Справді, тільки два елементи на «перегоні» від водню до вісмуту – технецій і прометій – не мають жодного стабільного ізотопу. Вчені отримали приблизно по п’ятнадцяти штучних ізотопів техніція і прометія. Коли виміряли величини Т для ізотопів техніція, виявилося, що жоден з них не міг «дотягнути» до наших днів. Так само і в прометія самий довго живучий ізотоп – прометій-145. Він B-активний з періодом напіврозпаду всього 30 років.

Однак, як елементи вторинні, технецій і прометій напевно повинні бути присутніми в природі. Які ж їх джерела? По-перше, розпад сусідніх елементів. «Біда лише в тому, що у технеція і прометія немає такого багатого «живильного середовища», як торій і уран – для вторинних представників кінця періодичної системи.

Тепер друге. Як це не парадоксально на перший погляд, своєрідним «генератором» для техніція з прометієм може бути все той же всюдисущий уран. Важким елементам властивий своєрідний вид радіоактивного розпаду, так зване спонтанне ділення, при якому ядро мимовільно розвалюється на два осколки приблизно рівної величини. Цьому процесу схильний і уран, причому частки ізотопів техніція і прометія серед осколків його поділу становлять відповідно 6 % і 3%.

ОСТАННІЙ ПІДСУМОК

Відкриття радіоактивності було пов’язано з солями урану. Виділення цілої плеяди хімічних елементів між вісмутом і ураном найтісніше пов’язані з вивченням цього нового явища. Радіоактивність заклала основи ядерної хімії – науки про перетворення елементів, – справила величезний вплив на розвиток атомної фізики, привела до встановлення і пояснення ізотопії.

Не будь на Землі урану і торію, відкриття радіоактивності здійснилося б багато пізніше. «Винуватцями» цього, ймовірно, виявилися б природні радіоізотопи деяких елементів середини таблиці – калію, рубідію, індію, самарію. Але вивчати нове явище було б значно важче. Ось які «незручності» зазнала б наука, якби не було урану і торію.

Автор: Д. Трифонов.