— Вот! Налицо слабость связи школы с практикой. Что атомную энергию получают в ядерных реакторах — все знают. Что при делении урана выделяется громадная энергия — всем известно. Но ведь это же только одна сторона. А есть две другие — и о них наша популярная литература мало заботится. Какие? Пожалуйста! Применение радиоактивных изотопов — раз. Действие радиоактивных излучений на вещества — два. Ведь, друзья мои, радиоактивность есть результат процессов, которые совершаются в атомном ядре. Всякий радиоактивный распад сопровождается выделением энергии, и эта энергия тоже в конечном счете атомная.
Илья не любил спорить по пустякам. Но если его задевали за живое, он начинал произносить страстные монологи. В университете товарищи звали его за глаза «энциклопедистом»: физик по специальности, он неплохо разбирался в химии, и в геологии, и в медицине.
Алеша тоже был своеобразным «энциклопедистом», но только в области литературы. По-моему, никто на свете не знал на память столько стихов, сколько он. Но что касалось наук точных, в них Алеша ориентировался, мягко говоря, слабо и порой попадал впросак.
— Наверное, не так уж велико применение радиоактивных изотопов? — огорошил он Илью новым вопросом.
Тут уж Илья совсем вскипел:
— Вот что, братцы гуманитарии, скажите мне, какие вы применения знаете?
— Что-то слышали! — пробурчал Олег неопределенно. — В геологии, например, в медицине…
— А поконкретнее?
— Вспомнила! — обрадованно крикнула Майка. — Они помогают выяснить распределение питательных веществ удобрений в томатах…
— Вспомнила! — передразнил Илья. — Чудесный примерчик из школьных учебников, который повторяется уже который год! Как будто нет других применений! Их десятки, к вашему сведению! Например, Либби считает, что каждые пять минут можно выдумывать по крайней мере два новых использования… Так-то, товарищи гуманитарии!
— Было бы очень хорошо, — ядовито сказала Наташа, — если бы придумали какое-нибудь применение радиоизотопов, которое научило бы тебя вежливости! Ты, Илья, не забывайся. В филологии ты ведь тоже профан…
— Я профан? — завопил Илья, но рука Сергея легла ему на плечо:
— Погодите, бросьте ругаться! Мы, кажется, начали говорить о занятных вещах… Давайте продолжать! Про эти самые десятки применений… Вы с начальником — физик и химик, вам и карты в руки. Да и веселее будет зимовать!
— Я что? Я пожалуйста! — миролюбиво сказал Илья. — Значит, изотопы. Что такое изотопы? Атомное ядро состоит из протонов, положительно заряженных частиц, и нейтронов, которые не имеют заряда. Например, в ядре углерода шесть протонов, а нейтронов шесть — тогда имеем изотоп C12, или семь C13, или восемь C14. Это основа! А дальше, может быть, ты продолжишь? — обратился Илья ко мне. — Ведь изотопы — твоя специальность…
Мне всегда доставляет удовольствие рассказывать о своей работе. Сейчас это было вдвойне приятно, потому что тоска рассеивалась и не таким тягостным начинало казаться вынужденное пребывание в избушке.
— Хорошо! Значит, подробнее об изотопах.
Не так уж много лет назад даже крупнейшие ученые заходили в тупик, пытаясь объяснить один, казалось бы, весьма простой факт.
В своей периодической системе Д. И. Менделеев расположил химические элементы в порядке увеличения их атомных весов. У каждого последующего элемента атомный вес должен быть больше, чем у предыдущего: у азота больше, чем у углерода, у марганца больше, чем у хрома и т. д. Это последовательное увеличение атомных весов выдерживалось почти на протяжении всей таблицы и прекрасно согласовывалось с ходом периодического изменения свойств элементов.
Но в этом «почти» и таилась загвоздка.
Было в периодической системе три точки, где нарушался ход последовательного увеличения атомных весов. Это пары элементов: аргон — калий, кобальт — никель, теллур — йод.
Сравним атомные веса элементов этих пар:
Ar K Co Ni Те J
39,944 39,100 58,94 58,69 127,61 126,91.
— Как ты помнишь все эти цифры? — удивилась Майка.
— Не мешай! — Илья недовольно поморщился. — Химик их должен знать. В них — кусочек истории таблицы элементов. Продолжай, Толя.
— Нетрудно убедиться, что атомный вес последующего элемента меньше, чем у предыдущего.
Кажется, что же тут такого? Взять да переставить элементы.
С известной натяжкой это можно сделать для кобальта и никеля — близких по свойствам элементов VIII группы.
Поменяйте местами аргон и калий, теллур и йод. Получается нелепость: аргон окажется в группе щелочных металлов, а калий — среди инертных газов. Теллур попадет к галогенам, не имея с ними ничего общего. Периодическая система элементов подрывается в самой основе.
Одни ученые предсказывали крах периодической системы. Другие оставались спокойными: «Все дело в более точном определении атомных весов!» — заявляли они.
И ставили эксперименты с весьма чистыми препаратами, совершенствовали методы определения атомных весов.
Рассчитывали — и недоуменно пожимали плечами: все оставалось по-прежнему: аргон был тяжелее калия, кобальт «забегал» вперед никеля; более легкий йод следовал за теллуром.
Найти объяснение этим загадочным случаям или отказаться от таблицы элементов?
Такова была дилемма.
Отказаться всегда просто. Те, кто верил в периодический закон, стали искать объяснения.
Среди них был великий русский химик Александр Михайлович Бутлеров. Он широко известен как создатель теории строения органических соединений.
— Все ли атомы данного элемента одинаковы? — спрашивал Бутлеров. — Известно, что атомы одного и того же элемента могут иметь разную кинетическую энергию. Нельзя ли допустить, что они обладают и различными атомными весами?
И отвечал: «Каждый элемент может иметь несколько разновидностей. Все эти разновидности имеют совершенно одинаковые свойства и отличаются только по атомному весу. Кроме того, атомный вес каждой разновидности выражается целым числом».
Если продолжить мысль Бутлерова, можно предположить: отдельные разновидности содержатся в элементе в разных количествах.
Вероятно, у аргона преобладает наиболее тяжелая разновидность элемента, а у калия — наиболее легкая. Тогда атомный вес калия может оказаться в целом меньше, чем у аргона.
Бутлерову не удалось прийти к такому выводу: смерть прервала его работы. Но никто другой ни в одной стране не был в те времена — в восьмидесятых годах прошлого столетия, за тридцать лет до открытия явления изотопии — так близок к отысканию истины, как русский ученый!
Но работы Бутлерова никем не были продолжены. Все оставалось как раньше.
Нет, даже не как раньше! С открытием радиоактивности, с изучением продуктов радиоактивного распада урана, тория и актиния положение ухудшилось.
Среди продуктов радиоактивного распада тория нашли пять элементов, которые были похожи как две капли воды друг на друга и на элемент торий. Эти элементы получили названия «уран икс один», «ионий», «радиоторий», «уран игрек» и «радиоактиний». Единственное их отличие заключалось в радиоактивных свойствах.
Для них не нашлось мест в таблице элементов. Периодическая система оказалась перед новым испытанием.
Но в 1910 году английский ученый Содди предложил выход из создавшегося положения.
Он ввел понятие «изотопы». «Изотопы» — слово греческое, и по-русски означает «занимающие одно и то же место», «одинаковоместные».
Под изотопами Содди подразумевал разновидности химических элементов, которые имеют разные атомные веса и радиоактивные свойства, но обладают одинаковыми химическими и физическими характеристиками.
Стало быть, химический элемент торий имеет шесть изотопов.
Так было открыто явление изотопии. Оказалось, что радиоактивные элементы конца периодической системы состоят из нескольких изотопов.
Хорошо, но уран, торий, актиний и другие «замыкающие» таблицы Менделеева составляют лишь очень небольшую часть от всех известных химических элементов! Что же, явление изотопии характерно лишь для немногих «избранных» или же для всех элементов периодической системы?
Ученые занялись исследованием этого вопроса.
В 1913 году английский физик Мозели показал, что заряд ядра элемента, а не атомный вес должен быть положен в основу периодического закона. Места аргона (заряд ядра 18) и калия (19), кобальта (27) и никеля (28), теллура (52) и йода (53) оказались правильными. Теперь уже никто не сомневался, что объяснение неправильностей в атомных весах этих элементов следует искать в явлении изотопии.
Но как его обнаружить у других элементов? Здесь появились трудности.
У элементов конца периодической системы тот или иной изотоп можно определить по характеру радиоактивного излучения.
Большинство элементов не обладают свойством радиоактивности. Значит, надо искать другой путь определения.
Иначе говоря, нужно было найти способ, с помощью которого удалось бы различить химически одинаковые, но разные по массе атомы одного элемента.
Это сделал физик Томсон.
Сконструировав остроумную экспериментальную установку, он провел на ней исследования с инертным газом неоном.
Результаты подтвердили высказанные ранее предположения. Выяснилось, что у неона существуют две разновидности атомов: Ne20 и Ne22, то есть изотопы неона с атомными весами 20 и 22 соответственно.
Оказалось, что почти все известные нам элементы представляют собой смесь изотопов.
Объяснить, почему, например, атомный вес калия меньше атомного веса аргона, теперь не составило труда.
В самом деле, напишем изотопный состав K и Ar и процентное содержание отдельных изотопов в них:
Аргон Калий
Ar36 Ar38 Ar40 K39 K