Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Ядерна хімія займається вивченням реакцій, при яких відбувається зміна атомних ядер. Ця галузь науки почала розвиватися після відкриття радіоактивності та опублікування праць П'єра й Марії Кюрі про хімічну природу радіоактивних речовин. Уже через кілька десятиліть (протягом яких природну радіоактивність було дуже ретельно вивчено) внаслідок відкриття штучної радіоактивності відбувся величезний стрибок у розвитку цього напряму науки.
Тепер ядерна хімія перетворилася на обширну й важливу галузь науки. Вдалося одержати лабораторними методами приблизно 1000 радіоактивних нуклідів (ізотопів), тоді як природних відкрито лише 272 стійкі нукліди й 55 нестійких (радіоактивних). Використання радіоактивних ізотопів як «мічених атомів» стало цінним методом наукових досліджень, зокрема в медицині. Кероване вивільнення ядерної енергії дало нове важливе джерело енергії.
Після відкриття 1898 р. полонію й радію (розд. 3) подружжя Кюрі встановило, що радій хлорид можна відокремити від барій хлориду фракційним осадженням з водного розчину при додаванні спирту. До 1902 р. М. Кюрі одержала 0,1 г майже чистого радій хлориду, що має радіоактивність, яка приблизно в 3 000 000 раз перевищувала радіоактивність урану. Протягом кількох наступних років було встановлено, що природні радіоактивні речовини випускають промені трьох видів, які діють на фотопластинку (розд. 3). Ці промені, які називають альфа-, бета- і гамма-променями, по-різному поводяться під впливом магнітного поля (рис. 3.10). Альфа-промені являють собою потік ядер атомів Гелію, що рухаються з високими швидкостями; бета-промені — це електрони, які також рухаються з високими швидкостями; гамма-промені являють собою фотони з дуже короткими довжинами хвиль.
Рис. 20.6. Ряд Урану — Радію. Періоди напіврозпаду: секунди (с), хвилини (хв), години (год), доби (дні), роки (роки, років).
Невдовзі після цього було встановлено, що промені, які випускають радій та інші радіоактивні елементи, можуть пригнічувати розвиток злоякісних пухлин. Ці промені діють також на нормальні клітини: при тривалому впливі променів з'являються «радієві» опіки; проте здебільшого клітини злоякісних пухлин виявляються чутливішими до дії випромінювання, ніж здорові, і внаслідок відповідного лікування ракові клітини гинуть, а здоровим при цьому не завдається серйозної шкоди. Радій застосовують головним чином у медицині при лікуванні раку. Приблизно з 1950 р. замість радію (підрозд. 20.15) широко застосовують для цієї самої мети радіоактивний ізотоп кобальт-60 (60Co).
Рис. 20.7. Ряд Урану — Актинію. [Елемент 86 Радон позначено на схемі символом An (від «актинон» — історична назва ізотопу $^{219}_{86}\mathrm{Rn}$). — Прим. перекл.]
Завдяки працям багатьох дослідників хімію радіоактивних елементів ряду Урану й ряду Торію було глибоко розроблено за перші два десятиліття XX ст., а хімію ряду Нептунію — протягом кількох років після 1939 р.
Радіоактивний розпад. Ряди урану
Якщо атомне ядро випускає альфа-частинку (He2+), заряд ядра зменшується на дві одиниці й, отже, вихідний елемент перетворюється на елемент, що посідає в періодичній таблиці місце на дві групи лівіше. Його масове число (атомна маса) зменшується на 4, тобто на масу альфа-частинки. При випусканні бета-частинки (електрона) заряд ядра збільшується на одиницю без зміни масового числа (спостерігається лише дуже незначне зменшення атомної маси); у цьому випадку атом даного радіоактивного елемента перетворюється на атом іншого елемента, що посідає в періодичній системі місце на одну групу правіше. При випусканні гамма-променів не відбувається зміни ні атомного номера, ні атомної маси.
Ядерні реакції в ряду Уран — Радій наведено на рис. 20.6. Найважливіший ізотоп Урану 238U становить 99,28% природного елемента. Період напіврозпаду цього ізотопу дорівнює 4,5·109 років. Внаслідок розпаду з випусканням альфа-частинки утворюється 234Th. Цей ізотоп Торію у свою чергу зазнає бета-розпаду з утворенням 234Pa, який також унаслідок бета-розпаду перетворюється на 234U. Потім відбувається послідовне випускання п'яти альфа-частинок, що призводить до ізотопу 214Pb, який зрештою перетворюється на стійкий ізотоп Плюмбуму 206Pb.
Рис. 20.8. Ряд Торію. [Елемент 86 Радон позначено на схемі символом Tn (від «торон» — історична назва ізотопу $^{220}_{86}\mathrm{Rn}$). — Прим. перекл.]
Ряд Урану — Актинію, показаний на рис. 20.7, являє собою аналогічний ряд радіоактивного розпаду, що починається з 235U, який міститься в природному урані в кількості 0,71%. Цей ряд перетворень, що включає процеси випускання семи альфа-частинок і чотирьох бета-частинок, призводить до утворення стійкого ізотопу 207Pb.
Ряд торію
Третій природний радіоактивний ряд починається з довгоживучого ізотопу Торію 232Th, який трапляється в природі й має період напіврозпаду 1,39·1010 років (рис. 20.8). Цей ряд перетворень закінчується іншим стійким ізотопом Плюмбуму — 208Pb.
Ряд нептунію
Четвертий ряд радіоактивного розпаду (рис. 20.9) дістав свою назву за найдовгоживучішим членом ряду — ізотопом 237Np.
Рис. 20.9. Ряд Нептунію. [Елемент 86 Радон позначено на схемі символом Em (від «еманація» — історична назва цього елемента). — Прим. перекл.]
Природа радіоактивного розпаду в кожному з цих чотирьох рядів — випускання бета-частинок з масою, близькою до нуля, або альфа-частинок з масою 4 — така, що всі члени ряду мають масові числа, які різняться на значення, кратні 4. Ці чотири ряди можна, отже, класифікувати таким чином (n — ціле число)*:
ряд 4n — ряд Торію
ряд 4n + 1 — ряд Нептунію
ряд 4n + 2 — ряд Урану — Радію
ряд 4n + 3 — ряд Урану — Актинію
* У природі існує й кілька інших радіоактивних ізотопів з великими періодами напіврозпаду. Одним із таких ізотопів є 40K, який, випускаючи бета-частинку, перетворюється на 40Ar. — Прим. перекл.