Современная наука знает об атомах если не всё, то очень многое. Давно известно, что их масса крайне мала. Сейчас массы атомов определены с высокой точностью, вот только вы­ражать их в привычных единицах — граммах — неудобно. Масса атома даже самого тяжёлого из земных эле­ментов, урана, составляет всего лишь 3,952•10^-22 г. Поэтому учёные, как правило, используют относительные атомные массы А_r (где r — начальная буква латинского слова relativus — «относительный»); это безразмерная величина, показывающая отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома углерода-12. Значения относительных атомных масс изме­рялись (и уточнялись) неоднократно многими учёными.

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева... Химики не переста­ют удивляться её простоте и изящест­ву, будущие специалисты — студен­ты — сложности и запутанности связей между строением атомов и свойствами элементов, а школьни­ки — огромному количеству инфор­мации, которое уместилось всего на одной страничке. Действительно, в каждой ячейке таблицы (а их уже больше сотни) указаны и международ­ный символ элемента, и его название, и порядковый номер, и относительная атомная масса... В полных вариантах содержатся и другие сведения: цветом выделяют принадлежность элемента к тому или иному семейству, указывают строение электронных оболочек, при­водят свойства простых веществ и тип их кристаллической структуры.

Современный облик таблицы — плод долгого и напряжённого труда тысяч и тысяч химиков и физиков. Менделеев вполне мог бы повторить слова английского учёного Дж У. Меллора, который по окончании много­летней работы над своей 16-томной

энциклопедией по неорганической и теоретической химии написал на ти­тульном листе «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их труд остался...».

В самом деле, немногие знают о том, кто именно уточнил соотноше­ние изотопов олова в природе, пред­ложил современную шкалу атомных масс, впервые разделил мифиче­ский элемент дидим на празеодим и неодим, синтезировал нептуний и об­наружил его следы в земной коре — словом, внёс свой вклад, пусть порой и небольшой, в заполнение ячеек таб­лицы. Корни же этого великого откры­тия уходят вглубь веков, в античность, когда были сформулированы первые идеи об атомах.

Ядра ¹⁴С образуются в атмосфере за счёт взаимодействия нейтронов кос­мического излучения с ядрами азота: ¹⁴₇N+¹₀n®¹⁴₆C+¹₁р. Их период полу­распада Т_1/2 = 5730 лет.

Концентрация ¹⁴С в атмосферном воздухе (в составе СО₂) практически постоянна в течение последних не­скольких десятков тысяч лет и соот­ветствует уровню активности около 15 Бк на 1 г углерода. При фотосин­тезе растения усваивают углекислый газ, содержащий радиоуглерод, за­тем он попадает и в организмы жи­вотных. В результате, активность углерода во всех живых организмах одинакова. Но как только организм погибает, он перестаёт усваивать ра­диоуглерод, а тот, который в нём уже есть, непрерывно распадается.

Если имеется материал раститель­ного или животного происхождения (льняная ткань, шерсть, шёлк, древеси­на, торф, каменный уголь, кожа, кос­ти животных и т. д.), то, измеряя ак­тивность оставшегося радиоуглерода, можно установить возраст образца. За разработку радиоуглеродного метода определения возраста археологиче­ских находок американский учёный Уиллард Фрэнк Либби (1908—1980) получил Нобелевскую премию.

В наши дни радионуклиды известны у большинства химических элементов. Они имеют много самых разных приме­нений, особенно в химии и биохимии. Дело в том, что химическое поведение радионуклидов какого-либо элемента практически такое же, как и у его ста­бильных нуклидов. Но ядра радионук­лидов в момент распада «посылают сиг­нал» о своём присутствии. Учёные разработали аппаратуру, позволяющую надёжно регистрировать сигналы от распада буквально единичных атомов. Благодаря этому становится возмож­ным использовать радионуклиды в ка­честве атомов-меток, так называемых радиоактивных индикаторов.

Например, с помощью фосфора-32 можно установить, как кукуруза усваи­вает из почвы фосфорное удобрение. В удобрение добавляют очень малое ко­личество радионуклида. Далее, анализируя радиоактивность различных час­тей растения, можно определить, быст­ро ли фосфат усваивают корни, с какой скоростью он поступает в листья, стеб­ли или початки и как усвоение удобре­ния зависит от его химической формы (в частности, от того, в виде какой именно соли — аммония, калия или кальция — взят фосфат), от способа введения в почву и других факторов. Полученная информация позволила существенно повысить эффективность применения минеральных удобрений.

  Один из самых давних (хотя и не очень точных) методов определения возраста минералов основан на изуче­нии так называемых окрашенных оре­олов. Часто в прозрачные кристаллы вещества вкраплены крохотные час­тички какого-нибудь радиоактивного минерала, содержащего, например, торий или уран. Он излучает a-частицы, которые распространяются во все стороны с высокой скоростью, причём дальность полёта зависит от их началь­ной скорости и от плотности минера­ла. В воздухе пробег этих частиц изме­ряется несколькими сантиметрами, а в минералах — всего десятками мик­рометров.

В реакциях ядерного синтеза источником нейтронов может служить неболь­шая ампула, в которую помешена смесь бериллия и a-радиоактивного нук­лида, например радия-226 или америция-243. При облучении бериллия a-частицами протекает ядерная реакция ⁹₄Ве+⁴₂Не®¹²₆С+¹₀n, обеспечивающая общий поток источника около 10⁷—10⁸ нейтронов в секунду.

Наиболее мощный источник нейтронов — ядерный реактор. Поток ней­тронов в каналах ядерного реактора достигает 10¹³—10¹⁴ нейтронов в се­кунду на квадратный сантиметр сечения.

Для замедления нейтронов используют материалы, содержащие лёг­кие атомы (атомы элементов с небольшими атомными номерами). Чаше других замедлителями служат обычная вода, тяжёлая вода D₂O, парафин, графит. При столкновении с атомами протия ¹Н, дейтерия или углерода нейтроны теряют бо'льшую часть своей энергии. Важно, что ядра пере­численных атомов сами нейтронов не поглощают.

Для получения радионуклидов ис­пользуют ядерные реакции. От химической ядерная реакция отличается тем, что в ходе её изменяются ядра, и, следо­вательно, одни атомы пре­вращаются в другие. В та­ких реакциях участвуют ядра-мишени атомов раз­личных элементов, а сна­рядами  (бомбардирую­щими частицами)  чаще всего служат нейтроны, протоны, дейтроны (ядра атомов тяжёлого водоро­да — дейтерия ²₁H), a-частицы, а иногда также g-кванты с большой энергией или ядра других атомов  (более лёгких, чем ядра атомов-мишеней).

Первую ядерную реакцию осуще­ствил в 1919 г. Эрнест Резерфорд. Он облучал a-частицами атомы азота.

Эрнест Резерфорд.

Из-за распада число имеющихся ядер данного радионуклида постепенно убывает. График, показывающий, как происходит уменьшение числа ядер N_t радионуклида со временем t (экс­понента) аналогичен кинетической кривой для реакций первого поряд­ка (см. дополнительный очерк «Экс­понента и гиперболы»).

Схема деления ядра.

Было установлено, что a-лучи пред­ставляют собой ядра гелия ⁴₂Не. В результате a-распада заряд ядра ис­ходного атома уменьшается на 2 еди­ницы, а массовое число — на 4, на­пример ²²⁶₈₈Ra ® ²²²₈₆Rn+⁴₂He.

Изучение b-лучей показало, что это поток электронов. В ядрах неко­торых нуклидов нейтрон способен превращаться в протон и электрон; при этом из ядра и вылетают электро­ны. Заряд ядра при таком типе b-распада возрастает на единицу, а массо­вое число остаётся неизменным, например ⁹⁰₃₈Sr ® ⁹⁰₃₉Y.

И a-, и b-распад чаще всего со­провождаются испусканием g-лучей — коротковолнового электро­магнитного излучения, близкого по своей природе к рентгеновскому.

Вильгельм Конрад Рентген.

В конце XIX столетия учёные нахо­дились под впечатлением обнару­женных в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном невидимых лучей, способных бес­препятственно проходить через твёрдые тела и вызывать почернение фотоплёнки. Рентген назвал их Х-лучами (теперь в Германии и России они называются рентгеновскими).

Высказанное Боденштейном и други­ми химиками предположение об энергетических цепях не получило экспериментального подтверждения и было на многие десятилетия забыто. Но вот в 1963 г. советские учёные В. И. Веденеев, А. М. Чайкин и А Е. Ши­лов обнаружили, что энергетические разветвления возможны в реакциях фторирования ряда соединений.

Для примера рассмотрим реак­цию фтора с водородом. В ней на ста­дии продолжения цепи Н^•+F₂®HF*+F^• выделяется так много энергии, что образующаяся «горя­чая» молекула HF* способна вызвать разветвление цепи. Переносчиком энергии при этом является молекула водорода. Механизм реакции таков:

Широкой публике понятие «цепная ре­акция» стало известно в 1945 г. в свя­зи с работами физиков по получению ядерной энергии, после взрыва первых атомных бомб. Оказалось, что деление урана, плутония, других расщепляющихся материалов подчиняется тем же закономерностям, что и разветвлённо-цепные химические реакции.

На занятиях студентам часто пока­зывают взрывы смесей водорода с хлором или кислородом. А как можно продемонстрировать разветвлённо-цепную реакцию деления урана? Эта реакция вызывается активными час­тицами — нейтронами, которые расщепляют ядра урана с выделением огромной энергии. Разветвление цепи происходит за счёт того, что при рас­паде ядра выделяются несколько ней­тронов, способных к расщеплению новых ядер.