Юрий Фиалков - Как там у вас, на Бета-Лире?
1. Почему аргона в атмосфере в 1000 раз больше, чем остальных инертных газов, вместе взятых?
2. В периодической системе аргон (порядковый номер 18) стоит перед калием (порядковый номер 19). Однако атомная масса аргона (39,9) заметно больше, чем калия (39,1). Но ведь с повышением порядкового номера должна увеличиваться и атомная масса. Почему же все элементы подчиняются общему правилу, а пара аргон — калий ведет себя так вызывающе?
3. Почему у калия, вопреки твердо установленному правилу, преобладает изотоп с массовым числом 39, в то время как калий-40, то есть изотоп типа 4p, которого-то и должно быть больше всего, в природном калии содержится в совсем уж жалком количестве: 0,01 %?
Конечно, в то время эти вопросы задавались отнюдь не столь академически беспристрастно. Звучали в них и недоумение, и раздражение, и даже гнев. Поэтому… Впрочем, тут, пожалуй, без комментариев не обойтись.
Комментарий к проблеме 1.
Попробуем войти в круг забот тех исследователей, которые 40–50 лет назад ломали голову над перечисленными проблемами. Представим себе хотя бы одного из этих ученых. Представим, как он, сидя ночами, в который раз пытается отыскать хоть сколько-нибудь приемлемое «потому» на «почему» первого вопроса:
— Ну хорошо, попытаюсь еще раз… Атому инертного газа тем легче ускользнуть за пределы земного притяжения, чем меньше его масса. Следовательно, меньше всего в атмосфере должно быть гелия — его и впрямь очень немного, — а больше всего в воздухе должно было бы содержаться тяжелого ксенона. Но тут-то и происходит накладка: ксенона в атмосфере содержится во много-много раз меньше, чем аргона.
Тогда, может быть, наоборот? Может быть, по какой-то неведомой причине кинетическая энергия атомов ксенона наибольшая и поэтому этот элемент легче всего покидает атмосферу? Но тогда больше всего в атмосфере должно быть самого легкого газа — гелия. Но и это не так. Больше всего аргона, этого проклятого аргона.
Возможно, содержание инертного газа в атмосфере зависит от какого-либо источника, содержащегося в породах и минералах? Но тогда гелий, безусловно, должен занимать абсолютно первое место, потому что этот элемент выделяется при радиоактивном распаде и полония, и радона, и тория, и урана, и других естественных радиоактивных элементов. А ведь больше всего аргона, этого проклятого аргона.
Но, может быть… А что, если… Ну, да ладно! А, пойду-ка я спать!
Комментарий к проблеме 2.
Тут тоже все непонятно. Хотя, может быть, непоследовательное изменение атомных масс аргона и калия есть исключение из общего правила? Не зря же придумали и очень ценят англичане поговорку: «Каждое уважающее себя правило должно иметь исключения». Но почему исключения приходятся именно на пару аргон — калий? И в чем причина этого исключения? И вообще этак любую загадку природы можно объявить исключением и успокоиться на этом. Нет, не подходит в данном случае нам английская мудрость!
Комментарий к проблеме 3.
А чего здесь комментировать, когда и так все непонятно!
Из приключенческих романов известно, что детектив только тогда добивается успеха, когда уясняет, что насморк проживающей в Лионе тетушки Мирабель, скоропалительная женитьба ее племянника Виктора на приехавшей учиться в Сорбонну наследнице лихтенштейнского престола, неожиданный выигрыш кобылой Айо Большого Рождественского Приза и небывалый по размерам пожар на верфях Сен-Марино — все это тесно связанные друг с другом события, которые и привели к смерти владельца верфей господина Браззака. Обязательное умение связывать друг с другом разрозненные и, казалось бы, не имеющие никакой взаимосвязи факты также относится к числу непременных талантов, которыми должен быть наделен настоящий ученый.
Да, хорошо было известно, что еще в 1906 году Кэмпбелл и Вуд, поместив соединения калия в ионоскоп (прибор для фиксирования радиоактивного излучения), обнаружили хоть и слабую, но несомненную радиоактивность. Известно-то известно, но внимания на это не обратили. И то сказать — в том «доисторическом» по технической оснащенности методов измерения ионизирующего излучения 1906 году радиоактивность, говорят, обнаруживали даже в дистиллированной воле! Л потом, как может быть радиоактивным элемент, находящийся в середине, почти что в начале менделеевской таблицы?!
А если бы калий даже и оказался радиоактивным, то каким образом, скажите, пожалуйста, при радиоактивном распаде из него мог образоваться аргон? Предположим, этот радиоактивный калий испускает альфа-лучи. При выбрасывании альфа-частицы порядковый номер элемента уменьшается на 2, следовательно, при этом типе распада должен был бы образоваться хлор, но никак не аргон. Если же калий обладает бета-радиоактивностью, то и тут никакого аргона не предвидится, потому при бета-распаде порядковый номер элемента увеличивается на единицу, то есть из калия должен был бы образоваться кальций. Нет, радиоактивностью калиево-аргоновую аномалию не объяснишь. С таким же успехом можно было бы объяснить все это влиянием солнечных затмений или противостояниями Марса. Нет, коллега, ваша мысль о радиоактивности очень неудачна.
Приблизительно такие ушаты скептицизма выливались на исследователей, которые отстаивали радиогенное происхождение (то есть образование в результате радиоактивных превращений) аргона. Однако если бы развитие науки шло по предначертаниям скептиков, можно не сомневаться, что человечество сейчас в лучшем случае только-только влезало бы в бронзовый век, а в худшем — еще раскачивалось бы на деревьях, цепляясь за ветви хвостами. Все перечисленные аномалии действительно были связаны с радиоактивностью калия.
Собственно говоря, радиоактивным оказался не весь калий, а лишь один из его изотопов, калий-40, тот самый, что примешан к «главному» изотопу калий-39 в количестве одной сотой доли процента. Самым же интересным в этой истории была та разновидность радиоактивного распада, которому подвергался калий-40. Этот тип радиоактивности очень напоминал воплощение в масштабах микромира гипотезы о падении на Землю в отдаленные геологические эпохи второго спутника нашей планеты (некоторые ученые считают, что Тихий океан — это впадина, образовавшаяся от падения второй Луны). Так и здесь: один из электронов, вращающихся на ближайшей к ядру калия-40 орбите, в какой-то момент захватывается ядром. Разумеется, никакой впадины при этом не возникает, но определенный ущерб ядро претерпевает: электрон немедленно вступает во взаимодействие с одним из протонов ядра. При этом по закону, хорошо известному физикам, протон превращается в нейтральную частицу — нейтрон. Поскольку массы протона и нейтрона, можно сказать, не различаются, то такое превращение не изменяет массы атома и сама катастрофа в значительной степени является, так сказать, «семейным» внутриатомным делом. Вестник, сообщающий внешнему миру о трагедии, — квант энергии, выбрасываемый ядром при захвате электрона.
Впрочем, и без вестника видно, что произошли серьезные события. Количество протонов уменьшилось на единицу. А раз так, то уменьшился на единицу и порядковый номер элемента; иными словами, калий (№ 19) превратился в аргон (№ 18). Это обстоятельство единым махом решает все три аргоново-калиевые проблемы.
Громадное — по сравнению с иными инертными газами — содержание аргона в атмосфере объясняется тем, что его непрерывным поставщиком служит находящийся в земной коре калий. В роли поставщика аргона выступает лишь калий-40, примешанный к «основному» калию в ничтожном количестве, однако самого калия, входящего в компанию элементов-гигантов, в земной коре так много, что в атмосферу ежедневно выбрасывается 500 тонн аргона. Этого количества с лихвой хватает для объяснения аномально… хотя нет, теперь уже следует сказать — нормально большого содержания аргона в атмосфере нашей планеты.
Становится совершенно понятной и «перестановка» с атомными массами. Основной изотоп природного калия имеет массовое число 39. Поэтому и атомная масса калия близка к 39. Аргон же — недаром его порядковый номер меньший, чем у калия, — образуется из калия-40, поэтому и имеет такую же атомную массу, как его «родитель». Таково — очевидное! — решение проблемы 2.
Столь же убедительно мы расправляемся и с третьей проблемой. Легко подсчитать, что в далекое время возникновения нашей планеты калий был совершенно нормальным 4p-ным элементом: безусловно, преобладающим его изотопом был изотоп с массовым числом 40, тот самый изотоп, который за миллиарды лет существования планеты успел из-за своей радиоактивности почти полностью вымереть. Для нас калий-40 — это свидетель отдаленных геологических периодов жизни нашей планеты, еще более далеких, чем те периоды, от которых нам остались папоротники или гигантские секвойи. Будем же дорожить знакомством с этим почтенным и заслуженным реликтом!
