Szeregi pierwiastków promieniotwórczych

Przed odkryciem polonu i radu przez Marię Skłodowską-Curie w układzie okresowym było siedem pustych miejsce pomiędzy bizmutem i uranem. W początkowym okresie odkryć pierwiastków radioaktywnych nie było większych problemów z ich ulokowaniem w odpowiednich miejscach układu okresowego. Natomiast „emanacje” postawiły przed uczonymi szczególny problem. Wszystkie trzy gazy, toron, radon i aktion, miały identyczne właściwości chemiczne i trudno by było je umieścić w różnych miejscach układu. Poza tym ze względu na masę atomową należałoby je ulokować w dwóch miejscach, poniżej jodu lub poniżej cezu. Sytuacja była niespotykana, ale nie ona jedna.

W roku 1900 William Crookes zaobserwował pewne zjawisko. Przeprowadzając krystalizację frakcyjną związków uranu, otrzymał osad i roztwór zawierający jony uranu. Ku jego zdziwieniu roztwór nie wykazywał aktywności, gdy tymczasem osad, w którym nie było związków uranu charakteryzował się wysoką aktywnością promieniotwórczą. Crookes na podstawie tej obserwacji wysunął dość dziwny wniosek, że uran jako pierwiastek nie jest promieniotwórczy. Aktywność wykazują natomiast zanieczyszczenia w nim obecne. Potencjalne promieniotwórcze zanieczyszczenia określił on nazwą „uran-x”. W trakcie dalszych badań stwierdził, że uran „odzyskał” swoją aktywność promieniotwórczą po usunięciu z próbki „uranium-x”, co wskazywało na fakt, że tajemniczy „uran-x” może by innym nieodkrytym jeszcze pierwiastkiem promieniotwórczym o znacznie większej aktywności niż uran.

Dwa lata później podobny zanik aktywności zaobserwowali Rutherford i Soddy badając związki toru. I w tym przypadku, przez analogię, aktywne zanieczyszczenie próbki uzyskało nazwę „tor-x”. Obydwaj uczeni postawili sobie zasadnicze pytanie, co dzieje się z pierwiastkami radioaktywnymi w procesie emisji promieniowania. Czy natura pierwiastka podczas wydzielania promieniowania ulega zmianie czy też pozostaje on taki sam. Dodatkowo Rutherford i Soddy zaobserwowali, że wydzielanie się toronu następuje głównie z „toru-x”, a nie z próbki zawierającej tor. Była to pierwsza, doniosła, obserwacja na drodze do odkrycia procesów przemian pierwiastków radioaktywnych. Inaczej mówiąc zidentyfikowali pierwszy szereg przemian pierwiastków promieniotwórczych, który można przedstawić jako: tor→tor-x→toron.

Obserwacja przemian pierwiastków radioaktywnych była szczególnie łatwa do zaobserwowania w przypadku radonu, powstającego z radu emitującego promieniowanie alfa. Nieco później odkryto, że cząstka alfa jest jądrem helu czyli podwójnie zjonizowanym, pozbawionym elektronów, atomem tego pierwiastka. Rad zgodnie z tym ulegał przemianie w radon w procesie, który można opisać równaniem: Ra → Rn + He, a które zostało sprawdzone eksperymentalnie przez Rutherforda i Soddy’go.

Obydwaj badacze sugerowali, że wszystkie pierwiastki radioaktywne są co prawda niezależne od siebie ale wszystkie ulegają procesom transmutacji, w których to procesach powstają jedne z drugich. Dodatkowo uważali, że istnieją trzy grupy, czy też szeregi, do których można zaliczyć wszystkie pierwiastki radioaktywne. Nazwy wywodzili od znanych aktywnych promieniotwórczo pierwiastków tworząc rodziny zaczynające się od uranu, toru i radu. Problemem pozostawało odkrycie liczby elementów w każdym szeregu, jak również pierwiastka kończącego dany szereg. Na początku dwudziestego wieku lawinowo narastała liczba odkrywanych substancji promieniotwórczych, które charakteryzowano jedynie pod względem intensywności promieniowania, czasu połowicznego rozpadu i rodzaju emitowanego promieniowania. Niewiadomą pozostawał charakter chemiczny tych substancji, co powodowało problem z odpowiednim umieszczeniem odkrywanych pierwiastków w układzie okresowym. Zgodnie z procedurami analitycznymi stosowanymi dawniej do charakterystyki odkrytego pierwiastka należało wydzielić go w formie wolnej albo związku chemicznego, poddać badaniu jego właściwości, zarejestrować widmo spektralne. Jednym słowem wydzielić nową substancję w formie w jakiej daje się ją zważyć i przebadać. Dla większości odkrywanych substancji radioaktywnych było to niemożliwe, a to implikowało pytanie czy odkrywane substancje są pierwiastkami chemicznymi czy też nie.

Pierwsi odkrywcy promieniotwórczych pierwiastków, Maria Skłodowska-Curie i André-Louis Debierne uważali, że są to substancje elementarne ze swoje natury i są one pierwiastkami chemicznymi. Odkrycie polonu, radu i aktynu utwierdziło ich w poglądzie na elementarną naturę tych substancji, a kolejne odkrycia substancji promieniotwórczych Skłodowska i Debierne uważali za odkrycia  kolejnych pierwiastków,

Innego zdania byli Rutherford i Soddy. W ich opinii substancje promieniotwórcze powinny mieć inną naturę niż typowe pierwiastki. Według nich istnieją tylko trzy, w miarę stabilne pierwiastki radioaktywne czyli uran, tor i rad, a z nich w procesach przemian powstają inne „pierwiastki należące do trzech odrębnych rodzin”. Występujące w poszczególnych grupach kolejne substancje są pierwiastkami chemicznymi, które jedynie aktywność radiacyjna odróżnia od innych znajdujących się w układzie okresowym. Dodatkowo przypuszczali oni, że w pobliżu w układzie okresowym pierwiastków radioaktywnych znajdują się elementy stabilne, nie ulegające przemianom promieniotwórczym. Zgodnie z koncepcją Rutherforda i Soddy’go pomiędzy dwoma rodzajami pierwiastków, promieniotwórczymi i stabilnymi znajdują się pierwiastki wykazujące cechy pośrednie, czyli takie których główną cechą jest niestabilność, której nie można opisać w kategoriach chemicznych. Według tej koncepcji substancje te nie były pierwiastkami w normalnym rozumieniu, a składały się z „fragmentów atomów”. W pewien sposób takie podejście usuwało problem ich lokalizacji w układzie okresowym. Jednak takie, nieco sztuczne, rozwiązanie problemu nie zostało przyjęte przez szersze grono uczonych. Nawet Soddy uznawał promieniotwórcze substancje za normalne pierwiastki, które powinny znaleźć swoje miejsce w układzie okresowym. Warto tutaj przytoczyć wyznanie Soddy’go, który po latach powiedział, że po odkryciu zjawiska promieniotwórczości przez długie lata nie chciał przedstawić publicznie swoich poglądów na temat następstw rozpadu promieniotwórczego ponieważ obawiał się, że chemicy „urwą mu głowę”, dlatego że niszczy układ okresowy pierwiastków Mendelejewa, ale i z powodu, że wraca do zdyskredytowanych koncepcji alchemii.

Przez pierwsze dwa dziesięciolecia dwudziestego wieku badania koncentrowały się na poszukiwaniu nowych pierwiastków promieniotwórczych i określaniu ich przynależności do konkretnego szeregu. Odkrywane nowe pierwiastki tworzyły coraz bardziej rozbudowany system podobny do układu okresowego. Szereg radowy, jak się okazało stanowił część szeregu uranowego i pojawił się nowy szereg aktynowy, którego początkowy pierwiastek nie był znany aż do roku 1935. Odkrywane kolejne elementy szeregów promieniotwórczych charakteryzowały się bardzo krótkimi czasami połowicznego rozpadu, najczęściej liczonego w sekundach lub rzadko w minutach. Tak krótkie okresy rozpadu powodowały ogromne trudności przy badaniu właściwości chemicznych tych pierwiastków i przy określaniu ich miejsca w szeregu promieniotwórczym. Trzy szeregi jakie powstały w tym okresie badań można przedstawić następująco, przy zachowaniu obowiązującej ówcześnie notacji (nazwy obecne podane zostały w nawiasach):

Szereg uranu 238

Szereg uranu 235

Szereg torowy

Ponieważ ilość odkrywanych pierwiastków promieniotwórczych stawała się coraz większa pojawiła się konieczność określenia ich charakteru chemicznego i umieszczenia ich w układzie okresowym. Sytuacja jaka się wytworzyło została określona przez Ramsaya jako „wprowadzająca zamieszanie obfitość”. Na początku drugiej dekady dwudziestego wieku znanych było około czterdziestu pierwiastków radioaktywnych. Niektóre grupy charakteryzowały się tak zbliżonymi właściwościami chemicznymi, że nie było technicznych możliwości ich rozdzielenia. Natomiast występowały jednoznaczne różnice pomiędzy masami atomowymi poszczególnych pierwiastków, co powodowało dodatkowe zamieszanie. Niektórzy chemicy proponowali umieszczenie pierwiastków promieniotwórczych poza układem okresowym, ale takie rozwiązanie nie spotkało się z akceptacją ze strony innych badaczy. W roku 1909 dwóch szwedzkich badaczy Daniel Strömholm i Theodor H. E. Svedberg zaproponowali umieszczenie w jednym miejscu układu okresowego kilku pierwiastków promieniotwórczych. To rozwiązanie poparł w 1910 roku angielski chemik A. Cameron.

Radioaktywność pierwiastków chemicznych była jeszcze w roku 1903 zjawiskiem całkowicie niezrozumiałym. Badacze nie wiedzieli co dzieje się z pierwiastkami emitującymi promieniowanie. Model struktury atomu nie był jeszcze opracowany, a tym samym zmiany w budowie atomów podlegających przemianom promieniotwórczym były niezrozumiałe. Dodatkowe utrudnienie stanowił fakt, że uczeni zajmujący się badaniem pierwiastków promieniotwórczych pracowali w oparciu o bardzo małe ilościowo próbki. Jednak wytrwały proces badawczy, dostarczający coraz więcej danych, pozwolił na opracowanie pewnych praw jakim podlegają procesy emisji promieniowania. Prawo, czy też regułę przesunięć jakim podlega pierwiastek chemiczny podczas emisji promieniowania opracowali dwaj uczeni, Polak Krzysztof Fajans i Anglik Frederick Soddy. Zgodnie z ich regułą pierwiastek wypromieniowujący cząstkę alfa przesuwa się w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo. Natomiast promieniowanie beta powoduje przesunięcie pierwiastka o jedno miejsce w prawo. Gdy zrozumiano, że liczba atomowa pierwiastka odpowiada liczbie protonów w jądrze atomowym, co jest związane z ładunkiem jądra, empiryczna reguła Fajansa i Soddy’go znalazła swoje uzasadnienie. Promieniowanie alfa, czyli strumień dodatnio naładowanych jąder helu zmniejsza liczbę atomową pierwiastka promieniotwórczego podlegającego tej przemianie o dwa. Emisja beta, strumienia elektronów, zwiększa ładunek jądra o jeden.

Prawo Fajansa i Soddy’go zaprowadziło porządek nie tylko w szeregach pierwiastków promieniotwórczych ale również w układzie okresowym. Po kilku przemianach alfa i beta wyjściowy pierwiastek promieniotwórczy przekształca się w stabilny ołów, a wynikiem przemian jest szereg pierwiastków zajmujących miejsce pomiędzy uranem i bizmutem w układzie okresowym. Ale nadal jedno miejsce w układzie okresowym zajmowało kilka pierwiastków mających taką samą liczbę atomową (ładunek jądra) ale różne masy atomowe. Wyglądało to tak, że pierwiastki te miały taki sam ładunek jądra i wykazywały te same właściwości chemiczne, ale różne masy atomowe i różne charakterystyki aktywności promieniotwórczej. W grudniu 1913 roku Soddy wprowadził pojęcie izotopu, od greckich słów ἴσοςi τόπος (ísos i tópos) czyli równe miejsce, dla odmian danego pierwiastka różniących się masą atomową ale mające tę sama liczbę atomową. Od tego czasu stało się jasne, że wiele pierwiastków promieniotwórczych to izotopy znajdujących się w układzie okresowym  pierwiastków. Przykładowo emanacje występujące w przedstawionych powyżej szeregach są izotopami radonu, a szeregi zawierają izotopy uranu, toru, polonu i aktynu. W późniejszym czasie odkryto wiele stabilnych izotopów różnych pierwiastków. Układ okresowy nie przewidywał, i nie przewiduje, odrębnych miejsc dla wszystkich izotopów pierwiastków chemicznych i ten fakt wywołał zamieszanie w momencie odkrycia pierwiastków promieniotwórczych. Odkrycie prawa przesunięć i izotopów wyklarowało sytuację i doprowadziło do kolejnych odkryć.