Учеными было найдено, что «родоначальниками» аналогичных семейств являются и еще два элемента, существующих в природе. Это торий (Th) с массовым числом 232 и изотоп урана с массовым числом 235, называемый иногда актиноураном (AcU).
Если сравнить существующие в природе радиоактивные семейства друг с другом, обнаруживается любопытная деталь. Оказывается, массовые числа всех изотопов, входящих в семейство тория, без остатка делятся на 4. Следовательно, атомный вес их можно выразить очень простой формулой 4n, где n — целое число. Если же делить на 4 массовые числа изотопов, входящих в состав семейства урана, то во всех случаях в остатке остается число 2, значит массовые числа представителей уранового семейства можно описать формулой 4n + 2. Для семейства актиноурана получаем формулу 4n + 3. Иногда эти семейства так и называют. Например, вместо того чтобы сказать «семейство тория», говорят «семейство 4n», а вместо «семейство урана» говорят «семейство 4n + 2».
Ученым удалось искусственно «создать» в 1940 году семейство 4n + 1, когда был получен элемент нептуний (Np) с зарядом 93 и массовым числом 237. Он и оказался родоначальником семейства 4n + 1.
В 1919 году знаменитый английский ученый Эрнест Резерфорд поставил замечательный опыт. Он обстрелял ядра азота альфа-частицами. Когда он попытался разобраться в результатах эксперимента, то обнаружилась удивительная картина. Оказалось, что, поглощая альфа-частицу, ядро азота, имеющее заряд 7 и массу 14, превращается на какое-то мгновение в ядро с массой 18 и зарядом 9. Но это ядро неустойчиво, оно тут же испускает протон и превращается в ядро с массой 17 и зарядом 8. Согласно же периодической системе заряд ядра, равный 8, имеют лишь атомы кислорода. Следовательно, в результате взаимодействия ядер азота с альфа-частицами получался изотоп кислорода:
147N + 42He → 178O + 11H.
Эту ядерную реакцию можно записать и короче: 147N(αp)178O.
В такой «транскрипции» первым пишется ядро, которое подвергается превращению, затем в скобке — частица, которая его вызывает, после нее записывается вылетающая частица и уже после скобки — новое, образующееся ядро.
Затем Резерфорд выяснил, что с альфа-частицами взаимодействуют также ядра бора, фтора, натрия и некоторых других элементов. Так мечта человека о превращении одних элементов в другие стала реальностью.
В начале тридцатых годов был отмечен интересный факт. Если «обстреливать» альфа-частицами бериллий, то появляется какое-то новое излучение, обладающее необыкновенными свойствами. «Бериллиевые лучи» не отклонялись в электрическом поле и могли проходить сквозь такой слой свинца, через который не могли пройти даже гамма-лучи. В течение долгого времени не могли объяснить ученые их природу. Наконец ученик Резерфорда Чэдвик доказал: «бериллиевые лучи» представляют собой поток нейтральных частиц, по массе равных ядрам атома водорода, протонам. Он назвал их нейтронами, подчеркнув этим их электронейтральность. Оказалось, что взаимодействие альфа-частиц с бериллием происходит по реакции:
94Be + 42He → 126C + 10n,
то есть при этом образуется изотоп углерода и выделяется один нейтрон. Нейтронам суждено было сыграть выдающуюся роль в ядерной физике.
Через пятнадцать лет после эксперимента Резерфорда мир был потрясен новой сенсацией.
В 1934 году французские исследователи Фредерик Жолио и Ирен Кюри доказали всему миру, что настало время, когда человек может искусственно получать радиоактивные изотопы.
Облучая альфа-частицами алюминиевую пластинку, они обнаружили, что она сохраняет радиоактивность, даже когда источник «снарядов» убирали. Облученная пластинка испускала позитроны, и этот процесс подчинялся закону радиоактивного распада, причем активность уменьшалась вдвое примерно за 3 минуты. Известные природные радиоактивные изотопы не обладали таким периодом полураспада. Вывод мог быть один: позитрон испускается искусственным радиоактивным изотопом, возникшим при облучении алюминия альфа-частицами. Ученые предположили, что алюминий при облучении альфа-частицами превращается в фосфор: