Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идёт одновременно двумя путями. Примерно 88% калия-40 подвергается β-распаду и превращается в кальций-40. Но в двенадцати случаях из ста (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот, захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты («К-захват»). Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре, и излучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а масса ядра остаётся практически неизменной. Так калий превращается в аргон.

Соотношение изотопов 40Ar : 40К и 40Ar : 36Ar в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надёжным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов.

Итак, весь или почти весь аргон-40 произошёл на Земле от калия-40. Поэтому тяжёлый изотоп и доминирует в земном аргоне.

Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу её построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали лёгкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две – три единицы меньше…

Теперь о лёгких изотопах.

Откуда берутся аргон-36 и аргон-38? Не исключено, что какая-то часть этих атомов реликтового происхождения, то есть часть лёгкого аргона пришла в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и её атмосферы. Но большая часть лёгких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов.

Вероятно, ещё не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы – «родители», но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 и аргон-38. Это β-распад хлора-36 обстрел α-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:

17Cl →18Ar + -1e + ν,

16S + 2He →18Ar + 0n,

17Cl + 2He →18Ar + 0n + +1e.

В материи Вселенной аргон представлен ещё обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звёзд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия – элементов, весьма распространённых на Земле.

В космическом аргоне главенствуют изотопы аргона-36 и аргона-38, аргона-40 во Вселенной очень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. В том же убеждают подсчёты распространённости калия. Оказывается, в космосе калия примерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле их соотношение явно в пользу калия – 660 : 1. А раз мало калия, то откуда же взяться аргону-40?!

Получение аргона

Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а так же из отходов газов синтеза аммиака.

Земная атмосфера содержит 66·10¹³ т аргона. Этот источник аргона неисчерпаем, тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов.

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора испарителя. В конечном итоге азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором.

Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, приходящейся примерно на трети высоты всей колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10–12% аргона, до 0,5%азота, остальное – кислород. В «аргонной» колонне, присоединённой к основному аппарату, получают аргон с примесью 3–10% кислорода и 3–5% азота. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путём или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах в настоящее время получают аргон до 99,999%-ной чистоты.

Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства – из азота, оставшегося после того, как его часть связали с водородом.

Аргон хранят и транспортируют в больших баллонах ёмкостью 40 л, окрашенных в серый цвет с зелёной надписью. Давление в них 150 атм. Более экономична перевозка сжиженного аргона, для чего используют сосуды Дьюара и специальные цистерны.

Искусственные радиоизотопы аргона получены при облучении некоторых стабильных и радиоактивных изотопов (37Cl, 36Ar, 37Ar, 40Ca) протонами и дейтронами, а также при облучении нейтронами продуктов, образовавшихся в ядерных реакторах при распаде урана. Изотопы 37Ar, 41Ar используются как радиоактивные индикаторы: первый в медицине и фармакологии, второй – при исследовании газовых потоков, эффективности систем вентиляции и в разнообразных научных исследованиях. Но, конечно, не эти применения аргона самые важные.

«Недеятельный» – деятельный

Как самый доступный и относительно дешёвый благородный газ аргон стал продуктом массового производства, особенно в последние десятилетия.

Первоначально главным потребителем элемента №18 была электровакуумная техника. И сейчас подавляющееся большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход с чистого азота на эту смесь повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в такой смеси медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в современных люминесцентных лампах для облегчения зажигания, лучшей передачи тока и предохранения катодов от разрушения.

Однако в последние десятилетия наибольшая часть получаемого аргона идёт не в лампочки, а в металлургию, металлообработку и некоторые смежные сними отрасли промышленности. В среде аргона ведут процессы, при которых нужно исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и влагой воздуха. Аргонная среда используется при горячей обработке титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана, тория, а также щелочных металлов. В атомосфере аргона обрабатывают плутоний, получают некоторые соединения хрома, титана, ванадия, и других элементов. Продувка аргоном жидкой стали намного повышает её качество.

Уже существуют металлургические цехи объёмом в несколько тысяч кубометров с атмосферой, состоящей из аргона высокой чистоты. [В этих цехах работают в изолирующих костюмах, а дышат подаваемым через шланги воздухом (выдыхаемый воздух отводится также через шланги); запасные дыхательные аппараты закреплены на спинах работающих.]