Превращение элементов - Борис Казаков

Это было первое доказательство существования экайода (астата); второе было получено спустя некоторое время австрийцами Карликом и Бернертом, которые показали, как могут распадаться изотопы полония с образованием экайода.

В таблице Менделеева оставался неизвестным лишь один элемент — № 61. Его отсутствие было замечено после работ Мозли. Поиски очень долгое время были совершенно безрезультатными. Новый элемент относится к группе редкоземельных, а они вообще-то очень нелегко поддаются разделению. В 1926 г. американские учёные Гаррис и Гопкинс сообщили, что им удалось выделить этот элемент, и поспешили дать ему имя — иллиний, в честь Иллинойского университета. Однако Прандтль, в своё время блестяще опровергнувший открытие мазурия супругами Ноддак, и на этот раз сделал то же самое, потратив на проверку работы американцев целый год. Затем проверкой результатов американских исследователей занялись Ноддаки. Располагая сотней килограммов редких земель, они имели возможность поставить опыты, что называется, на широкую ногу, и вынуждены были присоединиться к своему «чёрному гению» — Прандтлю: американцы и в самом деле допустили ошибку. А тут ещё подали голос итальянские химики: они, дескать, об открытии 61-го элемента объявили гораздо раньше — в 1924 г. в закрытом пакете, направленном в национальную академию. Новый элемент был получен ими будто бы в результате кристаллизации дидимовой земли. Но, как выяснилось позже, работа итальянцев, хотя и представляла бесспорный интерес, никакого открытия не содержала.

Были и другие сообщения об открытии 61-го элемента, но все они не выдержали проверки. И тогда стало ясно, что 61-й элемент тоже не имеет стабильных изотопов. Стало быть, и его можно получить только искусственно, как технеций. В 1941 г. американские физики Лау, Пул, Курбатов и Квилли, обстреливая ядрами тяжёлого водорода образцы неодима и самария, получили несколько радиоактивных изотопов, среди которых согласно предварительным расчётам должен был непременно присутствовать изотоп 61-го элемента. Сегре, к которому обратились они за подтверждением, согласился с ними и… ошибся. Элемент циклоний был закрыт так же быстро, как и открыт. По-настоящему его открыли несколько позже, в 1945 г., с помощью не циклотрона, а уранового реактора. Изучая продукты деления урана, американские химики Е.Глендин, Дж. Маринский и Ч.Корнэлл разделили их хроматографическим методом и выделили два изотопа нового элемента с периодом полураспада 2,7 года у одного и 47 часов у другого. Этот элемент получил название от имени мифического титана Прометея, похитившего у Зевса огонь и передавшего его людям, — прометий. Такое название, писали учёные в своём сообщении об открытии, «не только символизирует драматический путь получения нового элемента в заметных количествах в результате овладения людьми энергией ядерного деления, но и предостерегает людей о грозящей опасности наказания стервятником войны».

Так были заполнены все клетки таблицы элементов, и ещё раз блестяще подтвердился гений русского учёного Менделеева.

Все четыре незнакомца, за которыми так долго гонялись, чтобы написать их портреты, в земных минералах встречаются в чрезвычайно незначительных количествах, но они постоянно образуются в результате сложных ядерных процессов, протекающих в природе. Например, технеций и прометий рождаются при самопроизвольном делении урана, франций — при распаде актиния-227 в случае, если он испускает альфа-частицу. Примерно тем же путём образуется и природный астат. Немудрено поэтому, что их так долго искали и нашли только на пути искусственных превращений. Правда, сегодня их можно обнаружить в земных рудах и минералах благодаря сверхточным и сверхчувствительным методам исследования. Но для нас в данном случае интересно то, что элемент астат ныне научились получать, бомбардируя ядрами углерода… золото!

С головы на ноги (или наоборот) перевернулась мечта алхимиков. Они стремились получить золото из других, неблагородных, металлов. Современные же алхимики использовали золото как сырьевой материал для получения элементов, дотоле неизвестных. Возможно, что средневековые алхимики сочли бы такую работу противной воле Творца, форменным кощунством, но современная наука считает её своим великолепным достижением.

Заурановый мир

Открытие элементов, находящихся за пределами существовавшей тогда таблицы периодической системы, началось, как уже упоминалось, раньше, нежели были заполнены её пробелы. Честь открытия первого зауранового элемента принадлежит Э.Макмиллану.

Сейчас даже трудно поверить в то, что послужила ему в этом всего лишь книжечка из папиросной бумаги.

На первый её листок учёный нанёс слои окиси урана, а затем использовал её в качестве мишени в циклотроне. После обстрела нейтронами Макмиллан извлёк книжечку из установки и с помощью счётчика Гейгера стал измерять радиоактивность каждого её листика. Нужные данные были получены, но выявились и некоторые побочные результаты, значительно более важные, нежели те, ради которых был поставлен эксперимент.

Главным было то, что первый листок бумаги содержал какое-то вещество, имевшее совершенно непохожий (по сравнению с другими листиками) период полураспада. Если бы это было более лёгкое вещество, то ничто не мешало бы ему пройти через толщу листка с остальными продуктами. Наблюдалась радиоактивность, с которой Макмиллан ранее не встречался. Прежде всего это было бета-излучение, приводившее к повышению заряда ядра, а стало быть, к появлению нового, более тяжёлого элемента.

В это время к Макмиллану приехал на летние каникулы старый его друг Ф.Абельсон, здесь он намеревался отдохнуть, но вместо отдыха получил напряжённую, изнурительную работу по изучению химических свойств нового радиоактивного вещества. Это и был 93-й элемент, который они без долгих размышлений нарекли нептунием, в честь планеты Нептун. Их ожидал сюрприз. Согласно периодической системе новый элемент — это экарений. Два друга стали искать у него свойства, подтверждающие это, и не нашли. Нашли они другое: свойства нового элемента лишь незначительно отличались от свойств «родителя» — урана.

Абельсон вернулся на место своей постоянной работы, а Макмиллан продолжал эксперименты, надеясь открыть и следующий, 94-й элемент. Надежда была вполне обоснованной: нептуний радиоактивен, он выбрасывает электроны, следовательно, заряд ядра его должен повыситься. Поиски, начатые Макмилланом, продолжила группа американских учёных, возглавленная Гленном Сиборгом.

После того как выяснилось, что в урановом реакторе накапливается плутоний-239, способный к делению так же, как уран-235, возникла проблема отделения этого нового элемента; естественно, прежде чем что-либо можно было придумать для этого, следовало узнать, что он собой представляет, какими химическими и физическими свойствами обладает. Но как изучать, если весь запас плутония умещался на острие иглы? В ультрамикровесах, которыми пользовались тогда химики, для поддержки коромысла и чашек использовались кварцевые нити тоньше человеческого волоса, и взвешивались на них количества порядка трёх тысячных миллиграмма. Недаром, пожалуй, химики шутили тогда, что им приходится взвешивать невидимые образцы на невидимых весах.

С химической точки зрения плутоний оказался интересным элементом, так как его соли в растворе изменяли окраску в зависимости от валентного состояния, как это бывает у марганца или хрома. Но ни с марганцем, ни с хромом его ничто не связывало, он был похож опять-таки на уран.

По сходству этих элементов с ураном их стали называть уранидами, но связь их между собой оставалась для учёных непонятной. И Сиборг предположил, что не уран, а актиний является родоначальником группы схожих элементов, подобно тому как это наблюдается у группы редкоземельных — лантаноидов. С принятием этой гипотезы всё становилось на место, и после ряда неудач открылась возможность синтезировать следующие элементы — 95-й и 96-й. Достигли этого сравнительно быстро. 95-й элемент обнаружили, когда обстреляли плутониевую мишень нейтронами, а 96-й — альфа-частицами.

Словом, все эти новые элементы по названию составляют своеобразный параллельный ряд группе редкоземельных элементов. Даже между диспрозием и калифорнием в этом смысле есть та же параллель. Диспрозий значит труднодоступный, а калифорний — производное от штата Калифорния, крайнего Запада Америки, заселение которого было, как считается, очень трудным. Синтеза калифорния ждали целых пять лет по той причине, что слишком мало было исходного материала — элементов америция и кюрия. Открыли калифорний в 1950 г., а первое поддающееся взвешиванию количество (порядка трёх стотысячных миллиграмма) было получено лишь в 1958 г. Синтез дальнейших элементов таким образом упёрся в отсутствие исходных материалов. Однако пример плутония, который был получен в урановых реакторах в количествах, достаточных для того, чтобы совершить акт изуверства над населением города Нагасаки, наводил на мысль о том, что возможно для синтеза более тяжёлых элементов найдутся другие пути.