Сергей Венецкий - О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

• Название: О редких и рассеянных. Рассказы о металлах
• Автор: Сергей Венецкий
• Издательство: Металлургия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1981

В научно-популярной форме автор рассказывает об истории открытия, свойствах и применении важнейших редких (в том числе и рассеянных) металлов.

Книга предназначена для самого широкого круга читателей: студентов, преподавателей, учащихся, специалистов — всех интересующихся историей и развитием металлургии, химии, материаловедения.

---

Главное же достоинство галлия в том, что он остается жидким в огромном интервале температур, значительно большем, чем у любого другого легкоплавкого металла. Расплавленный галлий начинает кипеть лишь после того, как температура достигнет 2230 °C. Именно эта поистине удивительная способность галлия предопределила его важнейшее амплуа в технике — изготовление высокотемпературных термометров и манометров. Галлиевые термометры позволяют измерять такую высокую температуру (более 1000 °C), при которой ртутным термометрам, как говорится, нечего делать: ведь ртуть закипает уже при 357 °C.

Легкоплавкость в сочетании с широким интервалом существования расплава делают галлий потенциальным теплоносителем для атомных реакторов. Однако жидкий галлий ведет себя явно не по-товарищески по отношению к тем конструкционным материалам, которые могли бы окружать его в реакторе: при повышенных температурах он растворяет и тем самым разрушает большинство металлов и сплавов. Агрессивность мешает галлию занять ответственный пост теплоносителя (в этой роли сейчас обычно выступают натрий и калий). Но, возможно, ученым удастся найти на него управу: так, уже установлено, что тантал и вольфрам легко переносят контакт с галлием даже при 1000 °C. Любопытно, что небольшие (до 5 %) добавки «едкого» галлия к магнию повышают его антикоррозионные свойства, а заодно и прочность.

Интересна еще одна особенность галлия: величина электрического сопротивления его кристаллов сильно зависит от того, вдоль какой их оси (т. е. в продольном или поперечном направлении) проходит ток; отношение максимума сопротивления к минимуму равно 7 — больше, чем у любого другого металла. То же самое можно сказать и о коэффициенте теплового расширения, который изменяется в зависимости от направления тока почти втрое.

Незаурядные способности галлия хорошо отражать световые лучи позволили ему не без успеха попробовать свои силы в производстве зеркал, причем галлиевые зеркала не тускнеют даже при повышенных температурах. Окись этого металла необходима для получения специальных стекол, обладающих большим коэффициентом преломления, хорошо пропускающих инфракрасные лучи.

Сверхчистый галлий (не менее 99,999 %) применяют как легирующую присадку к германию и кремнию для повышения их полупроводниковых свойств. А не так давно галлий доказал, что он и сам в этом отношении «не лыком шит»: у некоторых его соединений — с сурьмой, фосфором и особенно с мышьяком — обнаружились явные полупроводниковые наклонности.

Особенно ярко они проявились при создании так называемых гетерпереходов, обеспечивающих высокие рабочие характеристики полупроводниковых приборов. Гетерпереход — это содружество двух различных по химическому составу полупроводников, которые сращены в монокристалле. Теоретически ученые уже давно сумели доказать, что такое совместное «проживание под одной крышей» сулит полупроводниковой технике интересные перспективы. Однако подобрать подходящую пару оказалось архитрудной задачей. Исследователи перепробовали десятки различных сочетаний, но все они были далеки от идеала, а часто вещества откровенно демонстрировали свою несовместимость. Ученым пришла в голову мысль испытать в качестве партнеров арсенид галлия и арсенид алюминия: их кристаллические решетки похожи, как две капли воды, а это не могло не обнадеживать. Но неожиданно на пути вырос новый барьер — арсенид алюминия был настолько неустойчив, что во влажной атмосфере разлагался буквально на глазах.

Неужели снова неудача? Спас положение галлий. Атомы его, введенные в арсенид алюминия, придавали тому нужную устойчивость. Проблема была решена техника обогатилась множеством новых совершенных приборов. Коллективу ученых, создавших чудо-кристаллы, в 1972 году была присуждена Ленинская премия.

Сфера деятельности химических соединений галлия постоянно расширяется. Их можно встретить сегодня, в вычислительных устройствах и радарных установках, термоэлементах для солнечных батарей и полупроводниковых приборах ракетной техники. Они участвуют в изготовлении лазеров, создании люминесцентных (светящихся) веществ, оказывают сильное каталическое воздействие на многие важные процессы органической химии.

Еще недавно «гиперболоид инженера Гарина» (а точнее, писателя Алексея Толстого) казался несбыточной фантазией, а сегодня современные «гиперболоиды» — лазеры — прочно вошли в жизнь. Одним из первых лазерных материалов стал арсенид галлия. По зарубежным данным, лазеры на арсениде галлия — простые, эффективные, компактные — предполагалось использовать в космической технике, в частности для связи между космонавтом, вышедшим в открытое пространство, и космическим кораблем или между двумя станциями, находящимися на околоземных орбитах. Намечалось также применить такой лазер для ориентации корабля при посадке на Луну.

Космическая невесомость создает неповторимые условия для проведения различных технологических операций. Интересные опыты по выращиванию полупроводникового кристалла арсенида галлия проведены на американской космической станции «Скайлэб». Если в земных условиях не удается вырастить кристаллы этого вещества размером более 2–3 миллиметров, то в невесомости получен отличный кристалл-великан длиной около 25 миллиметров. Подобные эксперименты в космосе успешно прошли и на борту советской научно-исследовательской станции «Салют-6». Кроме того, наши космонавты провели на установке «Сплав» опыты по получению слитка, состоящего из молибдена и галлия. Дело в том, что молибден почти вдвое тяжелее галлия и в обычных условиях эти металлы не могут равномерно перемешиваться: при застывании слитка верхние его слои оказываются богатыми галлием, а нижние молибденом. В космосе же царит невесомость, и перед ее законами молибден и галлий равны, поэтому слиток получается равномерным по составу.

Вполне вероятно, что именно галлий поможет ученым ответить на вопрос, почему… светит Солнце. Да-да, не удивляйтесь: ведь до сих пор наука располагает лишь гипотезами о природе колоссальной энергии, миллиарды лет беспрерывно излучаемой Солнцем. Одна из самых распространенных и авторитетных гипотез утверждает, что в недрах небесного светила постоянно идут процессы термоядерного синтеза. Но как это доказать?

Самыми убедительными, хотя и косвенными уликами могли бы стать нейтрино частицы, которые образуются при термоядерных реакциях. Но вот беда: приобщить к делу эти улики необычайно трудно. Даже сам Вольфганг Паули — швейцарский физик, еще в 1933 году теоретически предсказавший существование нейтрино, полагал, что никто не сможет экспериментально подтвердить наличие этих частиц, так как они не имеют ни массы, ни электрического заряда. В то же время нейтрино обладают определенной энергией и огромной проникающей способностью. Высвобождаясь в ядре Солнца, они беспрепятственно проходят через толщу солнечного вещества и колоссальным потоком низвергаются на Землю (как, разумеется, и на другие небесные тела). Ученые считают, что на каждый квадратный сантиметр поверхности нашей планеты ежесекундно обрушивается свыше 60 миллиардов нейтрино. Однако зарегистрировать их крайне сложно: через любое вещество они проходят, словно сквозь пустоту. И все же физики нашли некоторые материалы, в которых нейтрино оставляют следы. Так, ядро атома хлора с атомной массой 37, поглощая нейтрино, испускает электрон и превращается в атом аргона с той же атомной массой. Эта реакция эффективно протекает лишь с участием нейтрино, обладающих большой энергией. Но доля таких частиц в нейтринном солнечном потоке чрезвычайно мала (менее одной десятитысячной). Вот почему для экспериментов, связанных с поисками «неуловимых», нужны поистине стерильные условия.

Попытка создать такие условия была предпринята в США. Чтобы по возможности устранить влияние других космических частиц, громадную цистерну с перхлорэтиленом (эту жидкость обычно применяют при химчистке) физики упрятали под землю на глубину около полутора километров, воспользовавшись для этого заброшенным золотым рудником в штате Южная Дакота. Согласно теоретическим расчетам, каждые двое суток в цистерне три атома хлора-37 должны были превращаться в атомы аргона-37, причем считалось, что два таких превращения произойдут «по вине» нейтрино, а третье-под действием других излучений, ухитряющихся проникнуть даже через полуторакилометровую толщу земли. Увы, обнаружить удавалось лишь один из трех атомов аргона-37, а это скорее всего означало, что посланники Солнца тут ни при чем.

Так что же: нейтрино не поступают на Землю и, следовательно гипотеза о термоядерном происхождении солнечной энергии неверна? Советские физики полагают, что указанные эксперименты еще не дают основания отказываться от сложившихся представлений о Солнце как о гигантском термоядерном реакторе. Видимо, подобные опыты требуют еще большей точности. Кроме того, теория говорит о том, что Солнце посылает на Землю большие потоки нейтрино с относительно низкой энергией, для фиксации которых хлор-аргоновый метод попросту непригоден. Вот тут на помощь и должен прийти герой нашего повествования — галлий. Оказалось, что он может служить отличной мишенью (или, как говорят физики, детектором) для нейтрино с малой энергией: ядра изотопа галлия-71 охотно поглощают эти частицы и превращаются в ядра германия-71. Определив число образовавшихся в мишени атомов германия-71, ученые смогут измерить поток солнечных нейтрино. Пока это только теория, но в нашей стране уже создана галлий-германиевая установка, а в горах Северного Кавказа (в Баксанском ущелье) пробита глубокая штольня для нейтринной обсерватории. И хотя для работы установки потребуется не одна тонна галлия, в ходе экспериментов этот довольно дорогой металл практически останется целым и невредимым. Пройдет несколько лет, и галлий, возможно, прольет свет на одну из важнейших проблем современной астрофизики.