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.

---

Кстати, об изотопах. Помимо уже известного вам иридия-192, имеется еще 14 радиоактивных изотопов этого элемента с массовыми числами от 182 до 198. У самого тяжелого изотопа — самая короткая жизнь: его период полураспада меньше минуты. Любопытно, что период полураспада иридия-183 — ровно час. Стабильных же изотопов у элемента всего два — иридий-191 и иридий-193. На долю более «весомого» из них в природной смеси приходится примерно 62 % атомов.

С изотопом иридия связано открытие так называемого эффекта Мёссбауэра, на котором основаны поразительно точные методы измерения малых величин и слабых явлений, широко применяемые в физике, химии, биологии, геологии. Этот эффект (или, выражаясь строго научно, резонансное ядерное поглощение гамма-квантов в твердых телах без отдачи) был обнаружен молодым физиком из ФРГ Рудольфом Мёссбауэром в 1958 году. За несколько лет до этого, когда учеба в Высшем техническом училище в Мюнхене подходила к концу, он стал подыскивать тему для дипломной работы. Один из профессоров любезно предложил студенту длинный перечень тем. Как вспоминает сам Мёссбауэр, ни одна из них не пришлась ему по вкусу, кроме последней (кстати, тринадцатой по счету), главное достоинство которой, по мнению будущего физика, заключалось в том, что он не имел о ней ни малейшего представления. Речь шла о резонансном поглощении гамма-квантов атомными ядрами. «Самым главным, — вспоминает физик, — было то, что меня ткнули носом в это дело».

И «это дело» пошло на лад. Сначала был защищен диплом, спустя два года пришел черед диссертации, а еще через год состоялось открытие. Работая в Гейдельберге, в Институте медицинских исследований имени Макса Планка, ученый продолжал заниматься резонансным поглощением. Специальным счетчиком он определял число гамма-квантов, прошедших через металлический иридий, точнее, через один из его изотопов; источниками этих гамма-квантов были возбужденные атомные ядра того же самого изотопа. Ядра, пребывающие в обычном состоянии, могут также «возбудиться», но для этого они должны, поглотив гамма-квант, получить такое количество энергии, которое в точности соответствует разности между энергиями ядра в возбужденном и основном состояниях (это поглощение и называется резонансным). Обычно же энергия гамма-квантов оказывается чуть меньше, чем нужно, так как часть ее теряется при испускании на отдачу испускающего ядра (нечто подобное происходит, например, при выстреле из пушки или ружья).

Чтобы устранить некоторые побочные процессы, способные исказить результаты опытов, Мёссбауэр решил охладить иридий до температуры жидкого азота. При этом он полагал, что из-за уменьшения скорости движения ядер резонансное поглощение уменьшится, а число прошедших через иридий гамма-квантов соответственно возрастет (того же мнения придерживались и другие физики). К удивлению экспериментатора все оказалось наоборот. В чем же причина?

Ученый делает вывод: в твердых телах при достаточно низкой температуре отдачу воспринимает не отдельное ядро, а все вещество в целом, и поэтому потери энергии на отдачу исчезающе малы, т. е. энергия гамма-кванта точно равна разности энергии ядра в возбужденном и основном состояниях. Это открытие было признано одним из наиболее важных научных событий нашего времени (в 1961 году Мёссбауэр удостоен Нобелевской премии).

Сегодня эффект Мёссбауэра обнаружен уже на нескольких десятках элементов, но история науки навсегда связала открытие этого важнейшего физического явления с героем нашего рассказа — иридием.

«МОЛОДАЯ ЗЕЛЕНАЯ ВЕТВЬ» (ТАЛЛИЙ)

Кто ищет, тот всегда найдет. — «Эврика!» — Находка в пыли. — Когда распускаются ветви. — Плата за опоздание. — Химия и духи. — Именем Авиценны. Лавры утконоса. — Гроза грызунов. — Темной ночью. — Драгоценные камни? Вспышки в кристаллах. — Хорошая репутация. — Одно «но». — Диагноз ставит Агата Кристи. — Водой не разольешь. — Непременное условие. — Огни большого города. Выбор «компаньонов». — Ценная лепта. — Был лютый мороз. — Статус-кво. — Как рукой. — Легче не будет? — В медузах и свекле. — Слово за таллием.

«Кто ищет, тот всегда найдет»- поется в популярной песне. Так это или нет, но на протяжении тысячелетий люди пребывают в постоянном поиске. Одни ищут клады, другие — приключения, третьи — пути в незнаемое. И кое-кто действительно что-то находит. Вспомним хотя бы великого Архимеда. Гениальное решение задачи о соотношении золота и серебра в короне царя Гиерона пришло к ученому в тот момент, когда он ложился в ванну. Забыв обо всем на свете, раздетый Архимед выбежал на улицу с криком «эврика!» (по-гречески «нашел!»), хотя со стороны могло показаться, что он, напротив, все потерял.

Бывали и такие случаи, когда вместо драгоценных металлов искатель клада «находил» несколько граммов свинца, а вместе с ними — и вечный покой. А вот Колумбу хоть и не удалось отыскать кратчайший морской путь из Европы в Индию, но зато посчастливилось обнаружить неизвестные земли американского континента. Нечто подобное произошло в 1861 году с английским ученым Уильямом Круксом. В 50-х годах прошлого века Крукс, тогда еще молодой химик, занимался исследованием пылевидных отходов сернокислотного производства, полагая, что в них должен присутствовать теллур. Однако многочисленные химические операции так и не принесли желаемого результата, и ученый потерял интерес к этой работе. Отходы долгое время лежали без дела в его лаборатории, пока открытие спектрального анализа не побудило Крукса вспомнить о них. Новый метод не требовал таких больших затрат труда, как химический, и не воспользоваться им было просто грех.

Каково же было изумление ученого, когда вместо ожидаемой линии теллура он увидел в спектре красивую ярко-зеленую полоску, которая не могла принадлежать ни одному известному элементу. Крукс понял, что ему удалось раскрыть еще одну тайну природы. А поскольку дело происходило весной и на деревьях уже появились свежие побеги, новый элемент был тут же «окрещен» таллием: в переводе с греческого «таллос» означает «молодая зеленая ветвь». Любопытно, что почти так же звучит и другое греческое слово, которое переводится как «выскочка». И хоть это совпадение случайно, оно не лишено смысла: ведь таллий и в самом деле можно считать «выскочкой»: его не искали, он сам взял да и заявил о своем существовании.

Почти одновременно с Круксом, спустя лишь несколько месяцев, этот же элемент был обнаружен и французским химиком Лами; он нашел его тоже в отходах сернокислотного производства и тоже спектральным анализом. И хотя Лами даже удалось выделить 14 граммов металлического таллия и определить некоторые его свойства, приоритет открытия остался за английским ученым. Впоследствии Крукс внес немалый вклад в развитие химии и физики (парадоксально, что при этом он был убежденным сторонником спиритизма и много времени уделял вызыванию духов), а на склоне лет возглавил Лондонское королевское общество, но своим первым научным успехом он обязан открытому им в 1861 году металлу.

То, что таллий был впервые обнаружен с помощью спектроскопа, вполне закономерно: в большинстве минералов этот рассеянный элемент присутствует в столь малых количествах, что случайно напасть на его след химическим путем практически невозможно, благодаря же необыкновенно высокой чувствительности спектрального метода это произошло нежданно-негаданно. Общее содержание таллия в земной коре не так уж мало-0,0003 % (природные запасы, например, золота или платины намного меньше). А вот собственные минералы элемента можно пересчитать по пальцам: лорандит, гутчинсонит, урбаит, крукезит, авиценнит; последний, представляющий собой почти чистую окись таллия, был найден в 1956 году на территории Узбекской ССР и назван в честь великого врача и философа древности Авиценны (правильнее Абу Али Ибн Сины). В природе эти минералы встречаются столь редко, что о промышленном использовании их в качестве таллиевого сырья не может быть и речи. А получают этот металл как попутный продукт при производстве свинца, цинка и ряда других элементов.

Более полувека после открытия таллий представлял интерес лишь как объект научных исследований. Ученые, изучавшие свойства этого металла, нашли в его поведении немало странностей. По внешним данным, плотности, твердости, температуре плавления и другим физическим свойствам он весьма сходен со свинцом — своим соседом справа по периодической системе (их «владения» располагаются под номерами 81 и 82). Что же касается химических наклонностей, то в этом отношении таллий кое в чем подобен щелочным металлам — натрию и калию, а кое в чем — серебру.

Как представитель третьей группы таллий должен проявлять в основном валентность, равную трем, а он предпочитает выступать в роли одновалентного металла, что характерно для щелочных элементов. Впрочем, в некоторые комплексные соединения одновременно входят и одновалентный и трехвалентный таллий: первый — в роли катиона, второй — как компонент комплексного аниона. Не случайно известный французский химик прошлого столетия Ж. Б. А. Дюма так отзывался об элементе № 81: «Не будет преувеличением, если с точки зрения принятой классификации металлов мы скажем, что таллий объединяет в себе противоположные свойства, которые позволяют называть его парадоксальным металлом». А чтобы наглядно проиллюстрировать свою мысль, Дюма даже заявил, что таллий занимает такое же место среди металлов, какое утконос — среди животных. Этот странный зверек — млекопитающее, однако подобно земноводным и птицам откладывает яйца; да и внешний вид его своеобразен: он покрыт шерстью, но имеет утиный клюв и перепонки на лапах.