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.

---

В 1937 году румынский химик Г. Хулубей заявил, что эка-цезий найден им в поллуците, и предложил именовать новый элемент молдавием. Но ни алкалинию, ни виргинию, ни молдавию не довелось занять вакантную клетку в левом нижнем углу периодической таблицы.

Продолжали поиски и сторонники радиоактивного направления. Еще в 1925 году одесский химик Д. Добросердов высказал на страницах «Украинского химического журнала» соображения о физических и химических свойствах эка-цезия, подчеркнув, в частности, что он «непременно должен быть весьма радиоактивным элементом». Но ученый при этом ошибочно предположил, что радиоактивность калия и рубидия обусловлена примесями 87-го элемента, который он предлагал назвать руссием, если честь открытия выпадет на долю русских ученых.

Годом позже интересные результаты удалось получить известным радиохимикам О. Гану (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия). Тщательное исследование радиоактивных рядов некоторых изотопов актиния показало, что при альфа-распаде одного из них образуется изотоп эка-цезия. правда, из каждого миллиона атомов исходного вещества можно полнить лишь несколько атомов 87-го элемента.

Такова была ситуация в науке к 1938 году, когда в поиски эка-цезия включилась Маргерит Перэ — сотрудница парижского Института радия, ученица Марии Склодовской-Кюри. Прежде всего Перэ решила повторить уже к тому времени давние эксперименты Мейера, Гесса и Панета. Недаром говорят, что часто в науке «новое-это хорошо забытое старое». Подтверждением этого может служить история открытия элемента № 87.

Проделав опыты, Перэ, подобно своим предшественникам, обнаружила присутствие тех же альфа-частиц. Необходимо было доказать, что их источником являются не примеси протактиния, а актиний. Проведя поистине ювелирную очистку актиния от всех возможных примесей и «дочерних продуктов» (т. е. продуктов его радиоактивного распада), а затем исследовав полученный чистейший препарат актиния, Перэ выяснила, что изотоп этого элемента с массовым числом 227 имеет «радиоактивную вилку», или, иначе говоря, способен распадаться по двум направлениям — с излучением бета- и альфа-частиц. Правда, «зубья» у этой вилки оказались далеко не одинаковыми: лишь в 12 случаях из тысячи ядра актиния испускали альфа-частицы, во всех же остальных случаях они излучали бета-частицы (т. е. электроны), превращаясь в ядра изотопа тория. Ну, а что же происходило при альфа-излучении?

Расчет показывал, что, выбросив альфа-частицу (т. е. ядро гелия), ядро изотопа актиния «худело» ровно настолько, чтобы стать не чем иным, как ядром изотопа 87-го элемента. Действительно, в результате опытов появлялся продукт распада актиния со свойствами тяжелого щелочного радиоактивного металла. Это и был никогда прежде не зафиксированный в природе долгожданный эка-цезий, точнее, его изотоп с массовым числом 223. Так в 1939 году был открыт один из последних доурановых элементов. В честь своей родины Перэ назвала его францием.

Почему же так долго франций оставался неуловимым для ученых всего мира? Прежде всего потому, что из всех химических элементов (исключая трансурановые) франций — самый неустойчивый. Период полураспада его наиболее долгоживущего изотопа (который и был обнаружен в опытах Перэ) — всего 22 минуты. Мудрено ли, что при такой «продолжительности жизни» на Земле практически нет не только ощутимых запасов этого элемента, но и мизерных его следов? Впрочем, кое-что все же есть. Пользуясь законом радиоактивного распада, специалисты подсчитали, что из 5976 * 1018 тонн земного вещества на долю франция приходится… чуть больше 500 граммов. Вот почему найти в природе хотя бы крупицу этого элемента неизмеримо сложнее, чем отыскать иголку в стоге сена. И тем не менее сегодня ученым точно известны многие физические и химические свойства франция. Как же удалось их определить?

Для этого нужно искусственным путем получить сколько-нибудь заметные количества элемента, тщательно очистить его от всех примесей и затем в кратчайшее время провести необходимые измерения и опыты.

Первое время для выделения франция применялись различные химические методы, однако они были довольно сложны и далеки от совершенства. Ощутимых успехов удалось достичь, когда на помощь химикам пришла… физика. Создание циклотронов и развитие техники ускорения ионов позволили разработать физические методы получения франция, основанные на бомбардировке ториевых или урановых «мишеней» протонами высоких энергий. Таким путем в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне в результате пятнадцатиминутного «обстрела» одного грамма урана на синхроциклотроне было получено 5 * 10–13 граммов франция.

Всего 5 * 10–13 граммов? Если бы речь шла, допустим, о золоте, то такое его количество не стоило бы в буквальном смысле и ломаного гроша. А триллионные доли грамма Франция представляют для ученых огромную ценность, ибо позволяют заполнить многие графы в характеристике этого элемента. Разумеется, при этом невозможно экспериментально определить плотность металла или выяснить, при каких температурах он плавится и кипит, но собранная исследователями информация позволяет сделать это расчетным путем.

Разработан и другой оригинальный способ получения франция — облучение «мишеней» из свинца, таллия или золота многозарядными ионами соответственно бора, углерода или неона, ускоренными на циклотронах либо линейных ускорителях. Средневековые алхимики схватились бы за голову, узнав, что их потомки вместо того, чтобы заниматься серьезным делом, т. е. получать золото из других веществ, безрассудно «стреляют» в него какими-то частицами, стремясь превратить драгоценный металл в элемент с сомнительными свойствами. Именно эти сомнительные свойства и вынуждают ученых проводить все новые и новые эксперименты, чтобы узнать как можно больше «секретов» франция.

Как же осуществляются «алхимические» процессы XX века? Тончайшую золотую фольгу (толщиной всего несколько микрон), помещенную в кассету, облучают ускоренными ионами неона — происходит ядерная реакция, в результате чего образуется изотоп франция с массовым числом 212. После получасовой «артподготовки» кассету с фольгой доставляют в лабораторию, где в защитном шкафу с помощью манипулятора облученное золото извлекают из кассеты. Внешне фольга выглядит так же, как до опыта; на самом же деле она содержит десятки тысяч атомов франция. Скажем прямо, не густо, но современным ученым зачастую приходится иметь дело буквально с несколькими атомами вещества. Так, элемент № 101 (впоследствии названный менделевием) был открыт американскими учеными, когда у них «в руках» побывало всего 17 атомов, да и то не одновременно, а в результате примерно дюжины экспериментов (по 1–2 в каждом). Так что десятки тысяч атомов — это целый клад.

Итак, франций получен, но работа с ним только начинается: ведь его надо извлечь из золота и очистить от всех других осколков деления атомных ядер, а уж потом подвергнуть скрупулезному исследованию. Все это надо ухитриться проделать поистине с «космической» скоростью, потому что период полураспада изотопа франция, получаемого при «обстреле» золота, всего 19 минут.

Сначала фольгу растворяют в царской водке и с помощью специальных «золотоуловителей» удаляют весь драгоценный (но совершенно лишний в данной ситуации) металл. Теперь надо убедиться, что эта операция прошла успешно: электронные приборы, в основе работы которых лежит метод меченых атомов, категорически «заявляют», что в растворе нет ни одного атома золота. Но ведь еще не удалены другие примеси. Если они останутся, то исследовать франций бессмысленно, так как картина может быть искажена и ученые окажутся «обманутыми». А отпущенное время неумолимо сокращается. как шагреневая кожа…

«Обеззолоченный» раствор несколько раз прогоняют через колонку, которая заполнена веществом, жадно поглощающим все лишние продукты ядерных реакций и пропускающим лишь франций. Но вот очистка окончена. Капельку раствора помещают в углубление на тефлоновой пластинке и облучают мощным потоком инфракрасных лучей. Через несколько секунд от капли ничего не остается. Но испарился только раствор, а атомы франция должны «лежать» на пластинке. Чтобы убедиться в этом, ее вставляют в камеру чувствительного прибора, где создается вакуум, и крохотная неоновая лампочка сигнализирует о том, что франций есть. Но почему горит лишь одна из многих лампочек? Это означает, что франций чист. Если бы к нему «присоседились» инородные атомы, то загорелись бы и другие лампочки. Но, к счастью, ненужной иллюминации нет — можно приступать к химическому исследованию франция. А на эту завершающую и, пожалуй, самую ответственную стадию эксперимента отведены считанные минуты, иначе от франция останутся лишь воспоминания. Не случайно ученые в шутку называют такие опыты «химией на бегу».