Превращение элементов

Заполнение пробелов в менделеевской таблице

Уже были открыты и получены заурановые элементы нептуний и плутоний, уже нашли им область применения, а в менделеевской таблице по-прежнему оставались незаполненные клетки.

К двадцатым годам нашего столетия учёным были неизвестны элементы № 43, № 61, № 75, № 85 и № 87. Поиски велись очень интенсивно, с применением новейших по тому времени средств, но элементы эти, можно сказать, не столько открывали, сколько закрывали.

Задолго до появления периодического закона было заявлено, что найден элемент с атомным весом около 104. Русский химик и минералог Г.Р.Германн извлёк его из минерала, найденного в Ильменских горах, и назвал ильмением. Химик Г.Розе не замедлил опровергнуть новое открытие, хотя Германн энергично его отстаивал. Менделееву при составлении таблицы очень хотелось заполнить этим элементом клетку под марганцем, но он удержался от соблазна, и клетка осталась пустой с пометкой, что в ней должен находиться эка-марганец.

В 1886 г. Керн сообщил, что удалось найти в платиновой руде с острова Борнео элемент дэвий, напоминающий по свойствам марганец и имеющий подходящий атомный вес — около 100. Через 10 лет подобное открытие было сделано Баррером. Но ни первое, ни второе открытие не были подтверждены.

Тот самый Розе, который отверг ильмений, заявил вдруг, что он сам нашёл новый элемент в минерале колумбите, и назвал его пелопием. Теперь Германн не пощадил своих усилий, чтобы показать, что открытие Розе — фикция, и элемента пелопия не существует.

После смерти Менделеева японский химик Огава оповестил мир, что ему, наконец, удалось найти экамарганец, который он назвал ниппонием. Прошло некоторое время, и ниппоний исчез так же, как и его неудачливые предшественники.

Крушение надежд на открытие неизвестных элементов для заполнения пустых клеток повергли некоторых учёных в уныние. Более того, они стали сомневаться в правильности расположения элементов в таблице.

Может быть, сам марганец стоит не там, где положено, не представитель ли он семейства железа? В таком случае нет никаких оснований искать его аналога.

В 1913–1914 гг. англичанин Г.Мозли опубликовал две небольшие работы, сыгравшие огромную роль в дальнейших поисках новых элементов. Мозли, как уже говорилось, доказал, что основной характеристикой химического элемента следует считать не массу, а заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в таблице Менделеева. Работы Мозли положили конец спорам по поводу помещения редкоземельных элементов в одну клетку и по поводу того, сколько их. Благодаря работам англичанина стало ясно, какие химические элементы ещё ожидают своего открытия. Прежде всего это элемент с порядковым номером 43 и редкоземельный элемент № 61.

Ида и Вальтер Ноддак были твёрдо убеждены в существовании аналогов марганца. По их мнению, эти очень редкие элементы в природе должны быть вместе. На основании не столько практических поисков, сколько теоретических расчётов они пришли к выводу, что, вероятнее всего, экамарганец и двимарганец присутствуют в таких минералах, как колумбит и танталит. 1925 г. ознаменовался в химии сообщением супругов Ноддак о том, что ими обнаружены элементы 43 и 75 в колумбите, первый в количестве 0,5 процента, второй — 5 процентов.

Как обычно, сообщение Ноддак подверглось проверке, в результате символы Ма (мазурий) и Re (рений) появились в таблице Менделеева, напечатанной в самых разных странах.

Казалось, можно было торжествовать победу, но не тут-то было! Под давлением неопровержимых доводов немецкого химика В.Прандтля 43-й элемент мазурий пришлось снова «закрыть». Такой же угрозе подвергался и рений, однако Ноддаки его отстояли, предъявив учёным и прежде всего Прандтлю вещественное доказательство — целых 100 миллиграммов вещества в металлическом виде. 75-я клетка в таблице Менделеева была окончательно заполнена.

43-м элементом увлёкся один из молодых римских физиков, работавших под руководством Э.Ферми, — Эмилио Сегре. В 1936 г. он побывал в США, в городе Беркли, где был установлен циклотрон. Лобовая часть пластины циклотрона («зуб»), предназначенная отклонять поток заряженных частиц и направлять его на мишень, поглощала примерно половину ускоренных частиц и сильно разогревалась. Поэтому этот «зуб» приходилось изготовлять из тугоплавкого молибдена, который в таблице Менделеева соседствует с неуловимым 43-м элементом.

Сегре подумал: почему бы молибдену после длительного обстрела дейтеронами не стать радиоактивным и не превратиться в одного из своих ближайших соседей, в тот же 43-й элемент, например? Образец продолжительно облучённого молибдена Сегре привёз с собой в Палермо, где он в это время работал, и совместно с минералогом К.Перье приступил к исследованиям.

Прежде всего было установлено, какие частицы выбрасывает облучённый элемент. Оказалось, что это бета-излучение — электроны. Затем молибден растворили в царской водке и стали разделять полученную смесь, широко используя метод, разработанный супругами Жолио-Кюри. Путём отделения соосаждаемых элементов удалось выяснить, что радиоактивность принадлежит совершенно новому элементу. Авторы назвали его технецием, что означает «искусственный».

Сегре — очень крупный учёный, с его именем связано не одно замечательное открытие, но когда у него как-то спросили, какое из них более всего им любимо, он ответил: открытие технеция. Не только потому, что это была первая оригинальная работа, совершённая в ранней ещё молодости, но и потому, что проведена она с использованием самых простых средств.

Ещё один элемент, 43-й, навечно поселился в отведённых ему покоях.

В отличие от 43-го и 75-го элементов два других элемента, 85-й и 87-й, такими безнадёжно неуловимыми не казались, особенно после работ Мозли и Бора. На деле же всё вышло иначе. Искали их так же долго, и так же поиски сопровождались разочарованиями, а порой — отчаянием.

Предполагалось, что 85-й элемент, экайод, — галоген вроде хлора, а 87-й, экацезий, — щелочной металл вроде натрия. Зная об этом, английский учёный А.Фриенд отправился к Мёртвому морю, где плотность воды такая, что там не может обитать рыба. При такой концентрации солей, полагал Фриенд, легче обнаружить и галоген экайод, и щелочной металл экацезий. Ничего из этого не вышло, несмотря на адский труд Фриенда.

Где только и в чём только не искали эти два элемента — в минералах, водах морей, золе сена, грибах, патоке, пепле сигар и т. д. и т. п. Были испробованы различные наисовершеннейшие методы — от спектрального анализа до растворов солей настоящего цезия; успеха не было.

В 1931 г. много шума наделали работы американского физика Фреда Аллисона, применившего разработанный им так называемый магнитооптический метод, который позволяет обнаруживать в растворах совершенно незначительные количества элементов. С его помощью Аллисон обнаружил целый ряд изотопов у элементов, до этого считавшихся простыми: золота, радия, палладия, тантала, таллия, рутения. Теперь этот учёный заявил, будто он нашёл экайод в монаците, и экацезий — в редких щелочных минералах поллуксе и лепидолите. Он даже придумал им названия — алабамий и виргиний. Более десяти лет эти элементы прожили на свете в соответствующих клетках периодической системы, но потом снова бесславно исчезли в небытие. Оказалось, что метод Аллисона превосходно служит самообману. Впрочем, несмотря на это, символы мертворожденных элементов некоторое время ещё оставались в таблице.

Многие физики пришли к заключению, что элементы 85 и 87 вообще бесполезно искать, поскольку они не имеют стабильных изотопов. Первое сообщение такого рода поступило ещё в 1913 г. от Кранстона. Этот учёный работал с чистым препаратом актиний-228, который обычно распадается с выбросом электрона и превращается в торий-228. Кранстон обнаружил, что актиний-228 выбрасывает иногда не электроны, а наоборот, альфа-частицы. Тогда этот факт показался учёным нелепостью, поэтому сообщение Кранстона и осталось незамеченным. Примерно через год Мейер, Гесс и уже знакомый нам Панет пришли к подобным же выводам. В их работе с чистым актинием-227 наблюдалось появление альфа-частиц с длиной пробега 3,5 сантиметра. Стало быть, они не могли принадлежать ни радию-226 (длина пробега 3,30 сантиметра), ни торию-232 (пробег — 2,59 сантиметра). Учёные предположили, что эта альфа-частица принадлежит образовавшемуся в цепи радиоактивного распада изотопу 87-го элемента. Разгорелась бурная полемика. Разобраться в этом помешала первая мировая война.

В 1926 г. была сделана попытка «поймать» экацезий в цепи радиоактивного распада. Исследования проводил Хевеши. Никаких обнадёживающих результатов он не получил. Возможно, 87-й элемент и образовывался, но в таком, очевидно, ничтожном количестве, что обнаружить его было просто невозможно.

В 1938 г. Маргарита Перей, французская исследовательница, решила повторить работу, проведённую в своё время Мейером, Гессом и Панетом, и ей повезло: частицы с длиной пробега 3,5 сантиметра действительно принадлежали 87-му элементу, названному францием. Это было доказано со всей тщательностью, хотя и с большим трудом. Период полураспада франция составляет всего 21 минуту, и за это время радиохимикам предстояло его изучить. Правда, были открыты и другие его изотопы, но срок их жизни был ещё меньше. Проводились очень хитроумные химические операции, чтобы отделить франций от других элементов; дополнительная трудность была в том, что франций — активнейший щелочной металл, почти не образующий нерастворимые соединения. Тем не менее химики, проведя тончайшую реакцию с применением кремнийвольфрамовой кислоты, подтвердили, что франций — это именно тот элемент, которому предназначалась 87-я клетка в таблице Менделеева.

Примерно так же был открыт экайод. О.Ган ещё в 1926 г. предположил, что элемент № 85 может образовываться при бета-распаде полония или же при выбросе альфа-частицы из ещё не известного экацезия. В 1940 г. Эмилио Сегре в содружестве с американскими учёными Д.Корсоном и К.Маккензи, работавшими в Беркли, идя этим путём, синтезировали 85-й элемент и назвали астатом, что в переводе с греческого значит — неустойчивый. Мысль о синтезировании элемента подал Сегре — по аналогии с тем, как был синтезирован технеций. Однако тот циклотрон, который позволил получить технеций, для нового эксперимента не годился — был очень слаб. Как только построили более мощный циклотрон, исследователи обстреляли альфа-частицами висмут, затем кусочек облучённого висмута поместили в тигель и накрыли платиновой пластинкой. После нагрева пары нового элемента, схожего по химическим свойствам с йодом, стали выделяться и осаждаться на пластинке, тут же сигнализируя о себе через счётчик Гейгера — Мюллера.

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.