СИНТЕЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
…Еще в очень давние времена возникла идея о трансмутации (превращении) элементов. Ее носителями были алхимики, которые преследовали, однако, конкретную цель. Все попытки трансмутации оказались тщетными. По мере того как химия обретала черты самостоятельной науки и развивались здравые суждения о строении и свойствах вещества, возможность превращения элементов вообще была поставлена под вопрос. И в конце XIX в. ученые уже всерьез не обсуждали эту проблему, хотя и не решались отвергнуть ее бесповоротно.
Но в конце столетия произошло событие, которое привело к парадоксальному выводу. В природе постоянно происходят процессы трансмутации элементов. Это событие — открытие радиоактивности. Но проявление естественной трансмутации ограничивается лишь сравнительно небольшой областью мира химических элементов, той областью, которая занимает самый конец периодической системы.
Радиоактивные превращения происходят независимо от воли человека. Все попытки искусственно повлиять на протекание природных радиоактивных процессов оказались неудачными. Когда была разработана ядерная модель строения атома, стало ясно, что радиоактивность является ядерным свойством. Способность к радиоактивному распаду определяется особенностями и закономерностями строения ядер.
Величина Z является важнейшей, определяющей характеристикой химического элемента. При испускании ядром α- или β-частиц его заряд изменяется, и тем самым изменяется природа химического элемента. Один элемент превращается в другой. Если же в нашем распоряжении имеется стабильный химический элемент, то величина его Z сама по себе никак не может измениться. Она изменится, если удастся каким-либо способом перестроить структуру его ядра, увеличить или уменьшить число протонов, содержащихся в ядре. Только тогда изменится величина его заряда, а тем самым произойдет искусственная трансмутация химического элемента.
Впервые реакцию искусственного превращения элементов осуществил в 1919 г. Э. Резерфорд.
Он бомбардировал азот α-частицами, в результате чего образовывались атомы кислорода. Эта первая в истории науки искусственная ядерная реакция может быть записана следующим уравнением:
или короче:
Долгое время α-частица оставалась единственным ядерным снарядом. Энергия природных α-частиц невелика, поэтому они могли проникать в ядра сравнительно небольшого числа элементов, и события эти были чрезвычайно редкими. Поэтому и были ограничены возможности искусственной трансмутации элементов. Дело существенно изменилось благодаря двум открытиям в 30-х годах нашего столетия. В 1932 г. английский ученый Дж. Чэдвик открыл нейтрон, элементарную частицу, не несущую заряда. В силу своей электронейтральности нейтрон оказался универсальным снарядом для осуществления ядерных превращений: ведь он не отталкивался положительно заряженным ядром. Спустя два года Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции обнаружили явление искусственной радиоактивности и зафиксировали новый вид радиоактивных превращений — позитронный распад, т. е. испускание позитрона. Стало ясно, что для многих стабильных элементов искусственным путем, с помощью ядерных реакций, могут быть получены радиоактивные изотопы.
Что же позволило ученым осуществить массовое получение искусственных радиоактивных изотопов? То, что физики-экспериментаторы создали точнейшую измерительную аппаратуру, разработали разнообразные методы проведения и изучения ядерных реакций и совместно с химиками научились выделять ничтожные следы полученных радиоактивных веществ. То, что арсенал бомбардирующих частиц значительно обогатился. К α-частицам, протонам и нейтронам добавились дейтроны — ядра тяжелого изотопа водорода, а уже потом многозарядные ионы таких элементов, как бор, углерод, азот, кислород, неон и т. д. Наконец, то, что ученые создали мощные ускорители ядерных снарядов, позволяющие разгонять заряженные частицы до очень высоких скоростей. Все это поставило на повестку дня искусственный синтез новых элементов.
ГЛАВА XII.ОТКРЫТИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАРЫХ ГРАНИЦАХ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Эту главу можно было бы назвать и так: «Синтез недостающих элементов периодической системы». После того как был открыт последний из стабильных элементов — рений, в таблице между водородом и ураном недоставало лишь четырех элементов с порядковыми номерами 43, 61, 85, 87. Все они были синтезированы до второй мировой войны (либо делались целенаправленные попытки их синтеза). Во всяком случае, именно они открывают историю синтезированных элементов.
ТЕХНЕЦИЙ
Верхняя часть периодической системы вплоть до шестого периода (где размещается семейство редкоземельных элементов) всегда представлялась относительно благополучной, особенно после того, как была открыта группа благородных газов, столь гармонично замкнувшая систему элементов с ее правого края. Благополучной в том смысле, что здесь едва ли можно было ожидать каких-либо сенсационных открытий. Споры возникали лишь по поводу возможного существования элементов легче водорода и между водородом и гелием. В целом же, говоря языком математиков, эта часть периодической системы представляла собой упорядоченное множество химических элементов.
И тем досаднее и непонятнее казался трудно объяснимый пробел, расположенный в пятом периоде и седьмой группе, в клетке таблицы с порядковым номером 43.
Д. И. Менделеев называл этот элемент экамарганец и пытался предсказать его важнейшие свойства. Время от времени казалось, что пробел заполнен, но вскоре обнаруживалась ошибка. Так было в случае ильмения, якобы открытого русским химиком Р. Германном еще в 1846 г. Одно время даже Д. И. Менделеев склонен был считать ильмений экамарганцем. Некоторые исследователи думали, что в промежутке между молибденом и рутением следует поставить дэвий (см. с. 144). Немецкий химик А. Ранг даже помещал символ Dv в соответствующее место таблицы. В 1896 г. мелькнул на горизонте люций, будто бы найденный П. Баррьером, и сгорел, подобно метеору.
Д. И. Менделеев так и не дожил до того счастливого момента, когда экамарганец должен был обрести, наконец, свое настоящее имя. Через год после его смерти, в 1908 г., пришла весть из Японии. М. Огава сообщил ученому миру, что в редком минерале молибдените ему удалось обнаружить долгожданный элемент. Ученый дал ему звучное имя «ниппоний» (в честь древнего названия Японии). Увы, и на сей раз Азия не смогла подарить периодической системе нового представителя. М. Огава, по всей вероятности, имел дело с гафнием (также открытым позже).
И химики, привыкшие к тому, что научные журналы каждый год сообщают об открытии нескольких химических элементов, оказались в растерянности. Химики все больше и больше начинают задумываться, не допустил ли Д. И. Менделеев ошибки в своей системе. Вдруг аналогов марганца вообще не существует.
В 1913 г. Г. Мозли решительно опроверг подобный скепсис. Он четко доказал, что для них есть места в ряду элементов.
В статье, датированной 5 сентября 1925 г., В. Ноддак, И. Такке и О. Берг объявили, что вместе с элементом № 75 — рением ими открыт также и его более легкий аналог по седьмой группе периодической системы — мазурий с порядковым номером 43. Два новых символа Ма и Re появились в таблице Д. И. Менделеева, появились на страницах учебников, замелькали в многочисленных научных журналах. Авторы открытия не видели ничего удивительного в том, что мазурий и рений не удалось обнаружить раньше. По мнению ученых, эти элементы отнюдь не были самыми редкими в земной коре. Дело заключалось в другом. Геохимики выделяют обширную группу рассеянных элементов. Это те, которые почти или совсем не образуют своих собственных минералов, а рассеяны в разных количествах по чужим, словно природа разбрызгала их по горным породам из гигантского пульверизатора. Именно благодаря своей рассеянности мазурий и рений так долго скрывались. И только всевидящий глаз рентгеноспектрального анализа как будто бы разглядел присутствие новых элементов на обширном фоне посторонних веществ. Существует древняя пословица: «Если двое делают одно и то же, это не значит, что получится одно и то же». Если двое начинают свой путь одновременно, то судьбы их обычно складываются по-разному. Из одной точки потянулись две биографии — сорок третьего и семьдесят пятого элементов, но одна из них переросла в широкий торный проселок, а другая затерялась в буреломе недоразумений, противоречий и загадок. Это была тропа мазурия.
В. Прандтль отнесся к судьбе пробелов в седьмой группе таблицы небезучастно. Он попытался взглянуть на проблему с другой стороны и высказал оригинальное мнение по поводу устройства периодической системы. В. Прандтль не предложил нового варианта таблицы. В его построении редкоземельные элементы размещались каждый в одной группе, хотя от такого варианта большинство химиков к тому времени уже отказались. И вот что ученый обнаружил: при такой структуре таблицы в седьмой группе под марганцем появляются сразу четыре пробела, которые соответствуют еще не открытым (это было в 1924 г.) элементам с порядковыми номерами 43, 61, 75 и 93. Прандтль считал, что это не случайно. Видимо, существует какая-то общая причина, которая объясняет отсутствие четырех элементов. Немецкий ученый сгустил краски. Его вариант таблицы оказался слишком искусственным, чтобы завоевать право на существование. Окончательное открытие рения внесло первое опровержение в его идею, а об элементе № 93, первом трансуране, в то время мало кто думал. Но в одном интуиция не подвела В. Прандтля: он верно предчувствовал, что сорок третий и шестьдесят первый чем-то тесно связаны друг с другом.
Чем дальше, тем меньше верили ученые в существование мазурия. Упорствовали лишь авторы открытия. Уже в начале 30-х годов И. Ноддак продолжала утверждать, что со временем сорок третий элемент можно будет приобретать у химических фирм без особого труда, так же как стало возможным покупать рений. Но время шло и, какие бы образцы земных пород ни подвергали химики испытаниям на мазурий, они убеждались, что И. Ноддак была права лишь наполовину, только лишь в отношении рения. Искать мазурий пытались в самых что ни на есть редкостных образцах. Более того, говорили, что мазурий образует свои, совершенно неведомые, свойственные лишь ему природные соединения. И это вызывало протест со стороны геохимиков. Фантазия шла дальше, и возникало предположение о радиоактивности мазурия. Эта фантазия встречала скептическое отношение. Но именно она и оказалась реальностью.
Обратимся к некоторым важным понятиям ядерной физики. Наряду с термином «изотопы» существует термин «изобары». В переводе с греческого он означает «равнотяжелые», т. е. «имеющие одинаковую массу». Изобарами будут два изотопа различных химических элементов с различными зарядами ядер, но с одинаковыми массовыми числами. Например, калий-40 и аргон-40. Их заряды ядер отличаются (соответственно 19 и 20). Но у этих разновидностей атомов одно и то же массовое число. В их ядрах содержится разное число протонов и нейтронов, а сумма их одинакова: у калия 19 протонов и 21 нейтрон, а у аргона по 20 протонов и нейтронов.
Так вот понятие «изобары» в конечном счете оказалось неожиданным ключом к решению проблемы мазурия.
Когда у большинства стабильных химических элементов были экспериментально обнаружены изотопы, причем у некоторых до десяти различных разновидностей атомов, ученые начали поиск закономерностей, царящих в мире изотопов. Одну из подобных закономерностей в начале 30-х годов подметил немецкий физик-теоретик И. Маттаух[16]. Если заряды ядер двух изобаров, считал ученый, различаются на единицу, то один из них обязательно должен быть радиоактивным. Вот, например, в паре изобаров 40K–40Ar первый проявляет слабую естественную радиоактивность, испытывает так называемый K-захват, превращаясь при этом во второй.
Далее И. Маттаух сопоставил друг с другом массовые числа изотопов элементов, соседних с мазурием, т. е. молибдена (Z=42) и рутения (Z=44).
Какой вывод следовал из этого сопоставления? А такой, что весь обширный интервал массовых чисел от 94 до 102 является запрещенным для изотопов элемента № 43. Иными словами, по И. Маттауху, получалось, что стабильных изотопов мазурия вообще быть не может.
Если это так, то с порядковым номером 43 в периодической системе элементов оказывалась связанной странная аномалия. Все разновидности атомов с Z=43 должны были обладать свойством радиоактивности, словно бы появлялся своеобразный нестабильный островок в море стабильности химических элементов. Этого никогда не удалось бы предвидеть в рамках представлений одной лишь химии. Предсказывая экамарганец, Д. И. Менделеев, конечно, не мог предполагать, что этот представитель седьмой группы периодической системы элементов не должен существовать на Земле.
Разумеется, по тем временам (начало 30-х годов) подмеченная И. Маттаухом закономерность выглядела не более чем гипотезой. Но гипотезой, которая имела все основания стать строгим теоретическим правилом. Так это впоследствии и произошло. Химикам же, вконец разочаровавшимся в попытках обнаружить элемент № 43, идея немецкого физика позволяла увидеть первопричину неудач. Однако символ Ма тем не менее не исчез из сорок третьей клетки системы, это произошло лишь несколько лет спустя. И здесь есть своя закономерность. Что из того, что все изотопы мазурия радиоактивны? Разве нет на Земле радиоактивных изотопов, которые существуют на нашей планете? Возьмите уран-238, торий-232 и, наконец, калий-40. Они существуют до сих пор потому, что имеют очень большие периоды полураспада. А кто мог поручиться, что и изотопы мазурия не являются столь же долгоживущими? А раз так, то поиски сорок третьего элемента в природе отнюдь не следовало объявлять бессмысленными.
Многолетняя проблема оставалась нерешенной. Кто знает, как сложилась бы дальнейшая судьба мазурия, если бы в науке не сверкнула зарница новой эры — эры искусственного синтеза элементов?
Осуществление ядерного синтеза стало реальным после изобретения циклотрона, открытия нейтрона и искусственной радиоактивности. В начале 30-х годов удалось синтезировать несколько искусственных радиоизотопов известных элементов. Появились даже сообщения о синтезе элементов тяжелее урана. Но посягнуть на пустовавшие клетки внутри периодической системы физики никак не решались. Разные на то были причины. Главная же состояла в огромных технических трудностях синтеза. В какой-то мере сыграл роль случай. В конце 1936 г. молодой итальянский физик Э. Сегре стажировался в Беркли (США), где в то время успешно работал один из первых в мире циклотронов. В сложной конструкции циклотрона одним из необходимых элементов была маленькая, но немаловажная деталь. Ее назначение состояло в том, чтобы направлять поток заряженных ускоренных частиц на бомбардируемую мишень. При этом часть частиц поглощалась деталью, которая сильно накалялась. Понятно, что ее необходимо было изготовлять из тугоплавкого материала, например из молибдена.
Заряженные частицы, поглощаясь молибденом, вызывали в нем ядерные реакции. Ядра молибдена могли превращаться в ядра других элементов. Молибден — сосед элемента № 43 по периодической системе. Если же в качестве ускоряемых частиц выступали дейтроны, то не исключалось такое событие, как превращение ядер молибдена в ядра мазурия.
Такая мысль и мелькнула у Э. Сегре. Будучи хорошим радиохимиком, ученый понимал, что если мазурий действительно образуется, то в количествах совершенно ничтожных. И отделение его от молибдена потребует немало ухищрений. Поэтому он попросил дать ему необходимый образец молибденовой детали для такого исследования и возвратился в Италию, где работал в Палермском университете. Помощником Э. Сегре стал сотрудник того же университета — химик К. Перрье.
Прошло около полугода, прежде чем исследователи сумели сделать определенные выводы и послали короткую заметку с изложением их сути в лондонский журнал «Природа». Вот краткое изложение сообщения о первом в мире искусственном синтезе нового химического элемента с порядковым номером 43, который так долго и так безуспешно искали в земной коре ученые разных стран. Профессор Э. Лоуренс из Калифорнийского университета подарил исследователям молибденовую пластинку, которая была облучена дейтронами на циклотроне в Беркли. Пластинка обнаружила сильную радиоактивность, причем едва ли она вызывалась каким-нибудь одним веществом. Период полураспада имел такую величину, что исключались радиоактивные изотопы циркония, ниобия, молибдена и рутения. Наиболее вероятно, эта активность относилась к изотопам атомного номера 43.
Хотя химические свойства этого элемента были практически неизвестны, К. Перрье и Э. Сегре исследовали активность, чтобы собрать информацию о химии элемента 43. Этот элемент обнаружил близкое сходство с рением и показал те же самые аналитические реакции, как рений. Но он мог быть отделен от рения тем же методом, который употреблялся для разделения молибдена и рения.
Эта заметка была написана в Палермо и датирована 13 июня 1937 г. Сказать, что она произвела сенсацию, было бы, пожалуй, неправильно. Ученый мир лишь принял ее к сведению. Слишком мало сведений она содержала, а необходимы были именно подробности, четкие результаты радиохимических исследований.
Только впоследствии выяснилось, что К. Перрье и Э. Сегре совершили подвиг, ибо выделили из облученного молибдена невесомое количество нового элемента — всего 10-10 г. Никогда ранее радиохимии не доводилось оперировать с такими ничтожными количествами вещества. Для нового элемента авторы предложили название «технеций» — от греческого слова, означающего «искусственный». Так в названии первого синтезированного элемента отразился способ его открытия. Но в научный обиход это название вошло лишь 10 лет спустя.
Получив новые образцы облученного молибдена, К. Перрье и Э. Сегре продолжили свои работы. Их открытие получило подтверждение со стороны других ученых. К 1939 г. стало ясно, что при бомбардировке молибдена дейтронами или нейтронами образуются по крайней мере пять изотопов технеция. Некоторые из них были настолько долгоживущими, что позволяли провести основательные химические исследования нового элемента. «Химия сорок третьего элемента» — это словосочетание не казалось уже фантастическим. Но никак еще не удавалось точно определить периоды полураспада изотопов технеция. Были лишь предположения, разноречивые оценки. Они не утешали, ибо оттуда следовало, что наибольшие значения не превышали 90 дней. А это только накладывало запрет на надежды обнаружить элемент в земной коре.
Чем был технеций на рубеже 30-х и 40-х годов? Не более, как дорогостоящей игрушкой в руках любознательных исследователей. Перспективы накопить его в осязаемых количествах, пожалуй, отсутствовали полностью. Коренной перелом в судьбе технеция (и далеко не его одного) произошел тогда, когда было открыто удивительное явление ядерной физики — процесс деления урана под действием медленных нейтронов.
Когда медленный нейтрон попадает в ядро изотопа уран-235, он как бы разбивает его на два осколка. Каждый из них — ядро какого-либо элемента середины периодической системы. И среди этих осколков могут быть изотопы технеция. Не зря поэтому ядерный реактор (где в промышленном масштабе осуществляется процесс деления урана с целью получения ядерной энергии) называют фабрикой изотопов.
Если циклотрон позволил впервые осуществить синтез технеция, то ядерный реактор дал способ получать его в количествах, измеряемых килограммами. Но еще до того, как первый ядерный реактор начал работать, Э. Сегре в 1940 г. в лабораторных условиях обнаружил в продуктах деления урана изотоп технеция с массовым числом 99. Вторично рожденный в реакторе, технеций стал превращаться в обыденный (как ни парадоксально звучит это слово) химический элемент. В самом деле, ведь при делении 1 г урана-235 образуется 26 мг технеция-99.
Как только технеций перестал быть редкостью, прояснилось многое, что столь долго волновало ученых. И прежде всего это касалось точного определения периодов его полураспада. Уже в начале 50-х годов стало ясно, что три изотопа технеция резко выделяются по своей долгоживучести не только среди остальных его изотопов, но и среди многих существующих в природе изотопов других радиоактивных элементов. Технеций-99 имеет период полураспада в 212 000 лет, технеций-98 — полтора миллиона лет, а технеций-97 и того больше — 2 600 000 лет. Большие числа, но недостаточные для того, чтобы первичный технеций мог сохраниться на Земле со времен ее образования. Гарантия присутствия земного технеция существовала бы, если бы период полураспада достигал как минимум ста пятидесяти миллионов лет. В этом ракурсе все предыдущие поиски технеция явно представляются безнадежными.
Но ведь технеций может и поныне образовываться в результате природных ядерных реакций, например при облучении молибдена нейтронами. Откуда на Земле берутся свободные нейтроны? Они могут возникать при спонтанном делении урана. Этот процесс имеет тот же механизм, что и описанный выше, только ядра разваливаются спонтанно, самопроизвольно. И кроме двух больших осколков — ядер средних элементов в периодической системе, одновременно выбрасывается несколько нейтронов.
Поиски технеция в молибденовых рудах были тщетными, и ученые всерьез занялись изучением другой возможности. Если изотопы технеция образуются в ядерных реакторах, то почему они не могут рождаться в природных процессах спонтанного деления урана?
Если принять во внимание земные ресурсы урана (его средняя распространенность в 20-километровой толще земной коры), допустить, что процент образования технеция такой же, как и в случае искусственного деления, то, проделав соответствующие расчеты, получим: технеция на Земле всего-навсего около 1,5 кг. Столь малое количество (не то еще будет, когда речь пойдет о других синтезированных элементах!) едва ли стоит принимать всерьез. И тем не менее исследователи решили попытаться выделить земной технеций из урановых минералов. Это удалось сделать в 1961 г. американским химикам Б. Кенне и П. Куроде. Так, технеций словно обрел еще одну дату своего рождения — дату обнаружения в природе. Даже если были бы неизвестны способы искусственного синтеза технеция, все равно рано или поздно он был бы извлечен из недр земных.
Но десятью годами раньше в судьбе элемента № 43 произошло событие, которое произвело сенсацию. Американский астроном Ш. Мур в 1951 г., изучая спектр Солнца, обнаружила в нем линии, характерные для спектра технеция. Спектр технеция был изучен сразу же, как только это стало возможно, т. е. когда удалось синтезировать минимально необходимое для получения спектра количество элемента. Полученные результаты сравнили с теми данными, которые в свое время были опубликованы И. и В. Ноддак и О. Бергом для мазурия. Ничего общего в спектрах технеция и мазурия не обнаружилось, и тем самым окончательно была подтверждена ошибочность открытия мазурия. Спектр солнечного технеция целиком и полностью соответствовал спектру технеция земного. Тут прямо-таки напрашивалась аналогия с гелием: прежде чем объявиться на Земле, технеций тоже сигнализировал о своем существовании с Солнца. Правда, некоторые астрономы подвергали сомнению результаты Ш. Мур. Однако в 1952 г. космический технеций снова дал знать о себе: английский астрофизик П. Меррил нашел линии технеция в спектрах двух звезд с поэтическими названиями R Андромеды и Мира Кита. Интенсивность спектральных линий свидетельствовала о том, что на этих звездах технеция столько же, сколько и его соседей по периодической системе элементов: циркония, ниобия, молибдена, рутения, родия и палладия. Но эти элементы стабильны, тогда как технеций радиоактивен. Хотя его период полураспада довольно велик, он все же ничтожен по космическим меркам. В таком случае присутствие технеция на звездах может означать лишь одно: он и поныне образуется там в ходе различных ядерных реакций. В звездах и в настоящее время идет гигантский процесс образования химических элементов. Один астрофизик очень метко окрестил технеций пробным камнем космогонических теорий. Теперь всякая теория происхождения элементов, чтобы привести аргументы в свою пользу, должна объяснить ту последовательность ядерных реакций в звездах, которая приводит к образованию технеция.
ПРОМЕТИЙ
История одного из редкоземельных элементов оказалась совершенно необычной и потому заслуживает самостоятельного повествования, ибо прометий (таково его современное название) фактически отсутствует в природе (мы употребили слово «фактически», но не абсолютно, в этом есть свой резон). Тому времени, когда элемент № 61 был наконец открыт путем ядерного синтеза, предшествовали события, которые иначе, как удивительными, не назовешь.
То, что между неодимом и самарием действительно существует неизвестный еще элемент, стало окончательно ясно после работ Г. Мозли. Но ясность эта оказалась, однако, относительной, ибо вскоре в биографии элемента № 61, словно в калейдоскопе, стали мелькать один драматический эпизод за другим.
В открытии химических элементов Новому Свету явно не повезло. Все элементы, обнаруженные к 20-м годам нашего столетия (не в счет элементы, известные с глубокой древности), были фактически открыты европейскими учеными. Поэтому открытие в 1926 г. химиками Иллинойского университета в Чикаго Б. Гопкинсом, Л. Интема и Дж. Гаррисом шестьдесят первого элемента американский научный мир воспринял с особой радостью.
Начиная с 1913 г. исследователи разных стран активно искали неуловимого представителя редкоземельного семейства. Казалось удивительным, почему его не удалось обнаружить раньше. В самом деле, элементы первой половины семейства — цериевые (от лантана до гадолиния), как доказали геохимики, больше распространены в природе, чем иттриевые (от тербия до лютеция). Между тем все иттриевые элементы были известны, а в ряду цериевых зияло пустое место между неодимом и самарием.
Объяснение напрашивалось следующее: шестьдесят первый не просто редкий, а редчайший элемент. Он содержится в земной коре в гораздо меньших количествах по сравнению со своими собратьями. Существующие химические методы анализа недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить его следы в земных минералах. Нужны были более зоркие глаза, более чуткие способы исследования.
Американские химики взяли на вооружение спектральные методы анализа; обнаружить присутствие в земных минералах шестьдесят первого элемента им должны были помочь оптические и рентгеновские спектры тех образцов, где предполагалось наличие неуловимого. Памятуя уроки изучения редкоземельных элементов, можно было бы заметить: не очень-то легкий путь выбрали заокеанские исследователи. Много добра принес спектральный анализ редким землям, но причинил и немало зла. Но спектроскопия 20-х годов XX в. уже не была такой неуверенной, как несколько десятилетий назад. А рентгеновские спектры любого элемента можно было заранее рассчитывать на основании закона Мозли.
Проделав большую работу, изучив много образцов различных минералов, Б. Гопкинс, Л. Интема и Дж. Гаррис в апреле 1926 г. заявили об открытии элемента № 61. Правда, они не держали в руках даже доли миллиграмма нового элемента: весть о его существовании принесли рентгеновские и оптические спектры.
Новорожденный получил имя «иллиний» (в честь Иллинойского университета), и символ Il занял пустовавшую шестьдесят первую клетку менделеевской системы. Но не прошло и полугода, как отыскался другой претендент на клетку № 61. Он имел символ Fl и назывался флоренцием. Его открыли два итальянца — Л. Ролла и Л. Фернандес. По их словам, они на два года раньше иллинойсских коллег нашли шестьдесят первый элемент. Но сведения о достигнутом успехе до поры до времени решили не публиковать (почему именно — авторы умалчивали). Статью о сделанном открытии они поместили в запечатанный конверт (plico suggelatto по-итальянски) и сдали на хранение во Флорентийскую академию Линчей.
Если разные люди различными путями приходят к одному и тому же результату — это ли не доказательство его истинности. Американские и итальянские химики могли бы только радоваться. А спор о приоритете — ведь он часто неизбежен в науке. И никому из перечисленных открывателей шестьдесят первого элемента не приходило в голову, что уже спустя короткое время этот спор станет чем-то вроде дележа шкуры неубитого медведя, а символы шестьдесят первого, будь то Il или Fl, не будут иметь никакого права на клетку № 61.
Но ниточка потянулась дальше, но не вперед, однако, как следовало бы, а назад. В истории шестьдесят первого всплыли обстоятельства не то чтобы прочно забытые, а просто неизвестные. Открыватели его так начинали свою статью: «Не было никаких теоретических оснований для предположения существования элемента между неодимом и самарием, пока закон Мозли не показал возможности идентификации элемента № 61»[17]. Все, казалось бы, верно в этой суховатой фразе научной публикации. И тем не менее…
На полях рукописной таблицы элементов, обнаруженной в архиве одного ученого (не будем раскрывать пока его имени), было записано по-немецки красноречивое заключение: NB. 61 ist das von mir 1902 vorhergesagte fehlende Elemente. (Убедительно просим читателя не прибегать пока к помощи немецко-русского словаря.)
С подлинной предысторией шестьдесят первого элемента тесно связано имя уже знакомого нам человека. Это известный чешский ученый, большой специалист по химии редких земель, друг Д. И. Менделеева, Богуслав Браунер.
Обнаружен иллиний, авторы открытия принимают поздравления, во второй, третий, четвертый раз убеждаются в существовании иллиния ученые других стран. «Мозли предсказал — американские химики открыли» — так пишутся первые главы родословной шестьдесят первого элемента. Ноябрь 1926 г. Со страниц лондонского журнала «Природа» неожиданно звучит голос чешского химика. Б. Браунер тоже поздравляет заокеанских коллег. Но он совершенно не согласен с началом их статьи, которое было процитировано несколькими строчками выше. Он затевает спор. В данном случае неважно, кто открыл шестьдесят первый — американцы или итальянцы: в двадцатых годах уже отчетливо представляется, что открытие нового элемента — это дело техники. Важно другое, кто предсказал? Г. Мозли? Нет, не Г. Мозли! — так утверждает чешский ученый. Тогда кто же? Да он сам, Богуслав Браунер…
Но и тени нескромности нет в этом утверждении. Оно покоится на труднейших работах ученого с редкими землями, на глубоком понимании духа периодической системы, на умении подметить чуть заметные изменения свойств в ряду удивительно похожих редкоземельных элементов; оно основано, наконец, на научной интуиции.
Пока это лишь слова, давайте же искать конкретные подтверждения. Вернемся к 1882 г. Старый дидим, дидим К. Мосандера, уже накануне своей гибели. Уже П. Лекок де Буабодран отделил от него новый элемент — самарий. Б. Браунер тщательно изучает остаток; труднейшими химическими операциями разделяет его на три части, три фракции, различающиеся по атомным массам. В силу многих обстоятельств ему приходится прекратить эти работы, и в 1885 г. К. Ауэр фон Вельсбах опережает чешского ученого. Старого дидима нет, а есть празеодим и неодим, те самые крайние фракции в работах Б. Браунера. А промежуточная? Нет, сейчас не до нее. Хаос царит в области редких земель. Мутные волны лжеоткрытий новых элементов ставят под сомнение периодическую систему. Годы идут. Хаос постепенно исчезает; известные редкоземельные элементы выстраиваются в стройный последовательный ряд. И Б. Браунер обращает внимание, что разница в величинах атомных масс неодима и самария довольно велика, больше, чем между двумя любыми соседними редкоземельными элементами. Б. Браунер, основываясь на блестящем знании химии редких земель, отчетливо видит, что последовательное изменение их свойств как бы претерпевает некий разрыв при переходе от неодима к самарию. Он вспоминает, наконец, свои работы 1882 г. Нити связываются в узелок. Рождается предчувствие, нет, даже уверенность в том, что между неодимом и самарием существует неизвестный элемент. Но, подобно Д. И. Менделееву, Б. Браунер никогда не был поспешен в выводах. Лишь в 1901 г., когда он высказал свои взгляды о месте редкоземельных элементов в периодической системе, он сделал прочерк в их ряду между неодимом и самарием.
И вот, наконец, он составил рукописную таблицу элементов. На полях ее черным по белому написано по-немецки: «61 — это предсказанный мной в 1902 году недостающий элемент!»
Короткая заметка в «Природе» продиктована стремлением Б. Браунера восстановить историческую справедливость. Тем самым как будто бы облегчается задача биографов шестьдесят первого. Маленькая деталь: можно писать биографии реально существующих элементов. Иллиний же оказался мертворожденным.
Пока энтузиасты пытались поместить в шестьдесят первой клетке таблицы Д. И. Менделеева символ Il, нашлись придирчивые и беспощадные скептики. Первым из них был В. Прандтль. Тщательность его экспериментов не внушала никаких сомнений. Но он не получил даже намека на существование шестьдесят первого элемента.
В конце 1926 г. за дело взялись соотечественники В. Прандтля И. Ноддак и В. Ноддак. Они только что сообщили об открытии двух новых элементов — мазурия и рения, сорок третьего и семьдесят пятого. Теперь ученые поставили своей целью заполнить пробел между неодимом и самарием. Пятнадцать различных минералов, в которых предполагалось присутствие иллиния, подвергли они исследованию всеми возможными методами. Целый центнер редкоземельного сырья переработали они в поисках нового элемента и ничего не обнаружили. И. и В. Ноддаки заявили, что, если бы данные американских химиков соответствовали действительности, они (Ноддаки) неизбежно выделили бы иллиний. Даже, если бы этот элемент в 10 миллионов раз был более редким, нежели неодим и самарий, им удалось бы его обнаружить. Значит, одно из двух: или шестьдесят первый уникально редок, и существующие методы исследования недостаточно точны, чтобы разглядеть его следы, или этот элемент искали вовсе не в тех минералах, где надо.
Геохимики возражали против первого предположения. Редкоземельные элементы содержатся в природе в более или менее сходных количествах. Трудно предполагать, что иллиний окажется исключением. Но геохимики же советовали поискать его в минералах кальция и стронция. Ведь все редкоземельные элементы, как правило, трехвалентны, но некоторые из них могут проявлять валентность, равную четырем или двум. Таков, например, европий, он довольно легко образует двухзарядные катионы. По размеру они ближе к катионам кальция и стронция и могут замещать их в соответствующих щелочноземельных минералах. Быть может, у иллиния эта способность выражена еще сильнее, и его удастся обнаружить в каком-нибудь редком природном соединении стронция. Гипотеза наслаивалась на гипотезу, одно недоказанное предположение базировалось на другом. Супруги И. и В. Ноддаки исследовали на всякий случай несколько щелочноземельных минералов. Увы, успех и на сей раз не сопутствовал им.
Развенчание иллиния поставило ученых в тупик. Поиски шестьдесят первого, правда, продолжались, но достигавшимся результатам теперь уже мало кто верил.
Химикам оказалось не под силу найти шестьдесят первый элемент в земных минералах. Теоретической физике выпало на долю вскрыть «конверт», где природа надежно «запечатала» шестьдесят первый элемент. Но когда это произошло, ученым (в который раз) снова пришлось огорченно развести руками. «Конверт» оказался пустым.
И здесь судьба шестьдесят первого элемента самым непосредственным образом переплетается с судьбой элемента № 43 — технеция. В соответствии с правилом немецкого физика-теоретика И. Маттауха технеций в принципе не может иметь стабильных изотопов. Это же правило накладывает вето и на возможности существования стабильных изотопов у элемента шестьдесят один. Иллиний умер, но ведь шестьдесят первый элемент должен был существовать.
А если он в действительности не существует? Такая неожиданная мысль пришла И. Ноддак. Она высказала смелое предположение. Иллиний (будем пока называть его так) присутствовал на Земле в ранние геологические эпохи. Но это был сильно радиоактивный элемент с небольшим периодом полураспада и потому довольно быстро распался, исчез с нашей планеты. Если следовать идее И. Ноддак, то придется сделать два совершенно невероятных допущения. Во-первых, иллиний — элемент середины периодической системы — не имеет ни одного устойчивого изотопа. Во-вторых, периоды полураспада этих изотопов гораздо меньше возраста Земли.
И в самом деле, соседи иллиния по периодической системе — неодим и самарий — имеют много (по семь каждый) природных изотопов, и диапазон их массовых чисел очень широк — от 142 до 154. Какой бы предполагаемый изотоп шестьдесят первого элемента мы ни взяли, его массовое число попадает в этот интервал. Значит, любой изотоп иллиния в этом интервале массовых чисел оказывается неустойчивым.
Казалось, правило Маттауха окончательно подорвало надежды найти на Земле элемент № 61. И все же появилась «соломинка», за которую можно было схватиться. Пусть все изотопы иллиния радиоактивны. Но в какой степени? Быть может, некоторые из них имеют очень большие периоды полураспада. Теоретики в то время еще не умели предсказывать величины периодов полураспада. И поиски элемента № 61 продолжались вслепую. Но физики решили, что только ядерный синтез должен помочь разгадать загадку шестьдесят первого элемента, тем более что уже был пример синтеза технеция.
Словно пытаясь взять реванш за поражение своих соотечественников в 1926 г., американские физики М. Пул и Л. Квилл из Огайоского университета в 1938 г. поставили первый эксперимент по искусственному синтезу элемента № 61. Они обстреливали мишень из неодима быстрыми дейтронами, ядрами тяжелого водорода. По их мнению, при этом происходила ядерная реакция Nd+d→61+n, и продуктом ее должен был явиться изотоп элемента № 61. Результаты оказались противоречивыми, но тем не менее ученые пришли к выводу, что им действительно удалось получить изотоп нового элемента с массовым числом 144 и периодом полураспада 12,5 ч.
Но и тут нашлись скептики, которые объявили достижения американцев ошибочными, и они имели право на сомнения, ибо никто не мог гарантировать, что неодимовая мишень была идеально чистой. Да и сам метод идентификации нового изотопа вряд ли следовало считать достаточно надежным. Даже несложные оптические и рентгеновские спектры, как в работах исследователей 1926 г., свидетельствовали о присутствии шестьдесят первого; этот вывод делали на основании радиометрических измерений.
Химия в этом процессе фактически не участвовала: химическая природа загадочного радиоактивного продукта не определялась. Поэтому возникает вопрос: можно ли считать 1938 г. действительной датой открытия элемента № 61? Скорее, это было лишь начало целенаправленных попыток его синтеза.
Время шло, и ученые расширяли арсенал бомбардирующих частиц. Они брали мишени из других редкоземельных элементов, совершенствовали технику измерения получающихся активностей. И на страницах научных журналов стали появляться статьи о других изотопах иллиния. Факт становился реальностью. Шестьдесят первый искусственно обретал жизнь. Он сменил имя. Символ Cy воцарился (но опять на короткое время) в клетке № 61, название «циклоний» было дано в знак того, что новый элемент получили с помощью циклотрона.
Исследователи слышали радиоактивный «писк» циклония, но никто не видел и крупицы нового элемента, даже его спектры не были получены. О существовании циклония приходилось судить по косвенным признакам.
В научной летописи XX в. записано много великих открытий, и одно из величайших — это открытие деления урана под действием медленных нейтронов. Ядра изотопов урана-235 раскалываются при этом на две части, каждая из которых представляет собой изотоп одного из элементов середины таблицы Д. И. Менделеева. Среди подобных осколков могут быть изотопы тридцати с лишним элементов — от цинка до гадолиния. Теоретики рассчитали, что выход изотопов элемента № 61 довольно велик. Он достигает примерно 3% от общего количества продуктов деления.
Выделить эти три процента оказалось очень нелегко.
Три американских химика — Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл — применили для разделения осколков урана метод новой химии — ионообменную хроматографию.
В этом методе разделение элементов осуществляется с помощью ионообменных смол — особых высокомолекулярных соединений. Эти смолы играют роль своеобразного сита, которое позволяет рассортировать разделяемые элементы в определенной последовательности в зависимости от прочности соединений, которое образует тот или иной элемент со смолой. На дне сита ученые обнаружили настоящие жемчужные зерна — два изотопа шестьдесят первого элемента с массовыми числами 147 и 149.
Теперь шестьдесят первый элемент иллиний (он же флоренций, он же циклоний) должен был в конце концов обрести окончательное имя. Авторы открытия впоследствии вспоминали, что придумывать новое название было ничуть не легче, чем выделить сам элемент. Конец спорам положила супруга Ч. Кориэлла — Мэри Кориэлл. Она посоветовала назвать его прометием. Согласно древнегреческой мифологии, Прометей похитил огонь у богов и подарил его людям, за что Зевс жестоко покарал титана. Это название не только символизирует драматический путь получения нового элемента в заметных количествах в результате овладения людьми энергией ядерного деления, но и предостерегает людей от грозящей опасности наказания стервятником войны, писали Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл.
Прометий родился в 1945 г. В печати сообщение об этом было опубликовано в 1947 г. 28 июня 1948 г. участники симпозиума Американского химического общества в Сиракузах любовались первыми образцами соединений прометия (желтым хлоридом и розовым нитратом, каждого по 3 мг). Этим препаратам стоит воздать должное не в меньшей мере, чем первой чистой соли радия, выделенной Марией Кюри. Великое искусство ученых вызвало к жизни прометий. Сейчас его получают в количествах, измеряемых десятками граммов. И многие его свойства хорошо изучены.
Правило Маттауха закрывало дверь к земным кладовым шестьдесят первого элемента, но закрывало недостаточно плотно. Если бы прометий располагал долгоживущими изотопами, чьи периоды полураспада измерялись величинами порядка возраста Земли, то поиски его в рудах и минералах имели полное основание.
Но в этом смысле ядерная физика оказалась врагом природного прометия. Синтез каждого нового изотопа прометия делал возможную лазейку все более узкой. Выяснилось, что жизнь изотопов прометия коротка. Из пятнадцати известных ныне изотопов шестьдесят первого элемента самый долговечный имеет период полураспада, равный всего лишь 30 г. Другими словами, когда наша Земля только сформировалась как планета, на ней уже давным-давно не могло быть и тени прометия. Но прометия первичного, того самого, который образовался в сложнейшем процессе происхождения химических элементов. Речь же могла идти о поисках прометия вторичного, т. е. такого, который и поныне образуется на Земле в результате различных природных ядерных реакций.
Технеций удалось в конце концов обнаружить в земной коре среди осколков спонтанного деления урана. Но в этих продуктах деления не исключалось присутствие изотопов элемента № 61. Проделанный приблизительный расчет показал, что количество прометия, который мог бы образоваться в результате спонтанного деления урана, содержащегося в земной коре, соответствует примерно 780 г (это все равно, что ничего). Искать природный прометий — это примерно то же самое, что растворить бочку соли в озере Байкал, а затем пытаться найти отдельные ее молекулы.
И все же эта неимоверной трудности задача была в 1968 г. решена. Американские ученые, среди которых оказался автор открытия природного технеция П. Курода, сумели зафиксировать природное существование изотопа прометия с массовым числом 147 в образце урановой руды — смоляной обманки. Тем самым была закончена удивительная история открытия элемента № 61.
Как и в случае технеция, для прометия правомерно говорить о двух датах открытия.
Первая дата — это дата синтеза, год 1945-й. Но синтез в данном случае был необычным (можно было бы сказать: синтез через деление). Два первых изотопа прометия выделили из осколков деления урана, облученного медленными нейтронами, а не прямым способом, как технеций, который был получен непосредственно в результате прямой ядерной реакции. Эти особенности прометия уникальны на фоне всех других синтезированных элементов.
Вторая дата — обнаружение прометия в природе в 1968 г. Она имеет самостоятельное значение, ибо это достижение находилось на грани возможности физических и химических методов анализа. Данное событие представляет чисто теоретический интерес, потому что никто не будет добывать для практических нужд природный прометий.
АСТАТ И ФРАНЦИЙ
В июле 1925 г. английский ученый В. Фриенд отправился в Палестину. «Земля обетованная» привлекала его отнюдь не по религиозным соображениям. Он не был ни археологом, ни туристом, путешествующим в поисках экзотических мест. В. Фриенд был просто-напросто химиком, и его багаж составляло в основном множество самых обычных склянок, куда ученый намеревался собирать пробы воды Мертвого моря. По концентрации растворенных солей Мертвое море почти не имеет себе равных среди водоемов земного шара. Рыба в нем не живет, человек может плавать в его водах, не рискуя утонуть, — так велика плотность этих вод.
Безрадостные библейские ландшафты не омрачали настроения В. Фриенда. Он верил в успех, а цель его состояла в том, чтобы обнаружить в водах Мертвого моря экаиод и экацезий, которые химикам никак не удавалось поймать. Ведь в солях, растворенных в морской воде, много щелочных металлов и галогенов; в Мертвом море их должно быть особенно много. И тем больше вероятность, что среди них, пусть в ничтожных количествах, затерялись неизвестные элементы — самый тяжелый галоген и самый тяжелый щелочной металл.
В. Фриенд, конечно, не был оригинален в выборе направления поисков. Еще в конце XIX в. химик не затруднился бы ответить на вопрос, где искать экаиод и экацезий в земной коре. Конечно же там, где встречаются в природе соединения щелочных металлов и галогенов: в залежах калийных солей, в морских и океанских водах, в различных минералах, в водах буровых скважин, в некоторых морских водорослях — словом, объектов для поисков было более чем достаточно.
Но более чем достаточно оказалось и неудачных попыток обнаружить экаиод и экацезий. И усилия В. Фриенда лишь разделили судьбу прежних безуспешных попыток.
Перенесемся в последние десятилетия прошлого века. Когда Д. И. Менделеев разработал периодическую систему элементов, то выяснилось, что в ней между висмутом и ураном существует много пробелов, соответствующих неизвестным элементам. Эти пробелы стали быстро заполняться после обнаружения явления радиоактивности. Встали на свои места полоний и радий, радон и актиний, наконец, протактиний занял место между ураном и торием. Только с экаиодом и экацезием получилась заминка. Правда, она не особенно смущала ученых. Неизвестные «эки» должны быть радиоактивными, поскольку ни у кого не возникало сомнений, что радиоактивность — общее свойство элементов, которые тяжелее висмута. Поэтому рано или поздно существование восемьдесят пятого и восемьдесят седьмого будет доказано радиометрическими методами.
Своеобразные генераторы вторичных химических элементов (природные изотопы урана и тория) дают начало длинным цепочкам последовательных радиоактивных превращений. В первое десятилетие XX в. ученые имели в своем распоряжении около сорока радиоактивных изотопов элементов конца периодической системы — от висмута до урана. Эти радиоэлементы объединялись тремя радиоактивными семействами. Их возглавляют торий-232, уран-235 и уран-238. Каждый радиоактивный элемент послал своих представителей в эти семейства. Каждый, кроме экаиода и экацезия. Ни в одной из трех цепочек не было звена, которое отвечало бы изотопам восемьдесят пятого или восемьдесят седьмого элементов. Тогда напрашивается неожиданный вывод, что экаиод и экацезий не являются радиоактивными элементами. Но почему? Никто не брал на себя смелость ответить на подобный вопрос. Стало быть, искать их в рудах урана и тория, где содержатся все радиоактивные элементы без исключения, не имеет смысла.
Предположение о вероятной стабильности экаиода и экацезия не подтверждалось. Но столь же тщетными оказывались попытки обнаружить изотопы этих элементов на ветвях радиоактивных «дерев». Правда, имелась одна возможность, которой не следовало пренебрегать. Распадается ли данный радиоактивный изотоп только одним-единственным способом или же двумя способами? Скажем, обладает способностью испускать и α- и β-частицы. Если это так, то продуктами распада этого изотопа будут изотопы двух различных элементов, а цепочка радиоактивных превращений в месте исходного изотопа как бы раздвоится, разветвится. Ученые давно интересовались этим вопросом, и для некоторых изотопов как будто удалось получить положительный результат.
В 1913 г. англичанин А. Кранстон работал с радиоэлементом MsTh-II (изотопом актиния-228). Этот изотоп испускает β-частицу и превращается в торий-228. Но ученому показалось, что в очень слабой степени здесь наблюдается и α-распад. В этом случае продуктом превращения должен был оказаться долгожданный экацезий. В самом деле,
А. Кранстон, однако, ограничился лишь констатацией наблюдения.
Прошел всего год. Три радиохимика из Вены — С. Мейер, Г. Гесс и Ф. Панет — исследуют изотоп актиний-227, принадлежащий семейству урана-235. Один опыт сменяется другим, и, наконец, чуткие приборы регистрируют α-частицы неизвестного происхождения. α-Частицы каждого радиоактивного изотопа характеризуются определенной длиной пробега в воздухе (порядка нескольких сантиметров). α-Частицы в работах венских химиков пробегали в воздухе 3,5 см. Частицы, испускаемые другими известными α-активными изотопами, пробегали дальше или ближе, но не то же расстояние. И в результате трое исследователей из Венского радиевого института приходят к выводу, что эти частицы говорят об α-распаде обычно β-активного актиния-227. Продуктом распада должен быть изотоп элемента № 87.
Открытие требовало подтверждения, новых экспериментов. С. Мейер, Г. Гесс и Ф. Панет были готовы доказывать свою правоту, но им помешала первая мировая война.
Венские исследователи действительно наблюдали α-излучение 227Ас, и тем самым в их присутствии рождались атомы восемьдесят седьмого. Но это ведь нужно было доказать. Опровергать все же было легче. Скептики возражали, что наблюдавшаяся α-активность слишком слаба, и достигнутый результат, вероятно, ошибочен. Другие указывали, что изотоп соседнего элемента протактиния тоже испускает α-частицы с длиной пробега, близкой к 3,5 см. Возможно, что исследователей подвела примесь протактиния.
Открытия восемьдесят пятого и восемьдесят седьмого элементов совершались неоднократно, и им предлагали разные названия: дакин и молдавий, алкалиний и гельвеций, лептин и англогельвеций. Но то были лишь заблуждения. За пышными именами якобы открытых элементов царила пустота.
Массовые числа всех изотопов, входящих в семейство тория-232, без остатка делятся на четыре. Поэтому ториевое семейство называют еще 4n-семейством. Массовые числа двух урановых семейств при делении на 4 дают в остатке два или три. По этой причине семейство урана-238 обозначают как (4n+2) — семейство, а урана-235 — как (4n+3) — семейство.
Но где же (4n+1) — семейство? Может быть, именно в этом неизвестном четвертом ряду радиоактивных превращений и располагаются изотопы экаиода и экацезия. Предположение не было лишено смысла, но ни один из известных радиоактивных изотопов по величине своего массового числа не мог быть отнесен к этому гипотетическому семейству.
Скептики не без основания утверждали, что действительно на заре существования Земли имелся и четвертый радиоактивный ряд. Но все входящие в него изотопы (в том числе и родоначальник ряда) имели слишком малые периоды полураспада и потому давным давно исчезли с лица нашей планеты. Четвертое радиоактивное древо высохло задолго до того, как появился первый человек.
В 20-х годах теоретики пытались реконструировать это семейство, представить как оно выглядело, если бы существовало. В этой воображаемой картине находилось место для изотопов элементов № 85 и № 87 (но зато отсутствовали изотопы радона). И этот путь поисков неуловимых элементов оказывался бесперспективным. Быть может, они вовсе не существуют?
Но до истины было не так уже далеко. Однако, прежде чем рассказать, каким способом ученые заполучили, наконец, «синюю птицу», вернемся к технецию, элементу № 43 — первому из синтезированных элементов.
Почему именно он оказался первым? Прежде всего потому, что не вызывал трудностей выбор мишени и бомбардирующей частицы. Материалом мишени мог служить молибден, который в то время уже умели приготовлять в достаточно чистом состоянии. Бомбардирующими снарядами могли быть нейтроны и дейтроны, причем дейтроны можно было разгонять на существующих ускорителях. Вот почему открытие технеция положило начало эпохе синтезированных элементов.
С прометием дело усложнилось тем, что он принадлежал к редкоземельному семейству, и в данном случае основные трудности коренились в определении его химической природы.
А вот по отношению к элементам № 85 и 87 задача представлялась куда более сложной. Для того чтобы попытаться получить экаиод, ученые могли располагать лишь одним вариантом для мишени — элементом висмутом с порядковым номером 83; столь же однозначным был и выбор бомбардирующего агента (α-частиц). Нельзя было использовать предшествующий экаиоду полоний в качестве мишени. Не годились и элементы, стоящие в периодической системе перед висмутом (от них никак нельзя было дотянуться до восемьдесят пятого, ибо отсутствовали необходимые снаряды).
Экацезий вообще представлялся недоступным искусственному синтезу. Чтобы его синтезировать, в 30-х годах отсутствовали подходящие мишени и снаряды. Но таковы бывают зигзаги в истории науки, что именно восемьдесят седьмой стал вторым после технеция достоверно открытым элементом из четверки отсутствовавших элементов в старых границах периодической системы.
И вот наступает момент, когда линии экаиода и экацезия, так долго тянувшиеся параллельно, на определенное время расходятся, и истинную историю открытия этих элементов целесообразно рассмотреть по отдельности.
Авторами синтеза элемента № 85 стали ученые, работавшие в Беркли (США), — Дж. Корсон, К. Маккензи и Э. Сегре. Итальянский физик Э. Сегре к этому времени переселился в США и среди группы исследователей был единственным, кто уже принимал участие в искусственном получении нового элемента — технеция. Эти авторы 16 июля 1940 г. отправили в крупнейший физический журнал «Physical Review» большую статью, озаглавленную «Искусственно радиоактивный элемент 85». В ней они описали, как в результате бомбардировки висмутовой мишени потоком α-частиц, ускоренных на циклотроне, им удалось получить радиоактивный продукт в соответствии с ядерной реакцией . По всей вероятности, он являлся изотопом экаиода с периодом полураспада 7,5 ч и массовым числом 211. Э. Сегре и его коллеги провели искусные химические эксперименты с ничтожными количествами нового элемента и убедились, что он похож на иод и обнаруживает слабые металлические свойства.
Исследование было достаточно убедительным. Однако новый элемент пока оставался безымянным. Кроме того, дальнейшие работы над экаиодом пришлось отложить в связи с началом войны. Лишь в 1947 г. искусственное получение восемьдесят пятого снова встало на повестку дня, и те же трое ученых объявили о синтезе другого изотопа с массовым числом 210. Его период полураспада был немногим больше — всего 8,3 ч. Как оказалось потом, это самый долгоживущий изотоп элемента № 85. И способ его получения был аналогичным. Только ученые несколько увеличили энергию бомбардирующих α-частиц. В результате из образующегося составного промежуточного ядра (209Bi+α) вылетало не два, а три нейтрона, и потому массовое число изотопа становилось на единицу меньшим. Только теперь решили дать название новому элементу — «астатин», от греческого слова, означающего «неустойчивый». В отечественной литературе ныне принято название «астат» (символ At).
Но в промежутке между синтезами изотопов 211At и 210At произошло замечательное событие. Ученые из Венского радиевого института Б. Карлик и Т. Бернерт сумели доказать существование астата в природе. Это была поистине филигранная работа, находившаяся на грани возможностей техники радиометрических измерений. И она увенчалась успехом, а элемент № 85 обрел тем самым свое второе рождение. И так же как в случае технеция и прометия, можно говорить о двух самостоятельных датах в истории знакомства с астатом — дате синтеза (1940) и дате обнаружения в природе (1943).
Но к тому времени, когда Э. Сегре и его коллеги готовились приступить к облучению мишени из висмута α-частицами, прошло уже больше года, как научный мир узнал об открытии экацезия. В «Докладах Парижской Академии наук» помеченная датой 9 января 1939 г. появилась статья под названием: «Элемент 87: АсK, производящийся от актиния». Ее автором была Маргарита Перей, сотрудница маститого радиохимика А. Дебьерна, который четырьмя десятилетиями раньше заявил об открытии актиния.
Она не изобретала никаких принципиально новых методов и не строила туманных и глубокомысленных умозаключений относительно возможных источников экацезия в природе. В 1938 г. ей попала в руки статья 1914 г. Под статьей стояли фамилии венских химиков С. Мейера, Г. Гесса и Ф. Панета. И М. Перей задалась целью доказать их правоту. В ее руках тщательно очищенный образец изотопа актиний-227. Он интенсивно испускает электроны, но в этом электронном потоке нет-нет да и промелькнут α-частицы. Каждая такая частица пробегает в воздухе 3,5 см. И протактиний здесь ни при чем: исследовательница позаботилась о чистоте препарата актиния. Коль скоро испускаются α-частицы, то в препарате этом должен постоянно накапливаться изотоп экацезия с массовым числом 223. Эксперименты следуют один за другим. Да, вне всякого сомнения, в актиниевом образце действительно накапливается нечто, и это нечто имеет период полураспада, равный 21 мин. Теперь химические реактивы должны подтвердить, что нечто — новый элемент. Выясняется, что свойства подобны свойствам цезия.
М. Перей назвала новорожденный элемент в честь своей родины. Он стал называться францием. Лишь в течение короткого времени его именовали актинием K (АсK), и то была дань старой терминологии, применяющейся для обозначения радиоэлементов.
Первая характеристика, которую составила М. Перей на новорожденный элемент, была предельно краткой: образуется при α-распаде актиния-227:
испускает α-частицы с периодом полураспада около 21 мин. Затем в течение нескольких месяцев М. Перей изучала химическую природу франция, и ей удалось убедительно показать, что он во всем похож на цезий.
Ни один из естественных радиоактивных элементов не имеет столь малой продолжительности жизни; даже долговечность восемьдесят пятого, искусственно полученного, все же измеряется часами. Можно было надеяться на лучшее: вдруг удастся обнаружить природные изотопы франция с бóльшими периодами полураспада. Но франций-223 фактически оказался единственным изотопом элемента, существующим на Земле.
В таком случае приходилось рассчитывать лишь на синтез. Но этот путь был очень трудным. Лишь спустя более десятка лет после успеха М. Перей ученые освоили методы искусственного получения изотопов франция. Вот сокращенная запись ядерной реакции образования изотопа франция с массовым числом 212:
Этот метод называется расщеплением ядер урана быстрыми протонами, разогнанными на ускорителе до очень больших скоростей. Ударяя в урановое ядро, такой высокоэнергичный протон производит в нем своеобразный взрыв, в результате которого выбрасывается целый сонм частиц — шесть протонов и двадцать один нейтрон. Конечно, такая реакция осуществляется не вслепую, а основана на тщательных теоретических расчетах. Вместо урана может быть использован и торий. Продукт этой реакции — франций-212 — одно время считался самым долгоживущим изотопом (с T½=23 мин), но впоследствии это значение уточнили, и оно оказалось равным 19 мин.
Получить франций искусственно — путь гораздо более сложный и менее надежный, чем извлечение элемента в качестве продукта распада природного актиния. Но ведь актиний тоже редко встречается в природе. Как же быть? В наши дни ученые облучают основной изотоп радия с массовым числом 226 (с Т½=1622 года) быстрыми нейтронами. Поглотив нейтрон, 226Ra превращается в 227Ra, живущий около 40 мин. В ходе его распада накапливается чистый актиний-227, в результате α-распада которого образуется франций-223.
Символы At и Fr навсегда утвердились соответственно, в 85-й и 87-й клетках периодической системы Д. И. Менделеева, и свойства их оказались в точности такими, какие можно было предположить на основе таблицы элементов. Но по сравнению со своими нестабильными собратьями, рожденными волей ядерной физики, технецием и прометием, они явно находятся в проигрышном положении.
Приблизительный подсчет показывает, что в двадцатикилометровой толще земной коры содержится примерно 520 г франция и 30 г астата (это ориентировочная и кое в чем завышенная оценка). И все же количества эти одного порядка с земными «запасами» (кавычки здесь более чем уместны) технеция и прометия. Может, мы напрасно «обижаем» астат и франций? Нисколько! Ведь сорок третий и шестьдесят первый элементы производят в промышленных масштабах, и килограммы тут отнюдь не самая большая единица измерения. Дело заключается в том, что Tc и Pm имеют несравненно большие периоды полураспада. Эти синтезированные элементы можно поэтому накапливать в больших количествах. В то же время ни о каком накоплении астата и франция не может быть и речи. Фактически, когда возникает необходимость изучения их свойств, то каждый раз эти элементы приходится получать заново.
В радиоактивных семействах изотопы астата и франция располагаются не на главных, магистральных направлениях превращений, а на боковых ответвлениях. Эти разветвления распадов называются радиоактивными вилками. Вот вилка, благодаря которой образуется природный франций:
Изотоп в 99 случаях из 100 предпочитает испускать β-частицы и лишь в одном случае испытывает α-распад.
Еще менее утешительную картину можно наблюдать для вилок, ответственных за образование астата:
О чем рассказывают эти вилки? Генераторы природного астата (изотопы полония) сами по себе чрезвычайно редкие. Распад с испусканием α-частицы для них является не то чтобы преобладающим, но практически единственным. Что же касается β-распадов, то они выглядят прямо-таки недоразумением, как об этом красноречиво говорят соответствующие значения.
На 5000 α-распадов полония-218 приходится лишь один случай β-распада. Еще печальнее обстоит дело для полония-216 (1 на 7000) и полония-215 (1 на 200 000). Тут уж, как принято говорить, комментарии излишни. Франция все же больше в земной коре. Природным поставщиком его является наиболее долгоживущий изотоп актиния 227Ас (T½=21 год); его, конечно, гораздо больше, чем уникально редких изотопов полония, способных производить астат.