|
|
<<< ΛΛΛ >>>
Искусственная радиоактивность
В начале 30-х годов казалось, что любимое занятие многих исследователей
атома -- поиски новых продуктов распада -- уже не может дать ничего нового.
Такие исследования проводились с чисто криминалистическим чутьем. Теперь ряд
естественных радиоактивных элементов оказался полным. Ничего не меняло и то
обстоятельство, что существование первого члена ряда актиния, актиноурана
было до сих пор лишь гипотетическим. Исследователям атома и не снилось, что
можно будет отыскать еще неизвестные радиоактивные элементы.
В это время между специалистами возникли очень интересные споры, а
именно по поводу элемента с порядковым номером 93. Такого элемента вообще не
должно было существовать на Земле. Уран, после того как он был помещен
Менделеевым в периодическую систему, был признан самым последним из 92-х
элементов. Так полагали все.
Однако некоторые ученые не могли расстаться с мыслью, что число
элементов, возможно, превышает 92. Когда-то, в 1922 году, Нильс Бор
размышлял о возможности существования благородного газа с порядковым номером
118 -- как это вытекало из его теории спектров и строения атома. Многим
специалистам такие представления казались пустым теоретизированием.
В апреле 1934 года Ида Ноддак большим сообщением "Периодическая система
элементов и ее пустые клетки" пробудила новый интерес к этой проблеме. В
докладе, который был опубликован в журнале "Ангевандте хеми" 19 мая 1934
года, она ставила провокационный вопрос: почему периодическая система вдруг
обрывается после урана? В составленной ею таблице она демонстративно
оставляла незанятые места от 93 до 96 для элементов, которые еще предстояло
открыть. Такой шаг она обосновывала весьма оптимистично: "Нам кажется
возможным, что элементы, следующие за ураном, так называемые трансураны, с
возрастанием порядкового номера становятся все менее жизнеспособными, а
потому все более редкими. Однако стоящие за ураном четные элементы 94 и 96
могли бы быть получены сегодняшними средствами...; следует ожидать, что как
раз в этом месте системы появятся некоторые неожиданности".
Действительно, такие неожиданности не заставили себя долго ждать. Уже в
начале 1934 года Ирэн Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим супругом.
Фредериком Жолио, сделала открытие, поразившее специалистов. Им удалось
обнаружить "новый тип радиоактивности". Так называлось их сообщение в
"Отчетах Парижской академии наук" от 15 января. Что же крылось за этим
заголовком?
Оба исследователя бомбардировали алюминиевую фольгу альфа-частицами;
при этом обнаружилась отчетливая радиоактивность алюминия, которая
сохранялась также после удаления источника излучения. Такой эффект никто
никогда не наблюдал. Отдельные атомы алюминия после воздействия альфа-частиц
превратились в радиоактивный фосфор (Р*). Этим новым методом можно было
искусственно вызвать радиоактивность. То, что Стефания Марацинеану ошибочно
искала на свинцовых крышах, стало фактом: для легких элементов -- пока
только для них -- можно искусственно индуцировать радиоактивность:
[27]Al + [4]He = [30]P + n
Радиоактивный фосфор распадается до устойчивого изотопа кремния с
выделением позитрона:
[30]P = [30]Si + e[+]
Исследователям атома, этим "алхимикам XX века", вновь удалось
осуществить поразительное превращение элементов. Искусственным путем
принудить вещества к радиоактивному распаду -- это было, безусловно, новым
большим шагом на пути к гигантским запасам энергии атомного ядра.
Энрико Ферми из Физического института Римского университета, новая
звезда в международном семействе исследователей атома, заинтересовался
открытием искусственной радиоактивности и начал систематически обстреливать
нейтронами один элемент за другим. Молодой физик надеялся, что таким путем,
а не только с помощью альфа-частиц ему удастся вызвать искусственную
радиоактивность.
Ферми и его коллеги д'Агостино, Сегре, Амальди и Розетти подошли к этим
опытам строго методически. Они начали с элемента 1, водорода, и подвергли
его воздействию потока нейтронов. После того как был убран источник
нейтронов -- запаянная трубка с эманацией радия и порошком бериллия, ученые
испытали облученный элемент на радиоактивность. Для этого был использован
счетчик их собственной конструкции, работавший по принципу счетчика Гейгера
-- Мюллера, известного с 1928 года. Ферми вбил себе в голову испытать все
элементы периодической системы вплоть до урана. Откуда же взять нужные
вещества? Физикам потребовалось некоторое время для того, чтобы обыскать
запылившиеся полки институтов, химических магазинов и аптек и найти все, что
им требовалось.
Многие сотрудники Римского университета находили поведение молодых
физиков очень забавным: Ферми и его друзья по окончании облучения мчались,
как одержимые, по длинным коридорам института, чтобы испытать свои препараты
в помещении, не зараженном радиоактивностью. Ведь могло так случиться, что
образовался короткоживущий радиоактивный элемент с периодом полураспада в
несколько секунд. Потом обычно можно было видеть, как они медленно
возвращались с разочарованными лицами. Для первых восьми элементов физики не
смогли обнаружить никакой искусственной радиоактивности. Однако на девятом
элементе, фторе, счетчик вдруг защелкал. Вскоре итальянцы установили, что
облучение нейтронами активизирует многие элементы. Чаще всего последние
излучали бета-лучи и превращались при этом в атомы следующего элемента.
Ферми открыл "радиоактивность, индуцированную бомбардировкой нейтронами".
Так назвал он статью, написанную 10 апреля и опубликованную в мае 1934 года
в журнале "Нейчур",
Спор вокруг девяносто третьего элемента
Интересных результатов Энрико Ферми ожидал для последнего элемента
периодической системы. Уран является самым тяжелым элементом, встречающимся
на Земле. Ядро этого атома состоит из 92 протонов и 146 нейтронов.
Относительная атомная масса в результате составляет 238, точнее, для изотопа
[238]U. Уже тогда предполагали, что уран состоит не только из
этого изотопа. Например, гипотетический актиноуран должен был быть легче.
Однако с помощью масс-спектрографа Астона в то время не удавалось найти
другие изотопы урана, кроме [238]U.
Вопрос об актиноуране был разрешен однозначно только тогда, когда
американский физик Артур Демпстер из Чикагского университета в декабре 1934
года использовал новый источник ионов для масс-спектрографа повышенной
разрешающей способности. В 1935 году Демпстер внес ясность в вопрос об
изотопном составе урана: кроме известной четкой линии, для [238]U
он нашел еще слабую линию для [235]U -- искомого актиноурана.
Сегодня мы знаем, что природный уран на 99,27 % состоит из
[238]U, на 0,72 % -- из [235]U и на 0,005 % -- из
[234]U.
Когда в Физическом институте Римского университета в середине 1934 года
молодой Ферми начал бомбардировать уран нейтронами, он, конечно, исходил
только из существования [238]U. Если бы, как полагал Ферми,
удалось внедрить в ядро еще один нейтрон, то по уравнению
[238]U + n = [239]U
образовался бы радиоактивный изотоп с массовым числом 239 и -- в случае
его дальнейшего бета-распада -- элемент с зарядом ядра 93:
[239]U = [239]X + e-
Такого вещества на Земле еще не было! Перспектива открытия этого
элемента воодушевляла. Она означала проникновение в неизвестную область
материи, до тех пор полностью сокрытую от человеческих представлений.
Сходное чувство должно было в прежние времена охватывать кругосветных
мореплавателей, когда они пускались в экспедиции для открытия новых стран и
континентов и обнаружения их богатств.
Воодушевлению итальянцев не было границ, когда с первым же опытом
пришла удача: облученный уран оказался сильно радиоактивным и, как
предполагалось, испускал бета-лучи. Исследования показали, что продукты
радиоактивного распада не идентичны с соседними элементами урана. Такое
обнаружение можно было провести очень изящно. При химическом анализе
требовалось только добавить соединение предполагаемого элемента, скажем,
соли тория. После обычной химической переработки и разделения активность
неизвестного продукта превращения либо обнаруживалась снова в ториевой
фракции -- и тогда это был изотоп тория,-- либо ее не было. В последнем
случае разъяснения могли дать дальнейшие химические опыты с добавлением
других элементов или их соединений. Такие химические идентификации часто и с
большой точностью проводили в то время Отто Хан, Лиза Мейтнер и Фриц
Штрасман.
При повторении своих опытов Ферми не нашел никаких указаний на то, что
из урана, облученного нейтронами, образовались какие-либо изотопы известных
соседних элементов, такие, как протактиний, торий, актиний, радий. Исходя из
этого, новый вид радиоактивных атомов должен был принадлежать элементам,
находящимся по другую сторону урана -- трансуранам! По мнению Ферми,
особенно правомерным было приписать образовавшийся радиоактивный осадок с
периодом полураспада 13 мин новому, 93-му, элементу. Несмотря на это, Ферми
дал очень осторожное название своему отчету, опубликованному в журнале
"Нейчур" 16 июня 1934 года: "Возможное получение элементов с атомным
номером, превышающим 92". Поэтому, когда итальянская печать начала во все
горло кричать о доказанном получении 93-го элемента и громогласно причислила
эти успехи к "победам фашистов в области культуры", это не могло не задеть
Ферми и его коллег.
Итальянские физики открыли в своих работах поразительный эффект:
радиоактивность, индуцированная нейтронами, вдруг усиливалась во много раз,
если нейтроны предварительно пропускали через слой парафина. Парафин
является смесью углеводородов. На своем пути через кусок парафина нейтроны
встречали большое число атомов водорода той же массы. В результате
столкновений нейтроны передавали атомам водорода часть энергии, отклонялись
от прямолинейного пути и приобретали зигзагообразную траекторию. Передавая
часть энергии, они тормозились. Таким образом, нейтроны покидали парафин со
значительно меньшими скоростями, чем входили него. Такие замедленные, или
тепловые, нейтроны вызывают превращения атомов с гораздо большей
вероятностью, чем быстрые, которые часто проскакивают мимо цели.
Ферми размышлял далее... С помощью этого метода можно будет в ближайшем
будущем искусственно получать новые радиоактивные элементы. Быть может, даже
в таких количествах, что они смогли бы заменить естественные радиоактивные
вещества, которые все больше дорожают. Открытие приобретало коммерческое
направление, что заставило Ферми и его сотрудников 26 октября 1934 года
подать заявку на патент по искусственному изготовлению радиоактивных веществ
из других элементов путем бомбардировки замедленными нейтронами. Что же, еще
один алхимический патент? Едва ли. Мысль о том, чтобы получать когда-либо
атомную энергию при помощи таких искусственных превращений элементов, не
приходила тогда Ферми. И все же сделанное открытие означало существенный шаг
в этом направлении.
Вокруг открытия 93-го элемента грозил опять возникнуть спор о
приоритете. Ибо в июле 1934 года чешский инженер Коблик сообщил что он
выделил этот элемент из урановой смолки Иоахимсталя и уже определил его
относительную атомную массу: 240. В честь своей родины Кублик назвал его
богемий. Это известие было распространено газетами по всему свету.
Открытие элемента 93, заявленное с двух сторон, было, конечно,
сенсацией. Однако Ида Ноддак не разделяла всеобщего воодушевления. Это было
ясно хотя бы из ее доклада "О современных методах предсказания химических
элементов", который она сделала 14 сентября 1934 года в Ленинграде по случаю
столетия Д. И. Менделеева. Вместе с другими выдающимися учеными, среди
которых был Отто Хан, она приехала на Международный Менделеевский съезд по
приглашению Академии наук СССР.
С небольшими изменениями доклад Иды Ноддак привел журнал "Ангевандте
хеми" 15 сентября 1934 года под заголовком: "О 93-м элементе". Госпожа
Ноддак сохранила критическую точку зрения на такие "открытия". Она сообщила,
что богемий является не чем иным, как смесью соединений ванадия и вольфрама.
Не может быть и речи о новом элементе. К тому же в августе 1934 года
"Хемикер цейтунг" поместила заявление: "Инженер Одолен Коблик, председатель
правления государственной урановой и радиевой фабрики в Иоахимстале,
Чехословакия, подавший заявку на открытие нового элемента, богемия, сообщает
нам, что он оказался жертвой ошибки. При повторном испытании обнаружено, что
исследованные препараты содержали значительные количества вольфрама,
своеобразное поведение которого при анализе наводило на мысль о
существовании нового элемента. Как ни досаден этот факт, следует учесть
чистосердечность, с которой инж. Коблик сообщает всем о своей нелепой
ошибке".
Воинствующая ученая оказалась права. Доказательства Ферми также не были
убедительными; по мнению Иды Ноддак, было бы ошибочным делать заключение о
существовании элемента 93 только на том основании, что не были обнаружены в
качестве возможных продуктов элементы, соседние с ураном. Конечно, в уже
известных ядерных превращениях всякий раз возникали изотопы либо того же,
либо соседнего элемента. Однако это не всегда может быть так. Можно с тем же
успехом принять,-- делала Ноддак логичный вывод,-- что при таких, ранее не
известных, разрушениях ядра -- с помощью нейтронов -- могут в значительной
мере происходить другие ядерные реакции, не те, которые... наблюдались до
сих пор. Думается, что при обстреле тяжелых ядер нейтронами эти ядра
развалятся на несколько больших частей, которые как раз могут быть изотопами
известных элементов, но не соседних с облученными".
Рассуждения Иды Ноддак должны были бы, как искра в стоге сена,
перенестись к физикам-атомщикам. Однако "ученые мужи" остались равнодушными.
"То, что не может быть, физически не должно быть", и никто не давал на это
своего благословения, как и на смелое предположение Иды Ноддак, высказанное
в 1934 году, согласно которому ядро урана могло самым настоящим образом
распасться. Спрошенный позднее Отто Хан довольно мрачно заявил, что он в то
время даже не рисковал цитировать гипотезу Ноддак, казавшуюся абсурдной, ибо
опасался за свою репутацию ученого.
Открытия элементов идут полным ходом
Бывший сотрудник Отто Хана, радиохимик А. фон Гроссе, считал, что
трансураны Ферми вовсе не новые элементы, а на самом деле изотопы 91-го
элемента -- протактиния. Тут заговорило честолюбие первооткрывателей
протактиния. Отто Хан и Лиза Мейтнер хотели сами установить, кто же прав --
Ферми или Гроссе.
То не был протактиний. Исследователям из Берлин-Далема не составило
труда установить это. Если Хан и Мейтнер думали тем самым прояснить проблему
трансуранов, то они, безусловно, ошибались. Результаты экспериментов были на
редкость запутанными. Вещество, с трудом выделенное после облучения урана
нейтронами, подвергавшееся многократному отделению, оказалось сложным,
состоящим из нескольких радиоактивных изотопов. Это необычайно затруднило
необходимую идентификацию новых трансуранов: ведь не только уран, но и торий
под действием нейтронов может превращаться по нескольким направлениям.
Из первой работы "к проблеме урана" от декабря 1934 года постепенно
вырастали все новые. К концу 1938 года, после четырехлетнего исследования,
14 публикаций свидетельствовали о работоспособности Хана, Мейтнер и
Штрасмана. "Почти трагический результат",-- так позднее оценил их Отто Хан.
К известным рядам естественной радиоактивности прибавились
гипотетические ряды превращений урана, облученного нейтронами. Их
приходилось постоянно изменять. Оказалось необычайно сложным
систематизировать эти схемы распада, чтобы объяснить возникновение элементов
93, 94, 95, 96, 97, называемых также экарением, экаосмием, экаиридием,
экаплатиной, эказолотом. В том, что им удалось обнаружить трансураны от 93
до 97, у немецких ученых, судя по их публикациям и докладам, никаких
сомнений не было. О работах Отто Хана по изучению "природных и искусственных
радиоактивных элементов последнего ряда периодической системы" сообщил 10
декабря 1935 года "Генераль анцейгер" во Франкфурте-на-Майне под заголовком
"Новые элементы ... полученные искусственно!":
"...Как установил проф. Хан, искусственно получены по крайней мере три
различных тяжелых элемента такого рода (трансурана) Самый устойчивый имеет
период полураспада, равный трем дням. Новые элементы образуются, конечно,
лишь в исключительно малых количествах. До сих пор никто не видел их своими
глазами..."
Никто их не видел, и все же они должны существовать -- элементы тяжелее
урана?
Уже в марте 1936 года Отто Хан смог доложить о новом продукте
превращения, который еще не выделил Ферми: изотопе урана [239]U.
Для исследователя атома и его сотрудников не было ни малейшего сомнения в
том, что этот бета-излучатель с периодом полураспада 23 мин должен
превратиться в элемент 93 -- экарений. Своими сравнительно слабыми
средствами берлинские ученые не смогли, к сожалению, обнаружить продукт
превращения. Помимо того, они не придали должного значения своему открытию,
поскольку были убеждены, что ранее уже нашли элемент 93 и его
идентифицировали.
В середине 1937 года в работы по урану включились Ирэн Жолио-Кюри и ее
сотрудник Поль Савич. Однако, как бы абсурдно это ни звучало, парижские
исследователи внесли, прежде всего, еще больше путаницы; они выделили новый
радиоактивный элемент с периодом полураспада 3,5 ч и объявили в своей первой
публикации в августе 1937 года, что это -- изотоп тория. Позднее они
сообщили, что это не изотоп тория, ибо его можно химическим путем отделить
от последнего. Вероятно, это -- изотоп актиния (элемент 89), если вообще не
новый трансуран с неожиданными свойствами. В марте 1938 года Кюри и Савич
сообщили, что после тщательного фракционирования подозрение на актиний
отпало. Как ни странно, вещество с периодом полураспада 3,5 ч обладало
скорее свойствами лантана (элемента 57). Через несколько месяцев они
спохватились вновь: это не может быть лантан, все же это трансуран.
В институте Отто Хана немало смеялись над стилем работы французских
коллег. Элемент с периодом полураспада 3,5 ч полушутливо, полуядовито
называли курьезум (Curiosum); напрашивалось сопоставление с Кюри (Curie).
Однако в Берлин-Далеме должны были тайно сознаться, что они тоже ничего не
сделали для идентификации нового продукта превращения.
18 ноября 1938 года в журнале "Натурвиссеншафтен" появилась еще одна
работа из института Общества кайзера Вильгельма в Берлин-Далеме. Авторами
были только Хан и Штрасман. Лиза Мейтнер вынуждена была покинуть фашистскую
Германию из-за обострившегося расового террора. Хан и Штрасман после
повторного фракционирования "курьезного" вещества с периодом полураспада 3,5
ч пришли к удивительному заключению: в нем находились три "изотопа радия",
осаждаемых солями бария.
Радий образуется из урана. Это известно со времени установления ряда
радиоактивного распада. Однако этот процесс протекает в течение миллионов
лет. Если то, что нашли Хан и Штрасман, было правильным, то от урана
(порядковый номер 92) должны были бы формально отщепиться две альфа-частицы,
чтобы образовался радий (порядковый номер 88). Хан посоветовался с Нильсом
Бором по поводу этого нового превращения ядра, вызванного нейтронами;
теоретик не смог сказать ничего, лишь покачал головой: такого быть не может!
В декабре 1938 года химики Хан и Штрасман работали без устали, чтобы
доказать физикам-атомщикам, что при облучении урана нейтронами действительно
образуется радий. Однако затем ими овладели сомнения. "С этими "изотопами
радия" творится что-то удивительное, о чем мы можем сообщить прежде всего
только тебе,-- писал Отто Хан 19 декабря 1938 года в поисках совета Лизе
Мейтнер, которая нашла убежище в Стокгольме.-- Периоды полураспада трех
изотопов установлены довольно точно; их можно отделить от всех элементов,
кроме бария... Фракционирование ничего не дает. Наши изотопы радия ведут
себя, как барий...". После многочисленных индикаторных опытов у Хана и
Штрасмана все больше крепла уверенность: это был барий! Из атома урана с
зарядом ядра 92 образовался атом бария с зарядом ядра 56. Ядро атома урана
раскололось на две половины с почти одинаковой массой. Совершенно новое
явление радиоактивного распада, которое грозило поставить с ног на голову
основы ядерной физики! "Мы не можем умолчать о наших данных, даже если они,
быть может, и абсурдны физически",-- высказался Отто Хан в следующем письме
к своей бывшей сотруднице, написанном 21 декабря 1938 года.
Оба радиохимика спешно подготовили текст статьи. Они отправили статью
22 декабря, а журнал "Натурвиссеншафтен" опубликовал ее в первом выпуске
нового года, 6 января 1939 года: "Об обнаружении и поведении
щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана нейтронами". В
этой исторической работе Отто Хан и Фриц Штрасман описывают, как им удалось
химически обнаружить раскол тяжелого ядра урана, позднее названный делением
ядра. Лиза Мейтнер получила по почте оттиск статьи.
Все неверно!
В тот момент, когда Хан и Штрасман обнаружили, что атом урана после
бомбардировки нейтронами взрывается на куски (со средней массой ядер), им
пришла в голову мысль: деление урана могло означать смертный приговор для
всех "открытых" ранее элементов -- от 93- до 97-го. Следовало ли все еще
верить в эти "трансураны"? Не лучше ли было считать, что в тех случаях речь
тоже шла об осколках урана, об элементах с более низкими порядковыми
номерами?
Ида Ноддак, которая теоретически признала возможность деления урана еще
в 1934 году, нанесла этим "трансуранам" смертельный удар. В марте 1939 года
в сообщении в "Натурвиссеншафтен" она с удовольствием перечисляла огрехи
обоих радиохимиков. Она цитировала последнюю работу Хана и Штрасмана от
ноября 1938 года, в которой авторы доложили об "открытии" не более не менее
как семи трансуранов. И все это было совершенно неверным. Почему не учли
указание Иды Ноддак, сделанное в 1934 году, которое открыватели деления
урана даже не осмеливаются цитировать?
Что касается существования "трансуранов", то Хан и Штрасман были
фактически вынуждены, шаг за шагом, отказаться от своих прежних
высказываний. Это началось в июне 1939 года с "окончательного вычеркивания"
экаплатины (96-й элемент), которая оказалась изотопом иода, и экаиридия
(95-й элемент), состоявшего в действительности из смеси изотопов теллура и
молибдена. Однако эти поправки были сделаны самими исследователями, а не по
указанию других. В этом отношении поведение Хана и Штрасмана заслуживает
всяческого уважения; они всегда публиковали свои опытные данные, тем самым
вынося их на суд других ученых.
Столь искусно возведенное здание трансуранов обрушилось очень быстро.
Элементы 93--97, в свое время столь "точно обнаруженные", оказались
фактически не чем иным, как обломками, образовавшимися при делении урана,
элементами со средней атомной массой. Ученые других стран -- Франции, США,
Советского Союза, Австрии -- конечно, также занимались идентификацией
многочисленных продуктов деления урана. Разочарование в Париже было очень
большим, когда обнаружили, что "курьезное" вещество Ирэн Кюри с 3,5-часовым
периодом полураспада, столь похожее на лантан, состоит, по существу, из
изотопа лантана с массовым числом 141.
В более поздние годы Отто Хан неустанно рассказывал историю поисков
псевдоэлементов 93--97, которая привела к открытию деления ядра, как
поучительный пример научных заблуждений. При этом он не боялся самокритики;
свои воспоминания он назвал: "Ложные трансураны. К истории одной научной
ошибки".
Искусственные элементы
При обстреле урана тепловыми нейтронами из него образуются более легкие
элементы с порядковыми номерами 35--65: это заставляло надеяться, что среди
обломков будут найдены также изотопы элементов 43 и 61. Если вспомнить
состояние вопроса получения элементов 43, 61, а также 85 и 87 в 1930 году,
то можно было уловить заметный прогресс. Прежде всего, подтвердилось
подозрение, что элементы 43 и 61 являются нестойкими веществами, которые
"вымерли". Что касается элементов 85 и 87, то уже довольно давно их признали
распавшимися радиоактивными веществами.
В 1934 году физик Иозеф Маттаух нашел эмпирическое правило, которое
позволяет оценить устойчивость ядер изотопов. Согласно правилу Маттауха не
может существовать второго устойчивого изотопа, если заряд его ядра
отличается только на единицу от заряда ядра известного устойчивого изотопа с
тем же массовым числом. Эта закономерность дополняет правило Харкинса, по
которому элементы с нечетным порядковым номером (то есть нечетным числом
протонов и электронов) распространены на Земле существенно реже, поскольку
мала устойчивость их ядер.
По отношению к элементам 43 и 61 правило Маттауха можно изложить
следующим образом. Исходя из их положения в периодической системе, массовое
число элемента 43 должно быть около 98, а для элемента 61 -- около 147.
Однако уже были известны устойчивые изотопы для элементов 42 и 44, а также
для элементов 60 и 62 с массами от 94 до 102 и соответственно от 142 до 150.
Поскольку второй устойчивый изотоп с тем же массовым числом не может
существовать, то элементы 43 и 61 должны иметь только нестабильных
представителей. Несомненно, что когда-то элементы 43 и 61 были на Земле в
достаточном количестве. Когда возникла наша Солнечная система, то путем
сочетания протонов и нейтронов образовались все элементы. Однако за время
существования Земли -- 4,6 миллиардов лет -- их неустойчивые представители
постепенно совсем исчезли. Исключение составляют только те радиоактивные
элементы, которые могли постоянно пополняться в пределах естественного
радиоактивного ряда, ибо их исходные вещества -- уран или торий -- еще
существуют на Земле, благодаря своим периодам полураспада, насчитывающим
миллиарды лет. Элементы 43 и 61 к этим естественным радиоактивным рядам не
относятся. Лишь в том случае, если имеется долгоживущий изотоп этих
элементов, можно было бы надеяться обнаружить его радиохимические следы.
В то время как некоторые ученые все еще занимались ложными
трансуранами, другим исследователям удалось найти вожделенные элементы 43 и
87. Вот история их открытия... В 1936 году Эмилио Сегрэ после женитьбы
покинул Ферми и его коллег и уехал в Палермо, прежнюю столицу Сицилии. В
тамошнем университете ему предложили кафедру физики. В Палермо, к своему
большому сожалению, Сегрэ не смог продолжать изыскания, начатые с Ферми. В
университете не было никакого оборудования для радиоактивных исследований.
Быстро приняв решение, итальянский ученый поехал в Америку, чтобы
ознакомиться с Калифорнийским университетом в Беркли, который славился самым
лучшим оборудованием. В то время там находился единственный в мире
циклотрон. "Те источники радиоактивности, которые я увидел, были поистине
поразительными для человека, работавшего до этого только с
Ra-Ве-источниками",-- вспоминал физик.
Особенно заинтересовался Сегрэ отклоняющей пластиной циклотрона. Она
должна была направить поток ускоренных частиц в требуемом направлении. За
счет столкновений с частицами высокой энергии -- ускорялись дейтроны -- эта
пластина очень сильно разогревалась. Поэтому ее пришлось изготовить из
тугоплавкого металла -- молибдена. На этот металлический молибден,
бомбардируемый дейтронами, и обратил свое внимание гость из Италии. Сегрэ
предположил, что из молибдена, 42-го элемента, в результате обстрела
дейтронами могли, быть может, образоваться изотопы все еще неизвестного
элемента 43. Возможно, по уравнению:
[96]Мо + D = [97]Х + n
Природный молибден является смесью шести устойчивых изотопов. Сегрэ
предположил: а вдруг один из шести возможных радиоактивных изотопов элемента
43, в которые теоретически мог бы превратиться молибден,-- хотя бы один --
оказался настолько долгоживущим, чтобы выдержать морское путешествие в
Сицилию. Ибо итальянский физик намеревался заниматься поисками элемента 43
только в институте на родине.
Исследователь пустился в обратный путь, имея в кармане кусок
молибденовой пластины от циклотрона в Беркли. В конце января 1937 года он
начал исследования при поддержке минералога и химика-аналитика Перрье. Оба,
действительно, нашли радиоактивные атомы, которые по химическим свойствам
можно было поместить между марганцем и рением. Количества экамарганца,
которые вновь искусственно возродились на Земле благодаря исследовательскому
гению человека, были невообразимо малы: от 10-10 до 10-12 г 43-го элемента!
Когда в июле 1937 года Сегрэ и Перрье доложили о синтезе первого
искусственного элемента, давно вымершего на Земле -- это был день, вошедший
в историю. Для элемента 43 позднее нашли очень точное наименование:
технеций, происходящее от греческого technetos -- искусственный. Можно ли
будет когда-либо получить его в весомых количествах и подержать в руках?
Вскоре удалось ответить на этот вопрос положительно, когда обнаружилось, что
при делении урана возникают изотопы 43 с относительно высоким выходом.
Особое внимание привлек изотоп с массовым числом 101 и периодом полураспада
14 мин. Предполагали, что вещество Ферми с периодом полураспада 13 мин,
мнимый элемент 93, должен был быть изотопом элемента 43.
Естественные радиоактивные ряды имеют окончательный вид -- в этом никто
больше не отваживался сомневаться, в особенности после
масс-спектрографической идентификации урана-235 Демпстером. Однако имелось
слабое место в ряду уран -- актиний. Прошло более двадцати лет с тех пор,
как в этом ряду отметили "неточность", которая была почти что предана
забвению. Еще в 1913/1914 годах на это несовпадение наткнулись английский
химик Крэнстон и австрийские исследователи радиоактивности Майер, Хесс и
Панет при изучении актиния. В качестве бета-излучателя актиний, как
известно, превращается в радиоактиний, то есть в изотоп тория. Когда ученые
изучали процесс превращения, они всегда наблюдали слабое альфа-излучение.
Эту остаточную активность (примерно 1 %) обнаруживал и Отто Хан в опытах по
получению чистого актиния. "Я не мог решиться на то, чтобы придать значение
этой небольшой величине",-- сообщил Хан позднее. Он считал, что это, скорее
всего, примесь.
Прошло много лет. Французская ученая Маргарита Перей, сотрудница
знаменитого Радиевого института в Париже, снова пошла по этому следу, очень
тщательно очистила фракции актиния и в сентябре 1939 года смогла доложить об
удачном выделении нового радиоактивного изотопа. Это был столь долго
отсутствовавший элемент 87, тот альфа-излучающий побочный продукт, который
дает остаточную однопроцентную активность актиния. Мадам Перей нашла
разветвление в уже заполненном ряду, ибо изотоп элемента 87 точно так же
превращается в актиний X, как и известный радиоактиний. По предложению Перей
элемент 87 назвали францием в честь ее родины.
Правда, химики и по сей день не достигли больших успехов в изучении
элемента 87. Ведь все изотопы Франция -- короткоживущие и распадаются в
течение миллисекунд, секунд или минут. По этой причине элемент поныне
остался "неинтересным" для многих химических исследований и практического
использования. При необходимости его получают искусственно. Конечно, франций
можно "получать" и из естественных источников, но это -- сомнительное
предприятие: 1 г природного урана содержит только 10[-18] г
франция!
Когда периодическая система была открыта, недоставало 23-х элементов,
теперь -- только двух: 61- и 85-го. Как шла дальше охота за элементами?
Летом 1938 года Эмилио Сегрэ вновь поехал в Беркли. Он намеревался изучить
короткоживущие изотопы элемента 43. Безусловно, такие исследования надо было
предпринять на месте. Изотопы с малым периодом полураспада не "пережили" бы
путь в Италию. Едва прибыв в Беркли, Сегрэ узнал, что возвращение в
фашистскую Италию стало для него невозможным из-за расового террора. Сегрэ
остался в Беркли и продолжал там свои работы.
В Беркли с более мощным циклотроном можно было разогнать альфа-частицы
до высоких энергий. После преодоления так называемого порога кулоновского
взаимодействия эти альфа-частицы были в состоянии проникнуть даже в ядра
тяжелых атомов. Теперь Сегрэ увидел возможность превратить висмут, элемент
83, в неизвестный элемент 85. Совместно с американцами Корсоном и Маккензи
он бомбардировал ядра висмута альфа-частицами с энергией 29 МэВ, чтобы
провести следующий процесс:
[209]Bi + [4]He = [211]X + 2n
Реакция осуществилась. Когда исследователи закончили первую совместную
работу, 1 марта 1940 года, они лишь осторожно высказали мысль "о возможном
получении радиоактивного изотопа элемента 85". Вскоре после этого они были
уже уверены: искусственно получен элемент 85, до того как он был найден в
природе. Последнее посчастливилось сделать лишь несколько лет спустя
англичанке Лей-Смит и швейцарцу Миндеру из института в Берне. Им удалось
показать, что элемент 85 образуется в радиоактивном ряду тория в результате
побочного процесса. Для открытого элемента они выбрали название
англо-гельвеций, которое было раскритиковано как словесная несуразица.
Австрийская исследовательница Карлик и ее сотрудник Бернерт вскоре нашли
элемент 85 в других рядах естественной радиоактивности, тоже как побочный
продукт. Однако право дать наименование этому элементу, встречающемуся лишь
в следах, оставалось за Сегрэ и его сотрудниками: теперь его называют астат,
что в переводе с греческого означает непостоянный. Ведь самый устойчивый
изотоп этого элемента обладает периодом полураспада только 8,3 ч.
К этому времени профессор Сегрэ пытался также синтезировать элемент 61.
Между тем стало ясно, что оба соседа этого элемента по периодической
системе, неодим и самарий, слабо радиоактивны. Сначала это казалось
удивительным, так как в то время считали, что радиоактивность присуща
наиболее тяжелым элементам. Неодим, 60-й элемент, излучал бета-лучи,
следовательно, должен был превращаться в элемент 61. Тот факт, что этот
неизвестный химический элемент до сих пор не могли выделить, вероятно,
объяснялся его быстрым радиоактивным распадом. Что же делать? Здесь выход
заключался опять-таки в искусственном получении искомого элемента. Раз
элемент 61 нельзя было найти в природе, физики попытались его синтезировать.
В 1941/42 годах ученые Лоу, Пул, Квилл и Курбатов из Государственного
университета в Огайо бомбардировали редкоземельный элемент неодим
дейтронами, разогнанными в циклотроне. Они обнаружили радиоактивные изотопы
нового элемента, который назвали циклонием. Однако это был лишь след,
оставленный на фотопленке.
Каковы были успехи Эмилио Сегрэ? Он облучал альфа-лучами празеодим --
элемент 59. Однако переработка безусловно синтезированных им изотопов
элемента 61 оказалась слишком сложной. Выделение их из других редкоземельных
элементов не удалось.
Об одном безрезультатном исследовании пришло известие из Финляндии. Еще
в 1935 году химик Эреметсе начал анализировать концентраты смеси оксидов
самария и неодима на природное содержание в них 61-го элемента. Для этой
цели было переработано несколько тонн апатита.
Первый этап борьбы за 61-й элемент имел ничейный результат. Нельзя было
даже принять предложенное название "циклоний".
<<< ΛΛΛ >>>
Гофман Клаус. Можно ли сделать золото Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов 6 энергии
Гофман Клаус. Можно ли сделать золото Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов 5 элемент
Отважился назвать один из новых элементов в свою честь к примеру
В атомном реакторе на 1000 мвт ежегодно синтезируется от 200 до 250 кг плутония 239
|
|
