Как были открыты химические элементы: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

На этом безотрадном фоне промелькнула, однако, удивительная гипотеза, которую сначала ученые рассматривали как безосновательную. И лишь четыре десятка лет спустя ей суждено было обрести совершенно новое звучание. Автором гипотезы был немецкий ученый Р. Свинне. В 1925 г. он занимался поисками трансурановых элементов. Своеобразен был объект его поисков — пыль космического происхождения, собранная на ледниках Гренландии. Образцы темного порошка подарил Стокгольмскому музею в 80-х годах прошлого века известный полярный путешественник Э. Норденшельд. Исследуя эти образцы, Р. Свинне рассчитывал обнаружить в них следы трансурановых элементов с порядковыми номерами 106–110 и в одной из своих публикаций даже упомянул о получении им рентгеновского спектра, содержащего линии, которые, по мнению ученого, должны были относиться к сто восьмому элементу. Но в это никто не поверил, да и сам Р. Свинне не стал продолжать эксперименты.

Будучи теоретиком, Р. Свинне изучал закономерности изменения различных характеристик у радиоэлементов, в частности периодов полураспада. При этом он сделал вывод о том, что элементы, располагавшиеся непосредственно за ураном, должны иметь короткую продолжительность жизни. Зато в интервалах порядковых номеров 98–102 и 108–110 можно было ожидать достаточно долгоживущие трансураны. Где их искать? Не в земных минералах, думал Р. Свинне, а в объектах космического происхождения. Поэтому его внимание привлекла пыль, собранная Э. Норденшельдом. Все это в высшей степени интересно, но не было обосновано, а поэтому казалось обреченным на забвение.

Здесь же мы подходим к тому моменту, когда со словами «трансурановый элемент» стали рядом ставить слово «синтез».

Как бы это ни казалось парадоксальным, но попытки синтеза новых элементов (и именно трансурановых) начались на несколько лет раньше, чем появился на свет технеций. Поводом к этому оказалось открытие нейтрона. Не имеющая заряда элементарная частица обладала в глазах ученых безмерной проникающей силой, способной вызвать самые различные превращения всевозможных элементов. И поэтому во всех лабораториях, где был под рукой источник нейтронов, ими стали обстреливать мишени из разных веществ, в том числе и из урана. Особенную активность здесь проявил итальянский физик Э. Ферми, возглавлявший в Римском университете группу молодых энтузиастов.

Облучив уран, коллеги пришли к выводу, что в нем возникает какая-то новая активность. Поскольку в их распоряжении был уран-238, то, поглотив нейтрон, он превращался в неизвестный еще изотоп урана с массовым числом 239. Имея избыток нейтронов, этот изотоп обнаруживал четкое стремление к β-распаду. Написав в левой части равенства ²³⁹U-β^– неизбежно приходим к выводу, что в правой части нужно записать ²³⁹93.

Примерно так (правда, не столь четко, ибо многие понятия ядерной физики в то время еще не устоялись) рассуждал Э. Ферми и его молодые соратники. Чтобы доказать синтез первого трансуранового элемента, требовалось вмешательство химии. Нужно было установить, что возбужденная нейтронами активность в уране не принадлежит какому-либо из предшествующих ему элементов. Насколько позволяли возможности радиохимии, это и удалось установить. Следовательно, в руках группы Э. Ферми находился новый элемент, притом трансурановый, да притом впервые открытый благодаря ядерному синтезу (все описываемые события происходили в 1934 г.). У Э. Ферми и его коллег, однако, полной уверенности не было. Между тем сообщения о синтезе нового элемента просочились в печать, и событие начало обрастать несуществующими подробностями. Например, говорили, что Э. Ферми преподнес итальянской королеве пробирку с раствором соли девяноста третьего элемента. И много подобных измышлений печаталось в те дни, когда группа Э. Ферми продолжала изучать результаты облучения урана нейтронами.

Теперь уже несколько β-активных веществ выделяли ученые из урановой мишени. Два из них отличались химическим своеобразием; они легче осаждались с оксидом марганца (IV) в отличие от предшествующих урану элементов. Так был сделан вывод, что элемент № 93 есть экарений, аналог марганца. Ему дали название «аузоний» (Ао). Будучи β-активным, он мог превращаться в следующий элемент с Z=94, гесперий (Hs). Вот как записал Э. Ферми эту цепочку ядерных процессов:

Цепочку эту потянули дальше немецкие ученые О. Ган, Л. Мейтнер и Ф. Штрассманн, которые имели большой опыт радиохимических исследований, в особенности О. Ган, в свое время прославившийся открытием нескольких радиоэлементов. Благодаря скрупулезным исследованиям число новых трансурановых элементов возросло на три (по элемент с порядковым номером 97 включительно):

Наличие приставки эка указывает на то, что ученые считали образующиеся трансурановые элементы аналогами соответственно иридия, платины и золота из шестого периода системы. Но здесь-то и коренилась глубокая ошибка, которая обнаружилась не сразу. Свойства ближайших трансурановых на самом деле оказались другими.

История науки полна удивительных догадок, на первых порах будто бы ни на чем не основанных. И. Ноддак еще в 1934 г. высказала одну из них: при обстреле урана нейтронами вовсе не образуются новые элементы, ядра урана как бы раскалываются на осколки — ядра элементов более легких и уже известных. Коллеги подняли И. Ноддак на смех, и особенно иронизировал по поводу ее гипотезы О. Ган. Однако ирония Гана обернулась иронией судьбы.

В это же время и другие ученые хотели выяснить, что же происходит с ураном под действием нейтронов. И. Жолио-Кюри и ее сотрудник сербский физик П. Савич с особой тщательностью изучали обстрелянную урановую мишень. И среди возбужденных активностей обнаружили следы химического элемента, по свойствам очень похожего на актиний, т. е. элемента, предшествующего урану, а отнюдь не следующего за ним в периодической системе Д. И. Менделеева. Вскоре оказалось, что у него больше общего с лантаном, нежели с актинием. Следовательно, один из продуктов обстрела урана медленными нейтронами похож на лантан.

Если бы И. Кюри и П. Савич не остановились на осторожном выражении «похож на лантан», а твердо доказали, что неизвестный элемент есть лантан, они стали бы авторами (или по крайней мере, соавторами) одного из самых выдающихся научных открытий XX в. (Здесь не мешает вспомнить, что порядковый номер лантана равен 57, а урана 92, и заодно вспомнить о предположении И. Ноддак.) Это казалось более чем невероятным. Но факты оставались фактами. Работы И. Кюри и П. Савича выглядели настолько убедительными, что О. Ган взялся их проверить, тот самый О. Ган, который был яростным противником результатов, полученных И. Кюри. Решение его означало, что он начал сомневаться в правильности занимаемых им позиций.

Вместе со своим сотрудником Ф. Штрассманном он воспроизвел опыты французских коллег, в которых они еще недавно видели своих научных противников. Почти все оказалось таким, как считала Ирэн Жолио-Кюри. В урановой мишени содержались изотопы и лантана, и предшествующего ему элемента — бария. Как химик, О. Ган не мог в этом сомневаться. Как физик, он не знал, как этот факт объяснить.

Дело состояло в том, что при действии нейтронов ядра урана как бы раскалываются на два осколка, и эти осколки представляют собой изотопы элементов середины периодической системы. Ядерная физика не знала ничего подобного. Но иного объяснения найти было нельзя. О. Ган и Ф. Штрассманн сделали вывод, что ядра урана обладают способностью разваливаться под действием нейтронов.

Это произошло 23 декабря 1938 г. Ученые немедленно написали о своем открытии. Потом О. Ган признавался: «После того как статья была отправлена по почте, все это снова показалось столь невероятным, что захотелось вернуть статью обратно из почтового ящика»[18].

Невероятное оказалось вероятным. Несколькими днями позже письмо об этом событии получила от О. Гана его многолетняя сотрудница Л. Мейтнер. Вместе со своим племянником, физиком О. Фришем она попробовала теоретически истолковать это явление.

Ядра до известной степени можно уподобить капле жидкости — ученые уже давно пытались проводить аналогию между свойствами ядра и свойствами жидкой капли. Если капле сообщить достаточную энергию, привести ее в движение, то она может разделиться на более мелкие капли. Если ядро придет в возбужденное состояние (его приводит в это состояние нейтрон), то оно также может разделиться на более мелкие части. Постепенно происходит деформация уранового ядра, оно удлиняется, образуются сужения, и, наконец, происходит деление на две половины. Так представляли процесс деления уранового ядра Л. Мейтнер и О. Фриш. В своей статье они писали, что поразительное сходство этой картины с процессом деления, которым размножаются бактерии, послужило поводом назвать это явление ядерным делением.

Ядро урана распадалось на два осколка. При этом выделялась огромная энергия. Но вместе с осколками из погибающего уранового ядра вылетало несколько свободных нейтронов. Они могли разрушать другие ядра урана. И так далее. При благоприятных условиях в куске урана могла возникнуть цепная реакция деления — колоссальной мощи ядерный взрыв. Уже в 1940 г. советские ученые Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон создали строгую теорию цепной реакции деления. Человек осуществил процесс, которого, казалось, не знала природа. Люди еще не обнаруживали в ней столь глубокого процесса превращения элементов. Изотопы 34 химических элементов — от цинка (порядковый номер 30) до гадолиния (порядковый номер 64) — были найдены среди осколков деления урана. Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Деление урана, вызываемое нейтронами, было искусственным, вынужденным. Не каждый атом урана мог делиться. И не каждый нейтрон обладал способностью это деление вызывать. Когда ученые детальнее разобрались в механизме деления, выяснилось, что оно гораздо интенсивнее проходит под действием медленных нейтронов, притом на изотопе урана с массовым числом 235. Другой урановый изотоп — уран-238 — реагировал только на быстрые нейтроны. Нет ли в природе процесса, аналогичного искусственному делению урана? Таким вопросом задался Н. Бор и, размышляя далее, высказал гипотезу о возможности самопроизвольного деления урана (без внесения в ядро энергии извне).

Советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак решили экспериментально подтвердить гипотезу. Но как установить, что ядра урана действительно могут делиться сами по себе? Ведь случайные нейтроны космических лучей, залетевшие в лабораторию, могли исказить картину опытов. Вот почему в осеннюю полночь 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак спустились в вестибюль станции Московского метро «Динамо». Здесь на глубине нескольких десятков метров под землей не нужно было опасаться влияния космического излучения. В эту полночь ученые окончательно убедились в существовании нового вида радиоактивных превращений — спонтанного деления ядер (пока речь шла лишь о ядрах изотопа урана-238). Потом удалось установить, что многие изотопы тяжелых элементов (тория и в особенности трансурановых) подвержены этому виду радиоактивного распада. В настоящее время известно около сотни самопроизвольно делящихся ядер, принадлежащих различным элементам. Механизм спонтанного деления аналогичен делению под действием нейтронов.

Теперь у нас с вами есть все необходимые сведения, чтобы приступить к рассказу об открытиях отдельных трансурановых элементов, ибо как раз в этой области порядковых номеров спонтанное деление играет весьма существенную роль.

Сорок лет насчитывает история трансурановых элементов, и за этот, по современным меркам, довольно продолжительный исторический период ученым удалось сделать пятнадцать шагов за уран: от элемента 93 до 107. Если построить график: на оси абсцисс отложить по порядку номера элементов от 1 до 92, а по оси ординат — годы, то полученная кривая будет напоминать сейсмограмму, характеризующую сильное землетрясение. Аналогичный график для трансурановых элементов — это сравнительно плавно поднимающаяся вверх линия, на которой четко выделяются отдельные пики. Хронологическая последовательность синтезов трансурановых элементов строго отвечала (за одним исключением) увеличению порядкового номера нового элемента каждый раз на единицу.

В истории синтезов можно видеть взлеты и падения. Первый взлет приходится на 1940–1945 гг., когда было открыто четыре синтезированных элемента: нептуний (Z=93), плутоний (Z=94), америций (Аm=95), кюрий (Cm = 96). Затем подъем кривой сменяется плавным участком (до 1949 г. новых синтезов не произошло). Далее можно наблюдать второй взлет — 1949–1952 гг. Еще четыре трансурановых элемента: берклий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99) и фермий (Z=100) — оставили свои символы в периодической системе. Третий, единичный взлет соответствует синтезу менделевия (Z=101) в 1955 г., когда история синтеза трансурановых элементов отметила пятнадцатилетний юбилей. В последующую четверть века синтезов было значительно меньше: верхняя граница периодической системы отодвинулась всего на шесть порядковых номеров. Здесь ученые вступили в совершенно новую область синтезов, поэтому прежние критерии, которыми оценивались открытия элементов, во многом оказались иными.

Все эти взлеты и падения отнюдь не обусловлены случайностями, все они результат обстоятельств, вполне закономерных. Они становятся понятными, если передвигаться по шкале синтезов трансурановых элементов от нептуния и далее.

НЕПТУНИЙ

Э. Ферми, конечно, никогда не преподносил итальянской королеве флакончик, содержащий соли первого трансуранового элемента. Это не более чем досужая выдумка журналистов. Но то, что Э. Ферми действительно держал в руках элемент № 93, правда, которая в то время не могла быть доказана. Урановая мишень в его опытах состояла из смеси изотопов — урана-238 и урана-235. Второй из них делился под действием медленных нейтронов, образовались осколки — элементы середины периодической системы. Они чрезвычайно запутывали химическую картину, в чем удалось разобраться только после открытия деления.

Но уран-238 поглощал нейтрон, превращаясь в уран-239, новый изотоп девяносто второго элемента. β-Активный ²³⁹U рождал изотоп первого трансуранового элемента с порядковым номером 93. Все было так, как и предполагали Э. Ферми с коллегами. Но следы будущего нептуния невозможно было различить на фоне множества осколков деления. Потому-то опыты середины 30-х годов закончились безрезультатно.

Открытие О. Гана и Ф. Штрассманна явилось решающим стимулом для действительного синтеза трансурановых элементов. Для начала нужно было найти надежный способ уловить атомы элемента № 93 в мешанине осколков деления. Сравнительно небольшие по массе, эти осколки в процессе бомбардировки урана должны были отлетать на большие расстояния (иметь бóльшую длину пробега), чем массивные атомы девяносто третьего.

[18] Цит. по кн.: Юнг Р. Ярче тысячи солнц. Пер. с англ. М., 1956.