Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

поля зрения человеческого, поскольку ни химический, ни спектральный методы анализа не смогли бы обнаружить ничтожные концентрации этих элементов. Упомянутое обстоятельство — открытие нового физического явления, названного явлением радиоактивности. Некоторые вещества способны самопроизвольно и постоянно испускать излучение. Сначала выяснили, что данное свойство присуще не веществам вообще, даже не химическим соединениям, а конкретным химическим элементам — урану и торию, расположенным в самом конце периодической системы. В ходе исследований ученые заметили: иногда наблюдается гораздо более сильное излучение, чем то, которое присуще атомам тория и урана. Была высказана гипотеза, что за него ответственны еще неизвестные радиоактивные элементы. Она подтвердилась открытием полония и радия. И тем самым в практику вошел еще один метод исследования — радиометрический, который и привел к открытию естественных радиоактивных элементов. В данном случае опознавательным знаком послужило свойство радиоактивности. Радиометрический метод несравненно более чуткий, более чувствительный, чем другие методы обнаружения элементов.

К концу 20-х годов нашего столетия было, наконец, покончено с открытием элементов, существующих в природе. Но история открытия новых химических элементов на этом не завершилась. Однако само понятие «открытие» получило новое содержание. Оно подразумевало теперь ознакомление с элементами, которых нет на Земле, — с элементами, искусственно созданными человеком с помощью ядерных реакций. Это была задача огромной научной и технической трудности, которую решали ученые разных стран. Все искусственные, или синтезированные, элементы радиоактивны, поэтому радиометрический метод здесь сыграл и играет важнейшую роль. Здесь решающее слово сказали физики. Но и на долю химиков выпала исключительно сложная проблема. Многие синтезированные элементы даже в наши дни могут быть получены в количестве буквально считанных атомов. И чтобы изучить их свойства (добавим, что эти атомы, будучи сильно радиоактивными, иногда живут лишь доли секунды), химикам приходится проявлять чудеса изобретательства.

Вот какая картина раскрывается перед нами, если попытаться в самых общих чертах представить многовековой процесс открытия химических элементов, символы которых заполняют ныне клетки периодической системы Д. И. Менделеева. Рассмотрим же этот процесс детально. Внимательно познакомимся с историей героев нашего повествования — с каждым в отдельности.

Но прежде несколько слов нужно сказать о том, как построена эта книга. Она состоит из двух частей: в первой рассказывается об элементах, обнаруженных в природе, во второй — о синтезированных элементах. Понятно, что часть первая должна начинаться с изложения исторических сведений об элементах древности (глава первая); затем речь пойдет об элементах, открытых в средние века (глава вторая). По отношению, к элементам, фигурирующим в этих главах, сам термин «открытие» еще не может быть применен. Он приобрел современное звучание после того, как уточнилось понятие «химический элемент». Этому событию способствовало развитие пневматической химии и постепенное опровержение теории флогистона, в ходе чего были открыты кислород, азот и водород и осознана их элементарная природа (глава третья).

Значительное количество новых химических элементов было обнаружено во второй половине XVIII и первой половине XIX в. с помощью химико-аналитического метода (глава четвертая), причем в выделении некоторых щелочных и щелочноземельных металлов сыграл роль электрохимический метод (этому специально посвящена глава пятая). На стыке 50-х и 60-х годов прошлого столетия был разработан спектроскопический метод, благодаря которому удалось констатировать существование на Земле нескольких новых элементов (глава шестая).

Особый интерес представляет открытие редкоземельных элементов, благородных (или инертных) газов и, наконец, элементов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе периодической системы. Хотя эти открытия совершились посредством химико-аналитического и спектроскопического методов, история отмеченных совокупностей элементов во многом специфична и ее изложение заняло специальные главы (главы седьмая, восьмая и девятая). Не менее своеобразна и история последних стабильных элементов, обнаруженных на Земле, — гафния и рения (глава десятая). Завершается первая часть книги рассказом об истории открытия радиоактивных элементов (глава одиннадцатая), и тем самым читатель входит в мир радиоактивности, мир нестабильных элементов и изотопов, значительное количество которых было получено искусственно, путем ядерных реакций.

Этим синтезированным элементам посвящается вторая часть книги, состоящая из двух глав (двенадцатая и тринадцатая). В первой из них читатель познакомится с синтезом новых элементов в прежних границах периодической системы — от водорода до урана (технеций, прометий, астат и франций). Вторая глава рассказывает об истории открытия трансурановых элементов и перспективах ядерного синтеза.

В заключение книги приведены статистические данные по истории открытия элементов. Обсуждено содержание понятия «открытие химического элемента» и рассказано о тех ошибках, которые имели место в истории открытия элементов (раздел о ложных открытиях написан В. П. Мельниковым).

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ.

ЭЛЕМЕНТЫ ОБНАРУЖЕННЫЕ В ПРИРОДЕ

Большинство химических элементов, известных к настоящему времени, были обнаружены в природных объектах, будь то различные руды и минералы или земная атмосфера, и можно с уверенностью сказать, что в природе более нет новых элементов, которые когда-либо будут найдены. Сюда причисляются все стабильные элементы, а также те, которые относят к естественно-радиоактивным. Их можно назвать и так: «открытые посредством анализа». Они существуют независимо от человека, от его знаний и методов исследования. Они существовали и на самых ранних этапах эволюции солнечной системы, когда формировалась планета Земля.

История открытия этих элементов и составляет содержание первой части нашей книги.

Более 90% элементов, найденных в природе, являются стабильными, т. е. не проявляют свойства радиоактивности. Они занимают в периодической системе Д. И. Менделеева клетки с 1 по 83, начиная от водорода и кончая висмутом. В этом ряду есть два «пробела», отвечающих элементам с Z=43 (технеций) и 61 (прометий). Причудливые закономерности свойств атомных ядер приводят к тому, что все изотопы технеция и прометия радиоактивны, характеризуются сравнительно небольшой продолжительностью жизни, а потому и не сохранились в природных объектах до нашего времени, а распались, превратившись в соседние стабильные элементы.

Естественно-радиоактивных элементов на Земле значительно меньше. Их последовательность в таблице начинается с полония (Z=84) и кончается ураном (Z=92). Среди них только торий и уран имеют очень большие периоды полураспада, а потому сохранились на Земле со времени ее образования и содержатся в довольно заметных концентрациях. Вот почему уран и торий были открыты как новые химические элементы задолго до того, как ученым удалось наблюдать явление радиоактивности. Других же естественно-радиоактивных элементов (полония, радона, радия, актиния и протактиния) несравненно меньше.

ГЛАВА I.

ЭЛЕМЕНТЫ ДРЕВНОСТИ

Древность, разумеется, понятие растяжимое, и потому название, под которым мы объединяем несколько химических элементов, в значительной степени условно. Но им широко пользуются в истории. В этой главе речь пойдет об элементах (главным образом