Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

(ThX). Эти ученые пытались разрешить вопрос фундаментальной важности: что происходит с радиоактивным элементом в результате испускания им радиоактивного излучения? Остается его химическая природа неизменной или же меняется? Им удалось сделать ценное наблюдение: эманация тория порождалась не самим торием, а ThX. Иначе говоря, они выявили первую цепочку радиоактивных превращений:

Th→ThX→EmTh

И именно это событие послужило решающим шагом к формулировке теории радиоактивного распада.

По Э. Резерфорду и Ф. Содди, механизм радиоактивного распада заключается в том, что происходит превращение химических элементов, их естественная трансмутация. Особенно четко это удалось проследить на примере радия, который, испуская α-частицу, превращался в радон. Несколько позже выяснилось, что α-частица представляет собой дважды ионизированный атом гелия. В результате распада радия рождались два других элемента — радон и гелий:

Ra→Rn+He

Спустя короткое время это явление экспериментально подтвердили В. Рамзай и Ф. Содди.

Все известные радиоактивные элементы, рассуждали далее Э. Резерфорд и Ф. Содди, не являются совершенно изолированными, а генетически связаны друг с другом (последовательно превращаются один в другой). Они образуют как бы три радиоактивных семейства: урановое, ториевое и радиевое, названные так по имени исходного элемента — родоначальника семейства. Оставалось неясным многое: сколько радиоактивных веществ входит в семейство? Какими элементами заканчиваются эти семейства? И наконец, что же это за «материальное образование» — радиоактивный элемент, какова его истинная природа?

Последний вопрос не является надуманным, ибо начиная с первых лет XX в. число радиоактивных веществ стало стремительно возрастать и проблема их размещения в периодической системе сделалась чрезвычайно актуальной.

Как только не называли ученые новые вещества, обладающие свойствами радиоактивности: и радиоактивными телами, и активностями, и радиоактивными элементами. Было видно, что наука столкнулась с неведомыми раньше материальными образованиями. Существование большинства из них удавалось установить лишь по радиоактивным характеристикам: интенсивности излучения, типу распада, величине периода полураспада. В то же время ничего или почти ничего нельзя было сказать относительно их химической природы. Ведь прежняя классическая химия элементов была связана с весовыми количествами веществ, когда новый элемент (или его соединение) можно было выделить в материальной форме, изучить его реакции, наблюдать спектр. Для большинства открываемых радиоактивных элементов все это было недосягаемо. А потому резонным казался вопрос: да элементы ли они, в химическом понимании этого слова?

Мнения пионеров исследования радиоактивности здесь разделились. М. и П. Кюри и А. Дебьерн предполагали, что все новые радиоактивные вещества имеют элементарную природу и, следовательно, являются новыми химическими элементами. Обнаружение полония, радия и актиния, казалось бы, подкрепляло такую позицию, и названные ученые поначалу не склонны были менять свою точку зрения, даже когда радиоактивные вещества стали открывать во множестве. Но подобное упорство вело лишь к противоречиям.

Иных соображений придерживались Э. Резерфорд и Ф. Содди. Они считали, что радиоактивные вещества могут иметь различную природу. Опираясь на свои представления о радиоактивных семействах, они рассуждали так: существуют относительно устойчивые радиоактивные элементы — родоначальники рядов, т. е. уран, торий и радий. Их химическая природа известна, поэтому они могут быть причислены к обыкновенным элементам, отличаясь от последних лишь свойством радиоактивности. Элементы, замыкающие радиоактивные семейства, суть устойчивые, обычные элементы (уже появлялись смутные догадки, что завершать радиоактивные семейства должен свинец). Между этими двумя сортами атомов, рассуждали далее Э. Резерфорд и Ф. Содди, существуют промежуточные вещества, основная черта которых — неустойчивость, их нельзя охарактеризовать с точки зрения химии. Они не есть элементы в обычном понимании, они лишь своеобразные атомы — осколки. Для них было предложено название «метаболоны» (от греческих слов, означающих «превращающиеся тела»). А потому вопрос о размещении метаболонов в периодической системе не имел смысла.

Однако термин «метаболон» широкого использования не получил. Да и Ф. Содди вскоре решил считать метаболон такой же химической индивидуальностью, как и обычные радиоактивные элементы. На смену пришел другой термин «радиоэлемент», введенный в 1902 г. английским физиком Дж. Мартином. Этот термин (без объяснений) уже мелькал на страницах книги. Объяснение ему будет дано дальше. Здесь лишь четко подчеркнем, что ни в коем случае нельзя ставить знака равенства между понятиями «радиоактивный элемент» и «радиоэлемент», хотя в литературе иногда встречается путаница в использовании этих терминов.

По сути дела, вся история радиохимии первых двух десятилетий XX в. — это поиск новых радиоэлементов и выяснение их генетической связи с другими, уже открытыми. Все более четкие контуры приобретали радиоактивные семейства, и они становились своеобразными систематиками радиоэлементов, подобно тому как периодическая система была систематикой элементов стабильных. Бывшее радиевое семейство оказалось составным фрагментом уранового, зато сформировалось новое, актиниевое семейство, определить родоначальника которого долгое время не удавалось (вопрос фактически решился только в 1935 г.). Большинство радиоэлементов являлись короткоживущими продуктами, чьи периоды полураспада измерялись секундами и (в лучшем случае) минутами. Расшифровка их химической природы и установление места в радиоактивных семействах представляли собой труднейшую задачу: ни с чем, даже отдаленно подобным, химики раньше не встречались, даже при проведении утомительных и однообразных процессов разделения редкоземельных элементов. Чтобы рассказать об этом подробно, пришлось бы написать целую книгу. Поэтому мы вынуждены ограничиться лишь сводными хронологическими таблицами открытий радиоэлементов (см. табл. 1–3).

Таблица 1

Радиоактивное семейство урана-238

Название радиоэлемента Год открытия Авторы открытий Уран-I 1896[13] А. Беккерель Уран-X1 1900 В. Крукс Уран-Х2 1913 К. Фаянс, 0. Гёринг Уран-II 1911 Г. Гейгер, Дж. Наттол Ионий 1907 Б. Болтвуд Радий 1898 П. и М. Кюри, Ж. Бемон Эманация радия 1900 Е. Дорн Радий-А 1903 Э. Резерфорд, Г. Бэрнс 1904 П. Кюри, Ж. Данн Радий-В 1903 П. Кюри, Ж. Данн Радий-С 1903 П. Кюри, Ж. Данн Радий-С' 1909 О. Ган, Л. Мейтнер Радий-С'' 1912 К. Фаяцс Радий-D (радиосвинец) 1900 К. Гофман, Э. Штраус Радий-Е 1904