Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

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