Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

нашего времени, проблема существования элементов тяжелее урана стала волновать исследователей гораздо раньше. Не оставил ее без внимания и Д. И. Менделеев. Он полагал, что если заурановые элементы и отыщутся в земных недрах, то количество их будет ограничено. Так считал ученый в 1870 г. Более четверти века проблема не была решена. Каждый год появлялось по нескольку сообщений об открытии новых элементов, оказавшихся ложными, но ни в одном случае не было речи об обнаружении элемента с большей атомной массой, чем у урана. Что уран последний элемент периодической системы, казалось аксиомой. Почему только — никто не знал.

Но вот произошло открытие явления радиоактивности, обнаружилось, что это свойство присуще торию и урану, т. е. самым тяжелым представителям таблицы Д. И. Менделеева. И логика рассуждений, казалось бы, подсказывала: трансурановые элементы некогда в природе существовали, но в силу высокой неустойчивости давно распались, превратившись в другие, известные элементы. Простота объяснения скрывала подводный камень: ведь были совершенно неясными величины периодов полураспада хотя бы ближайших правых соседей урана. Никто не мог поручиться, что эти гипотетические элементы менее долгоживущи, нежели торий и уран. А следовательно, поиски трансуранов в природе были обоснованными.

Тянулись десятилетия, и редко в научной литературе появлялось сообщение о якобы успешном обнаружении первого трансуранового элемента. С развитием теоретической физики появились многочисленные объяснения обрыва системы на уране. Среди них оказалось много курьезных, но ни одно не было убедительным. Словом, в 20-х годах нынешнего столетия проблема трансуранов выглядела столь же неопределенной, как в последней четверти прошлого столетия.

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