Как были открыты химические элементы

ПРОТАКТИНИЙ

Менделеевский экатантал едва ли не единственный пример в истории радиоактивных элементов, когда их новый представитель в действительности был открыт раньше, чем об этом говорит официальная дата его обнаружения. Речь идет об элементе с порядковым номером 91, располагающемся между торием и ураном. Его долгоживущий изотоп имеет солидный период полураспада (34 300 лет) и, следовательно, должен накапливаться в урановых рудах, да к тому же он является α-излучателем. Если взять за основу общепринятую дату его обнаружения (1918), то резонно задать вопрос: почему же он был открыт столь поздно? Ответ на вопрос в свое время последует. Пока же обратимся к таблице 1 и схемам радиоактивных семейств (см. с. 159), а именно к схеме семейства урана-238.

Знаменитый UX В. Крукса, с открытия которого, собственно, все и началось, обозначен в таблице 1 как «уран-Х1». Эта единица внизу была поставлена гораздо позже, когда был открыт радиоэлемент, помеченный как «уран-Х2».

Так вот в феврале 1913 г. Ф. Содди высказал предположение, что между круксовским UХ и открытым в 1911 г. U-II в семействе урана должен располагаться неизвестный радиоэлемент. Его свойства, по словам Ф. Содди, должны были отвечать свойствам экатантала. Этот гипотетический радиоэлемент как бы просился в пятую группу периодической системы, где, по странной прихоти природы, еще не было ни одного радиоэлемента. Строго говоря, странного здесь ничего нет. Родоначальник семейства уран-238 (или U-I) и член этого семейства U-II суть изотопы урана, причем оба являются настоящими долгожителями по своим периодам полураспада на фоне прочих радиоэлементов. Оказалось нелегким делом разглядеть уран-II на фоне урана-I. И столь же непросто было заметить предшественника U-II — гипотетический экатантал UХ2.

Наблюдение это было сделано в середине марта 1913 г. К. Фаянсом и его молодым сотрудником О. Гёрингом. Они зафиксировали новый радиоэлемент — β-излучатель с периодом полураспада 1,17 мин и свойствами, соответствующими свойствам тантала. В октябре того же года ученые четко высказались, что UX2 является новым радиоактивным элементом между торием и ураном, и предложили назвать его бревием (от греческого слова, означающего «короткоживущий»).

Символ UX2 занял место в урановом радиоактивном семействе, а символ Bv отнюдь не разместился в клетке № 91 периодической системы, хотя подтверждения его открытия поступали из Германии и Англии, и его интенсивно изучали во многих лабораториях.

Во всяком случае, нет никакого противоречия в утверждении, что элемент № 91 был открыт в 1913 г. Даже становится немного обидно за экатантал. Почему его история начинается не этой датой?

Возможно, если бы не первая мировая война, бревию повезло бы больше. Но радиохимические исследования на несколько лет прекратились, обмен информацией резко снизился. Экатанталу предстояло быть открытым вторично.

Среди трех радиоактивных семейств самым непонятным долгое время представлялось актиниевое. Какой радиоэлемент является его родоначальником? Здесь не было ясности. Если главой семейства считать актиний, то его период полураспада должен был бы быть того же порядка, как у тория и урана. Это предположение казалось маловероятным, хотя живучесть актиния никак не поддавалась точной оценке. Но, во всяком случае, по сравнению с возрастом Земли она была ничтожной.

Поскольку актиний рассматривался как родоначальник семейства, то вопрос о предшествующих ему радиоэлементах терял смысл. Это обстоятельство повлияло на задержку открытия экатантала. Существовала и другая идея: актиниевое семейство не является самостоятельным. Оно как бы отпочковывается от уранового, словно ветвь от ствола дерева. Эту версию радиохимики стали разрабатывать еще в 1913–1914 гг., в то время, когда на свет уже появился бревий. Разумных выводов не последовало, актиний продолжал возглавлять свое семейство, хотя (теперь в этом мало, кто сомневался) не по праву.

Ключом к дальнейшему развитию событий оказался открытый еще в 1911 г. (русским радиохимиком Г. Н. Антоновым в лаборатории Э. Резерфорда) радиоэлемент UY, который является изотопом тория. В урановом семействе UX1 (тоже изотоп тория), испуская β-частицы, порождает бревий (UX2).

Французский ученый А. Пикар в 1917 г. предположил, что сходная картина должна иметь место в начале семейства, именуемого пока актиниевым. Он высказал мысль, надолго опередившую свое подтверждение, что родоначальником данного семейства служит третий, еще неизвестный изотоп урана (в добавлении к U-I и U-II). Его А. Пикар назвал актиноураном. Испуская α-частицу, он превращается в UY, а этот последний в актиний. Но промежуточным продуктом здесь будет радиоэлемент, принадлежащий к пятой группе периодической системы. Иными словами, вот какую цепочку превращений видел мысленным взором А. Пикар:

Параллельно решался вопрос и с UY, место которого в радиоактивном семействе оставалось неопределенным. Столь четкая, хотя и довольно дерзкая программа напрашивалась к реализации.

В Англии очередными поисками экатантала занялись Ф. Содди и его ассистент А. Кранстон. Удача им сопутствовала, и в декабре 1917 г. они отправили в печать статью, излагавшую сведения об открытии экатантала как продукта β-распада урана-Y. Правда, данная ими характеристика экатантала была скудной в отличие от той, которая содержалась в работе немецких химиков О. Гана и Л. Мейтнер.

Случилось так, что их статью опубликовали раньше английской, хотя она и была сдана в печать позже. Но дело не в сроке публикации. О. Ган и Л. Мейтнер не только выделили новый радиоэлемент, но, насколько это было возможно, изучили его свойства, оценили величину периода полураспада и измерили длину пробега α-частиц. Немецкие и английские ученые и считаются соавторами открытия элемента № 91, хотя вклад первых, несомненно, был более весом. История его открытия завершилась благородным поступком. К. Фаянс, ничуть не претендуя на приоритет открытия экатантала (хотя имел на это все права), лишь предложил изменить название «бревий» на «протактиний» (по-гречески — «предшествующий актинию»), поскольку последний радиоэлемент являлся гораздо более долгоживущим изотопом.

Так символ Ра занял свое место в периодической системе. Самый долгоживущий его изотоп имеет массовое число 231. В 1927 г. удалось выделить несколько миллиграммов чистого Pa2O5.