Как были открыты химические элементы

ТЕХНЕЦИЙ

Верхняя часть периодической системы вплоть до шестого периода (где размещается семейство редкоземельных элементов) всегда представлялась относительно благополучной, особенно после того, как была открыта группа благородных газов, столь гармонично замкнувшая систему элементов с ее правого края. Благополучной в том смысле, что здесь едва ли можно было ожидать каких-либо сенсационных открытий. Споры возникали лишь по поводу возможного существования элементов легче водорода и между водородом и гелием. В целом же, говоря языком математиков, эта часть периодической системы представляла собой упорядоченное множество химических элементов.

И тем досаднее и непонятнее казался трудно объяснимый пробел, расположенный в пятом периоде и седьмой группе, в клетке таблицы с порядковым номером 43.

Д. И. Менделеев называл этот элемент экамарганец и пытался предсказать его важнейшие свойства. Время от времени казалось, что пробел заполнен, но вскоре обнаруживалась ошибка. Так было в случае ильмения, якобы открытого русским химиком Р. Германном еще в 1846 г. Одно время даже Д. И. Менделеев склонен был считать ильмений экамарганцем. Некоторые исследователи думали, что в промежутке между молибденом и рутением следует поставить дэвий (см. с. 144). Немецкий химик А. Ранг даже помещал символ Dv в соответствующее место таблицы. В 1896 г. мелькнул на горизонте люций, будто бы найденный П. Баррьером, и сгорел, подобно метеору.

Д. И. Менделеев так и не дожил до того счастливого момента, когда экамарганец должен был обрести, наконец, свое настоящее имя. Через год после его смерти, в 1908 г., пришла весть из Японии. М. Огава сообщил ученому миру, что в редком минерале молибдените ему удалось обнаружить долгожданный элемент. Ученый дал ему звучное имя «ниппоний» (в честь древнего названия Японии). Увы, и на сей раз Азия не смогла подарить периодической системе нового представителя. М. Огава, по всей вероятности, имел дело с гафнием (также открытым позже).

И химики, привыкшие к тому, что научные журналы каждый год сообщают об открытии нескольких химических элементов, оказались в растерянности. Химики все больше и больше начинают задумываться, не допустил ли Д. И. Менделеев ошибки в своей системе. Вдруг аналогов марганца вообще не существует.

В 1913 г. Г. Мозли решительно опроверг подобный скепсис. Он четко доказал, что для них есть места в ряду элементов.

В статье, датированной 5 сентября 1925 г., В. Ноддак, И. Такке и О. Берг объявили, что вместе с элементом № 75 — рением ими открыт также и его более легкий аналог по седьмой группе периодической системы — мазурий с порядковым номером 43. Два новых символа Ма и Re появились в таблице Д. И. Менделеева, появились на страницах учебников, замелькали в многочисленных научных журналах. Авторы открытия не видели ничего удивительного в том, что мазурий и рений не удалось обнаружить раньше. По мнению ученых, эти элементы отнюдь не были самыми редкими в земной коре. Дело заключалось в другом. Геохимики выделяют обширную группу рассеянных элементов. Это те, которые почти или совсем не образуют своих собственных минералов, а рассеяны в разных количествах по чужим, словно природа разбрызгала их по горным породам из гигантского пульверизатора. Именно благодаря своей рассеянности мазурий и рений так долго скрывались. И только всевидящий глаз рентгеноспектрального анализа как будто бы разглядел присутствие новых элементов на обширном фоне посторонних веществ. Существует древняя пословица: «Если двое делают одно и то же, это не значит, что получится одно и то же». Если двое начинают свой путь одновременно, то судьбы их обычно складываются по-разному. Из одной точки потянулись две биографии — сорок третьего и семьдесят пятого элементов, но одна из них переросла в широкий торный проселок, а другая затерялась в буреломе недоразумений, противоречий и загадок. Это была тропа мазурия.

В. Прандтль отнесся к судьбе пробелов в седьмой группе таблицы небезучастно. Он попытался взглянуть на проблему с другой стороны и высказал оригинальное мнение по поводу устройства периодической системы. В. Прандтль не предложил нового варианта таблицы. В его построении редкоземельные элементы размещались каждый в одной группе, хотя от такого варианта большинство химиков к тому времени уже отказались. И вот что ученый обнаружил: при такой структуре таблицы в седьмой группе под марганцем появляются сразу четыре пробела, которые соответствуют еще не открытым (это было в 1924 г.) элементам с порядковыми номерами 43, 61, 75 и 93. Прандтль считал, что это не случайно. Видимо, существует какая-то общая причина, которая объясняет отсутствие четырех элементов. Немецкий ученый сгустил краски. Его вариант таблицы оказался слишком искусственным, чтобы завоевать право на существование. Окончательное открытие рения внесло первое опровержение в его идею, а об элементе № 93, первом трансуране, в то время мало кто думал. Но в одном интуиция не подвела В. Прандтля: он верно предчувствовал, что сорок третий и шестьдесят первый чем-то тесно связаны друг с другом.

Чем дальше, тем меньше верили ученые в существование мазурия. Упорствовали лишь авторы открытия. Уже в начале 30-х годов И. Ноддак продолжала утверждать, что со временем сорок третий элемент можно будет приобретать у химических фирм без особого труда, так же как стало возможным покупать рений. Но время шло и, какие бы образцы земных пород ни подвергали химики испытаниям на мазурий, они убеждались, что И. Ноддак была права лишь наполовину, только лишь в отношении рения. Искать мазурий пытались в самых что ни на есть редкостных образцах. Более того, говорили, что мазурий образует свои, совершенно неведомые, свойственные лишь ему природные соединения. И это вызывало протест со стороны геохимиков. Фантазия шла дальше, и возникало предположение о радиоактивности мазурия. Эта фантазия встречала скептическое отношение. Но именно она и оказалась реальностью.

Обратимся к некоторым важным понятиям ядерной физики. Наряду с термином «изотопы» существует термин «изобары». В переводе с греческого он означает «равнотяжелые», т. е. «имеющие одинаковую массу». Изобарами будут два изотопа различных химических элементов с различными зарядами ядер, но с одинаковыми массовыми числами. Например, калий-40 и аргон-40. Их заряды ядер отличаются (соответственно 19 и 20). Но у этих разновидностей атомов одно и то же массовое число. В их ядрах содержится разное число протонов и нейтронов, а сумма их одинакова: у калия 19 протонов и 21 нейтрон, а у аргона по 20 протонов и нейтронов.

Так вот понятие «изобары» в конечном счете оказалось неожиданным ключом к решению проблемы мазурия.

Когда у большинства стабильных химических элементов были экспериментально обнаружены изотопы, причем у некоторых до десяти различных разновидностей атомов, ученые начали поиск закономерностей, царящих в мире изотопов. Одну из подобных закономерностей в начале 30-х годов подметил немецкий физик-теоретик И. Маттаух[16]. Если заряды ядер двух изобаров, считал ученый, различаются на единицу, то один из них обязательно должен быть радиоактивным. Вот, например, в паре изобаров 40K–40Ar первый проявляет слабую естественную радиоактивность, испытывает так называемый K-захват, превращаясь при этом во второй.

Далее И. Маттаух сопоставил друг с другом массовые числа изотопов элементов, соседних с мазурием, т. е. молибдена (Z=42) и рутения (Z=44).

Какой вывод следовал из этого сопоставления? А такой, что весь обширный интервал массовых чисел от 94 до 102 является запрещенным для изотопов элемента № 43. Иными словами, по И. Маттауху, получалось, что стабильных изотопов мазурия вообще быть не может.

Если это так, то с порядковым номером 43 в периодической системе элементов оказывалась связанной странная аномалия. Все разновидности атомов с Z=43 должны были обладать свойством радиоактивности, словно бы появлялся своеобразный нестабильный островок в море стабильности химических элементов. Этого никогда не удалось бы предвидеть в рамках представлений одной лишь химии. Предсказывая экамарганец, Д. И. Менделеев, конечно, не мог предполагать, что этот представитель седьмой группы периодической системы элементов не должен существовать на Земле.

Разумеется, по тем временам (начало 30-х годов) подмеченная И. Маттаухом закономерность выглядела не более чем гипотезой. Но гипотезой, которая имела все основания стать строгим теоретическим правилом. Так это впоследствии и произошло. Химикам же, вконец разочаровавшимся в попытках обнаружить элемент № 43, идея немецкого физика позволяла увидеть первопричину неудач. Однако символ Ма тем не менее не исчез из сорок третьей клетки системы, это произошло лишь несколько лет спустя. И здесь есть своя закономерность. Что из того, что все изотопы мазурия радиоактивны? Разве нет на Земле радиоактивных изотопов, которые существуют на нашей планете? Возьмите уран-238, торий-232 и, наконец, калий-40. Они существуют до сих пор потому, что имеют очень большие периоды полураспада. А кто мог поручиться, что и изотопы мазурия не являются столь же долгоживущими? А раз так, то поиски сорок третьего элемента в природе отнюдь не следовало объявлять бессмысленными.

Многолетняя проблема оставалась нерешенной. Кто знает, как сложилась бы дальнейшая судьба мазурия, если бы в науке не сверкнула зарница новой эры — эры искусственного синтеза элементов?

Осуществление ядерного синтеза стало реальным после изобретения циклотрона, открытия нейтрона и искусственной радиоактивности. В начале 30-х годов удалось синтезировать несколько искусственных радиоизотопов известных элементов. Появились даже сообщения о синтезе элементов тяжелее урана. Но посягнуть на пустовавшие клетки внутри периодической системы физики никак не решались. Разные на то были причины. Главная же состояла в огромных технических трудностях синтеза. В какой-то мере сыграл роль случай. В конце 1936 г. молодой итальянский физик Э. Сегре стажировался в Беркли (США), где в то время успешно работал один из первых в мире циклотронов. В сложной конструкции циклотрона одним из необходимых элементов была маленькая, но немаловажная деталь. Ее назначение состояло в том, чтобы направлять поток заряженных ускоренных частиц на бомбардируемую мишень. При этом часть частиц поглощалась деталью, которая сильно накалялась. Понятно, что ее необходимо было изготовлять из тугоплавкого материала, например из молибдена.

Заряженные частицы, поглощаясь молибденом, вызывали в нем ядерные реакции. Ядра молибдена могли превращаться в ядра других элементов. Молибден — сосед элемента № 43 по периодической системе. Если же в качестве ускоряемых частиц выступали дейтроны, то не исключалось такое событие, как превращение ядер молибдена в ядра мазурия.

Такая мысль и мелькнула у Э. Сегре. Будучи хорошим радиохимиком, ученый понимал, что если мазурий действительно образуется, то в количествах совершенно ничтожных. И отделение его от молибдена потребует немало ухищрений. Поэтому он попросил дать ему необходимый образец молибденовой детали для такого исследования и возвратился в Италию, где работал в Палермском университете. Помощником Э. Сегре стал сотрудник того же университета — химик К. Перрье.