Как были открыты химические элементы

И здесь судьба шестьдесят первого элемента самым непосредственным образом переплетается с судьбой элемента № 43 — технеция. В соответствии с правилом немецкого физика-теоретика И. Маттауха технеций в принципе не может иметь стабильных изотопов. Это же правило накладывает вето и на возможности существования стабильных изотопов у элемента шестьдесят один. Иллиний умер, но ведь шестьдесят первый элемент должен был существовать.

А если он в действительности не существует? Такая неожиданная мысль пришла И. Ноддак. Она высказала смелое предположение. Иллиний (будем пока называть его так) присутствовал на Земле в ранние геологические эпохи. Но это был сильно радиоактивный элемент с небольшим периодом полураспада и потому довольно быстро распался, исчез с нашей планеты. Если следовать идее И. Ноддак, то придется сделать два совершенно невероятных допущения. Во-первых, иллиний — элемент середины периодической системы — не имеет ни одного устойчивого изотопа. Во-вторых, периоды полураспада этих изотопов гораздо меньше возраста Земли.

И в самом деле, соседи иллиния по периодической системе — неодим и самарий — имеют много (по семь каждый) природных изотопов, и диапазон их массовых чисел очень широк — от 142 до 154. Какой бы предполагаемый изотоп шестьдесят первого элемента мы ни взяли, его массовое число попадает в этот интервал. Значит, любой изотоп иллиния в этом интервале массовых чисел оказывается неустойчивым.

Казалось, правило Маттауха окончательно подорвало надежды найти на Земле элемент № 61. И все же появилась «соломинка», за которую можно было схватиться. Пусть все изотопы иллиния радиоактивны. Но в какой степени? Быть может, некоторые из них имеют очень большие периоды полураспада. Теоретики в то время еще не умели предсказывать величины периодов полураспада. И поиски элемента № 61 продолжались вслепую. Но физики решили, что только ядерный синтез должен помочь разгадать загадку шестьдесят первого элемента, тем более что уже был пример синтеза технеция.

Словно пытаясь взять реванш за поражение своих соотечественников в 1926 г., американские физики М. Пул и Л. Квилл из Огайоского университета в 1938 г. поставили первый эксперимент по искусственному синтезу элемента № 61. Они обстреливали мишень из неодима быстрыми дейтронами, ядрами тяжелого водорода. По их мнению, при этом происходила ядерная реакция Nd+d→61+n, и продуктом ее должен был явиться изотоп элемента № 61. Результаты оказались противоречивыми, но тем не менее ученые пришли к выводу, что им действительно удалось получить изотоп нового элемента с массовым числом 144 и периодом полураспада 12,5 ч.

Но и тут нашлись скептики, которые объявили достижения американцев ошибочными, и они имели право на сомнения, ибо никто не мог гарантировать, что неодимовая мишень была идеально чистой. Да и сам метод идентификации нового изотопа вряд ли следовало считать достаточно надежным. Даже несложные оптические и рентгеновские спектры, как в работах исследователей 1926 г., свидетельствовали о присутствии шестьдесят первого; этот вывод делали на основании радиометрических измерений.

Химия в этом процессе фактически не участвовала: химическая природа загадочного радиоактивного продукта не определялась. Поэтому возникает вопрос: можно ли считать 1938 г. действительной датой открытия элемента № 61? Скорее, это было лишь начало целенаправленных попыток его синтеза.

Время шло, и ученые расширяли арсенал бомбардирующих частиц. Они брали мишени из других редкоземельных элементов, совершенствовали технику измерения получающихся активностей. И на страницах научных журналов стали появляться статьи о других изотопах иллиния. Факт становился реальностью. Шестьдесят первый искусственно обретал жизнь. Он сменил имя. Символ Cy воцарился (но опять на короткое время) в клетке № 61, название «циклоний» было дано в знак того, что новый элемент получили с помощью циклотрона.

Исследователи слышали радиоактивный «писк» циклония, но никто не видел и крупицы нового элемента, даже его спектры не были получены. О существовании циклония приходилось судить по косвенным признакам.

В научной летописи XX в. записано много великих открытий, и одно из величайших — это открытие деления урана под действием медленных нейтронов. Ядра изотопов урана-235 раскалываются при этом на две части, каждая из которых представляет собой изотоп одного из элементов середины таблицы Д. И. Менделеева. Среди подобных осколков могут быть изотопы тридцати с лишним элементов — от цинка до гадолиния. Теоретики рассчитали, что выход изотопов элемента № 61 довольно велик. Он достигает примерно 3% от общего количества продуктов деления.

Выделить эти три процента оказалось очень нелегко.

Три американских химика — Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл — применили для разделения осколков урана метод новой химии — ионообменную хроматографию.

В этом методе разделение элементов осуществляется с помощью ионообменных смол — особых высокомолекулярных соединений. Эти смолы играют роль своеобразного сита, которое позволяет рассортировать разделяемые элементы в определенной последовательности в зависимости от прочности соединений, которое образует тот или иной элемент со смолой. На дне сита ученые обнаружили настоящие жемчужные зерна — два изотопа шестьдесят первого элемента с массовыми числами 147 и 149.

Теперь шестьдесят первый элемент иллиний (он же флоренций, он же циклоний) должен был в конце концов обрести окончательное имя. Авторы открытия впоследствии вспоминали, что придумывать новое название было ничуть не легче, чем выделить сам элемент. Конец спорам положила супруга Ч. Кориэлла — Мэри Кориэлл. Она посоветовала назвать его прометием. Согласно древнегреческой мифологии, Прометей похитил огонь у богов и подарил его людям, за что Зевс жестоко покарал титана. Это название не только символизирует драматический путь получения нового элемента в заметных количествах в результате овладения людьми энергией ядерного деления, но и предостерегает людей от грозящей опасности наказания стервятником войны, писали Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл.

Прометий родился в 1945 г. В печати сообщение об этом было опубликовано в 1947 г. 28 июня 1948 г. участники симпозиума Американского химического общества в Сиракузах любовались первыми образцами соединений прометия (желтым хлоридом и розовым нитратом, каждого по 3 мг). Этим препаратам стоит воздать должное не в меньшей мере, чем первой чистой соли радия, выделенной Марией Кюри. Великое искусство ученых вызвало к жизни прометий. Сейчас его получают в количествах, измеряемых десятками граммов. И многие его свойства хорошо изучены.

Правило Маттауха закрывало дверь к земным кладовым шестьдесят первого элемента, но закрывало недостаточно плотно. Если бы прометий располагал долгоживущими изотопами, чьи периоды полураспада измерялись величинами порядка возраста Земли, то поиски его в рудах и минералах имели полное основание.

Но в этом смысле ядерная физика оказалась врагом природного прометия. Синтез каждого нового изотопа прометия делал возможную лазейку все более узкой. Выяснилось, что жизнь изотопов прометия коротка. Из пятнадцати известных ныне изотопов шестьдесят первого элемента самый долговечный имеет период полураспада, равный всего лишь 30 г. Другими словами, когда наша Земля только сформировалась как планета, на ней уже давным-давно не могло быть и тени прометия. Но прометия первичного, того самого, который образовался в сложнейшем процессе происхождения химических элементов. Речь же могла идти о поисках прометия вторичного, т. е. такого, который и поныне образуется на Земле в результате различных природных ядерных реакций.

Технеций удалось в конце концов обнаружить в земной коре среди осколков спонтанного деления урана. Но в этих продуктах деления не исключалось присутствие изотопов элемента № 61. Проделанный приблизительный расчет показал, что количество прометия, который мог бы образоваться в результате спонтанного деления урана, содержащегося в земной коре, соответствует примерно 780 г (это все равно, что ничего). Искать природный прометий — это примерно то же самое, что растворить бочку соли в озере Байкал, а затем пытаться найти отдельные ее молекулы.

И все же эта неимоверной трудности задача была в 1968 г. решена. Американские ученые, среди которых оказался автор открытия природного технеция П. Курода, сумели зафиксировать природное существование изотопа прометия с массовым числом 147 в образце урановой руды — смоляной обманки. Тем самым была закончена удивительная история открытия элемента № 61.

Как и в случае технеция, для прометия правомерно говорить о двух датах открытия.

Первая дата — это дата синтеза, год 1945-й. Но синтез в данном случае был необычным (можно было бы сказать: синтез через деление). Два первых изотопа прометия выделили из осколков деления урана, облученного медленными нейтронами, а не прямым способом, как технеций, который был получен непосредственно в результате прямой ядерной реакции. Эти особенности прометия уникальны на фоне всех других синтезированных элементов.

Вторая дата — обнаружение прометия в природе в 1968 г. Она имеет самостоятельное значение, ибо это достижение находилось на грани возможности физических и химических методов анализа. Данное событие представляет чисто теоретический интерес, потому что никто не будет добывать для практических нужд природный прометий.