ПОКА ПОСЛЕДНИЕ
Этих последних элементов Периодической системы ещё никто не видел. Но тем не менее о свойствах их химикам известно более чем достаточно. Предсказания, основывающиеся на их положении в Периодической системе? Да, и предсказания тоже. Но в основном - прямой химический эксперимент.
Следующие «новосёлы» Периодической системы — элементы 99 и 100 — родились не в научных лабораториях. Для получения этих элементов решено было использовать своеобразные условия, образующиеся при взрыве атомных бомб с плутониевым зарядом: громадную температуру, чудовищные давления, плотные потоки нейтронов.
В 1952 году американцы проводили очередное испытание атомной бомбы. Операция по подготовке и проведению секретного взрыва была названа безобидно и даже, пожалуй, фамильярно: «Майк».
Спустя полчаса после взрыва в грибовидное облако, возникшее при взрыве, были запущены автоматические ракеты. На ракетах были установлены фильтры, которые собирали все твёрдые частицы. Исследование фильтров показало, что в них собрались какие-то неизвестные радиоактивные продукты, излучение которых сильно смахивало на предполагавшиеся у элементов 99 и 100.
Однако мимолётного излучения ракетных фильтров было недостаточно, чтобы судить о новых элементах. Что было делать? Взрывать новую бомбу? Но ведь и предыдущую-то Пентагон испытывал отнюдь не для того, чтобы дать учёным возможность заполнить ещё пару клеток Периодической системы элементов!
Учёные обратились в военное ведомство с просьбой разрешить им собрать почву с атолла вблизи места взрыва: может быть, новые элементы будут обнаружены там. Военные посовещались и решили, что нет нужды утаивать от учёных мелкие ракушки и прибрежный ил. Груз, засекреченный под названием «дорогостоящая грязь», был доставлен в химическую лабораторию.
Не знаю, походила ли почва с тихоокеанского атолла на грязь, но «дорогостоящей» она была наверняка. Во-первых, она образовалась в результате взрыва атомной бомбы, которая расценивается отнюдь не на центы; во-вторых, доставляли её в радиохимические лаборатории за тридевять земель, а в-третьих, и это самое главное, в «грязи» были обнаружены 99 и 100 элементы.
Два года спустя 99 и 100 элементы были получены более «верным» путём — бомбардировкой урана ядрами азота (92 + 7 =...) и кислорода (92 + 8 =...). 99-й был назван эйнштейнием, 100 — фермием; современные алхимики почтили память гениальных физиков XX века Альберта Эйнштейна и Энрико Ферми.
В 1955 году был получен элемент, положивший начало второй сотне обитателей Периодической системы, — элемент 101. Как и во многих других опытах по получению заурановых элементов, «последующие этажи» надстраивались на предыдущих. Основой для получения 101-го стал элемент эйнштейний, который в циклотроне бомбардировался ядрами гелия (99 + 2 = ...).
101-й был назван менделевием (Мс1), как писали авторы открытия, возглавлявшиеся выдающимся исследователем заурановых элементов Сиборгом, «в признание ведущей роли великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал Периодическую систему для предсказания свойств ещё не открытых элементов — принцип, явившийся ключом к открытию последних семи заурановых элементов».
Прежде чем перейти к истории заполнения следующей, 102-й клетки, я еще раз прочел то, что написал на последних страницах. Прочёл и остался недоволен. Уж слишком безмятежным получился рассказ о 99-м, 100-м и 101-м элементах. Можно подумать, что эти клетки заполнялись в результате неторопливых и неизменно удачных экспериментов, что единственным затруднением был выбор наименования нового элемента.
А ведь я хорошо помню, как мы с приятелем в 1955 году прочли первую статью о 101-м элементе в журнале «Физическое обозрение» и единодушно пришли к выводу, что корректоры в этом уважаемом научном журнале пропустили крупный «ляп». Судите сами: в статье было написано, что менделевий был впервые идентифицирован (определён, узнан) в количестве семнадцати атомов.
Поразмыслив немного, мы решили, что рассеянный наборщик пропустил после числа 17 множитель десять в какой-то степени. Там должно было быть, скажем, 17 • 108, ну, на худой конец, 17 • 10е. Хотя последнюю величину, говоря по правде, тоже нелегко себе представить. Почему? Да хотя бы потому, что число молекул в кубическом сантиметре воздуха превышает число 17 • 106 в тысячу миллиардов раз.
Но ведь то семнадцать миллионов, а в статье о менделевии речь шла о семнадцати атомах просто.
И тем не менее в сообщении о 101-м элементе все было правильно, и наборщика мы подозревали зря. Ведь физики давно изобрели такой прибор, с помощью которого можно зафиксировать радиоактивный распад даже одного атома. И тем более семнадцати.
У непосвящённого этот прибор никак не может вызывать благоговейного отношения. Уж больно он не походит на те установки, которыми обычно пользуются физики. В самом деле, стеклянная трубка, запаянная с обоих концов. Внутри какая-то пластинка и какая-то проволочка-волосок. А все вместе—это счётчик Гейгера — Мюллера, самый знаменитый прибор атомного века. Именно с помощью этой невзрачной трубки можно зафиксировать распад одного-единственного атома.
Нитка, протянутая вдоль оси счётчика, присоединена к одному из электродов. Другой электрод ни к чему не присоединён. Упирается, так сказать, в пустоту. Впрочем, «в пустоту» сказано не совсем верно. Потому что в счётчике отнюдь не пустота. Заполнен он каким-либо инертным газом, например аргоном, к которому примешано некоторое количество паров спирта или йода.
Чтобы счётчик мог действовать, к его электродам подводят высокое напряжение. Из рисунка видно, что размеры каждого из электродов сильно разнятся: один из них — довольно солидная по размерам металлическая пластинка, а другой — тоню-ю-ю-сенькая ниточка. И в этом-то различии вся соль идеи, положенной в основу работы счётчиков Гейгера. Потому что при включении счётчика создаются около электродов поля неоднородной напряжённости.
Этот скучный термин станет абсолютно понятным, если вспомнить то, что учили в школе. Вокруг каждого заряженного предмета создаётся электрическое поле. Если имеется два одинаково заряженных предмета, то напряжённость электромагнитного поля (то есть густота воображаемых силовых линий) будет больше вокруг того из них, который меньше по размерам.
Вот почему напряжённость электрического поля вокруг электрода-нити во много-много раз больше, чем вокруг электрода-пластинки. А если учесть, что напряжение, которое подводится к счётчику, весьма солидное: 1000—2000 вольт, то станет понятным, что напряжённость вокруг нити во много раз больше, чем в поле мощнейшего из электромагнитов.
Когда в счётчик попадает радиоактивный снаряд, вылетавший из распадающегося ядра (альфа-, бета- или гамма-частица), то он, проникнув через стеклянную ограду, попадает во внутреннее пространство счётчика. Здесь на своём пути частица встречает молекулу газа и ионизирует её — разбивает на две части: положительную и отрицательную.
Предположим, что электрод-нить заряжен положительно, электрод-пластинка — отрицательно. Тогда образовавшаяся пара ионов поведёт себя по-разному: положительный ион будет притягиваться пластинкой, а отрицательный нитью. Но напряжённость поля у пластинки гораздо меньше, чем у нити. Поэтому положительный ион двинется к пластинке с неторопливостью толстяка, только что прикончившего двойной обед. Зато отрицательный ион ринется к нити со скоростью курьерского поезда.
Сравнение это не очень правильное. Потому что ион этот несётся к нити со скоростью, которая превышает скорость поезда раз... в 50, не меньше.
Представьте себе поезд, несущийся со скоростью километра в секунду и сталкивающийся при этом с другим поездом. Кто-то произнёс слово «вдребезги»? Совершенно верно!
Не иначе ведут себя и молекулы. Стремительно летящие к нити ионы на своём пути сталкиваются с молекулами газа и разбивают их при этом если не вдребезги, то по крайней мере на две части: положительную и отрицательную. При этом вновь образовавшийся положительный ион поплетётся к пластинке, а отрицательный устремится к нити.
Чем ближе к нити, тем выше скорость. Поэтому наша дружная пара отрицательных ионов с ещё большей силой врезается в подвернувшиеся на пути молекулы газа. При этом возникает уже четыре отрицательных иона. Через неуловимую долю секунды их станет восемь, потом шестнадцать, а затем количество ионов лавинообразно нарастает, точно так же, как пшеница в известной легенде о пшеничных зёрнах и шахматной доске.
Вот почему к нити подходит уже солидная компания отрицательных ионов — несколько миллионов, а то и больше. При столкновении отрицательных ионов с положительно заряженной нитью происходит разряд, и поскольку количество ионов весьма велико, то этот разряд может быть зафиксирован особым устройством. Вот и всё.
Как видим, счётчик Гейгера — Мюллера устроен просто, по очень хитро: один-единственный ион он превращает в несколько миллионов. Вот почему этот своеобразный микроскоп позволяет регистрировать распад одного отдельного атома.
С помощью счётчика радиоактивности можно проследить не только за самим событием радиоактивного распада, но и определить энергию, с которой, например, альфа-частицы покидают ядро атома радиоактивного элемента. А каждый элемент испускает альфа-частицы строго определенной энергии. Как по шагам на лестнице мы определяем, кто из приятелей жалует к нам в гости, так же физики, определяя энергию альфа-частиц, узнают, какой элемент их выбросил. Более того, можно вычислить энергию альфа-распада ещё не полученного элемента. Вот почему, определяя в опыте, получился ли у них тот или иной заурановый элемент, физики заранее настраивают приборы на альфа-частицы определенной энергии.
Между прочим, в опытах по получению 101-го элемента Сиборг и его сотрудники несколько ночей подряд напряжённо ждали появления альфа-частицы с энергией излучения, свойственной этому элементу. Вообще-то появление частицы должен был зафиксировать самопишущий прибор, и о том, что наконец-то синтезирован один или несколько атомов 101-го, можно было узнать, просматривая ленту самописца. Так что особой нужды бодрствовать у приборов не было. Но какой учёный упустит возможность лично наблюдать рождение нового элемента! Химики, не считаясь с ропотом лабораторной администрации, готовы были сидеть у самописцев до тех пор, пока долгожданный «младенец» не появится на свет. Но сон здорово морил уставших сотрудников, и не было никакой уверенности, что в момент (именно момент!) рождения нового элемента они не будут почивать.
Тогда Сиборг распорядился, счётчик, который должен был зафиксировать выброс долгожданной альфа-частицы, через усилитель подсоединить к пожарному звонку. И среди ночи лаборатория была поднята на ноги пронзительным пожарным сигналом! Бывает, что и пожарный колокол может стать прибором атомной физики...
Именно после синтеза элементов на рубеже «сто» — эйнштейния, фермия и менделевия — стало ясно, что завоевание новых клеток Периодической системы будет делом ой каким нелёгким! Период полураспада 99-го элемента—несколько сотен дней, 100-го — около десяти дней, 101-го — чуть больше часа. Время жизни заурановых элементов с увеличением порядкового номера уменьшалось с быстротой, которая не оставляла сомнений: следующие заурановые элементы будут жить секунды, самое большее — минуты.
Опыты подтвердили эти опасения. 102-й элемент, который был получен при обстреле урана ядрами неона (92+10 + ...), распадался полностью прежде, чем секундная стрелка успевала завершить один круг. Кстати, именно со 102-м произошла довольно замысловатая история.
В 1957 году о получении 102-го сообщила группа учёных, работавших в Стокгольме. Элементу было дано имя нобелий — в честь Альфреда Нобеля, удачливого шведского изобретателя и торговца динамитом. Символ N0 и поныне встречается в таблице Менделеева. Но, по-видимому, скоро он оттуда исчезнет, с тем чтобы уступить место элементу с другим названием. Дело в том, что результаты, о которых было сообщено стокгольмской группой, не подтвердились, сколько их ни пытались воспроизвести и у нас в стране, и в Соединенных Штатах.
Именно у нас в стране, в лабораториях Объединённого института ядерных исследований в Дубне, был получен 102-й элемент по реакции (92+10; уран + неон). Синтез этого элемента осуществила группа исследователей под руководством Г. Н. Флерова.
Очень неустойчивым оказался и 103-й элемент — лоуренсий, названный так в честь изобретателя циклотрона Лоуренса. И этот элемент был получен по нехитрой арифметике: 98 + 5 (калифорний + бор) и в результате очень сложного опыта.
Впрочем, условия получения следующего, 104-го элемента были ещё более сложными. Наступление (94 + 10; плутоний + + неон) на эту клетку было предпринято в Дубне группой Г. Н. Флерова. Исследователи полностью сознавали сложность предстоящего штурма.' Ещё бы, теоретические расчёты показывали, что период полураспада 104-го элемента будет составлять тысячные, в лучшем случае, десятые доли секунды. А это означало, что за время, гораздо меньшее, чем требуется для того, чтобы прочесть слово «миг», предстоит выделить 104-й из мишени, в которой он образуется при ядерной бомбардировке, и, если повезёт, прикинуть его химические свойства. Вот так.
Когда-то я читал очерк какого-то восторженного журналиста, который побывал в новой аптеке. Журналист сетовал на то, что ему не с чем сравнивать увиденное. Ведь существует выражение «как в аптеке». Так вот, в аптеке было именно так, «как в аптеке».
Хотел бы я побывать в положении этого журналиста! Желая описать чистоту, царящую в фармацевтическом заведении, и точность, с которой провизоры развешивают порошки и смешивают микстуры, можно было бы сравнить аптеку с полупроводниковым заводом, с химической лабораторией, где исследуют сверхчистые вещества, наконец, с лабораториями современных алхимиков, где получают новые элементы в количестве нескольких атомов.
Но с чем сравнивать алхимическую лабораторию? Уверен, что в скором времени именно она станет эталоном и точности, и чистоты, и скорости. Правда, говорить «точно, как в лаборатории по получению заурановых элементов», длинно и не совсем складно. Да можно придумать что-нибудь покороче.
Опыты показали, что учёные «ошиблись». Период полураспада 104-го оказался значительно больше ожидаемого — целых три десятых доли секунды. Уверен, что редко когда исследователи так радовались неподтвердившимся расчётам.
Однако прошли времена, когда современные алхимики могли довольствоваться лишь самим фактом получения новых элементов. И тут родилась схема эксперимента, которая может быть без всяких натяжек названа высшим химическим пилотажем.
Атомы 104-го, как уже упоминалось, получались при столкновении атомов плутония с атомами неона. Для того чтобы произошла эта реакция, атомы неона разгонялись в ускорителях до громадных скоростей. Вот почему при столкновении образовавшийся атом 104-го элемента вылетал из плутониевой мишени. И в этот самый миг (миг? Нет, быстрее!) его подхватывал поток хлора. Так образовывался хлорид 104-го элемента.
О хлориде уже можно было узнать многое: и его летучесть и характер взаимодействия со многими веществами. А понимающему химику это скажет очень много. Ещё Кювье говорил: «Покажите мне челюсть животного, и я полностью восстановлю его внешний облик». Точно так же современный химик может сказать: «Опишите мне, хотя бы кратко, свойства соединения элемента с хлором, и я вам подробно опишу свойства других соединений этого элемента».
104-й был назван курчатовием — в честь выдающегося советского исследователя академика Игоря Васильевича Курчатова. Так решил Совет Объединенного института ядерных исследований 6 июля 1966 года. В этот день лауреат Ленинской премии Г. И. Флеров мелом вписал в 104-ю клетку таблицы Менделеева символ Ки, который всегда будет напоминать учёным мира о вкладе советских исследователей в одну из самых сложных проблем XX века.
Источник: Юрий Фиалков