«ЗАГРАНИЧНЫЕ» ЭЛЕМЕНТЫ
То, о чем сейчас пойдёт речь, ещё не успело стать историей, во всяком случае для меня.
Ведь я отлично помню, как, изучая химию в школе, мы пользовались Периодической системой, завершающейся ураном. Когда я приступил к изучению химии в университете, клетки 93 и 94, возникшие за естественной границей системы — за клеткой 92, — были уже заполнены. Ну, а затем едва ли не каждый год, если не каждый семестр, к таблице Менделеева, висевшей в Большой химической аудитории, приходилось подтягивать стремянку, с тем чтобы вписать символ очередного зауранового элемента. И уже на государственном экзамене во многих билетах стояли вопросы по химии какого-либо из этих элементов, и эти вопросы считались отнюдь не самыми трудными...
Собственно, главные события произошли задолго до того, как я закончил школу и поступил в университет. Но по причинам, которые читателю станут скоро понятными, учёные предпочитали об этих открытиях не распространяться.
Ещё в 1940 году американские исследователи Макмиллан и Абельсон обнаружили в продуктах распада урана радиоактивный продукт с периодом полураспада 2—3 дня. Более внимательное изучение показало, что излучение принадлежит какому-то элементу, который не походил ни на один из тех, что образуются при распаде урана. Элемент был выделен и оказался... элементом 93.
Давайте сразу договоримся, что, рассказывая далее об истории получения заурановых элементов, я буду по возможности воздерживаться от эпитетов в превосходной степени и восклицательных знаков. Не потому, что эта история не заслужила эпитетов и восклицательных знаков. Напротив, она потребовала бы их в таком количестве, что эпитетов у меня попросту не хватило бы, а от частокола восклицательных знаков у читателя зарябило бы в глазах. Да и кто не знает, что неумеренные восторги скоро докучают. (Впрочем, не уверен, что я выдержу этот собственный зарок.)
Но сначала о том, почему при распаде урана образовался элемент с порядковым номером большим, чем у распавшегося элемента.
Несколькими страницами раньше уже рассказывалось о самопроизвольном распаде урана в ядерных реакторах. Тогда о нейтронах, выделяющихся при «раскалывании» ядра урана, было помянуто вскользь. Но оказывается, что в проблеме 93-го на первой скрипке играют именно они.
Один из таких нейтронов попадает в ядро нераспавшегося урана. При этом новый элемент еще не возникает. Ведь изменение порядкового номера химического элемента связано лишь с изменением числа протонов в ядре атома этого элемента. Поэтому возникает лишь один из изотопов урана. Так как наиболее распространён природный изотоп урана с атомным весом 238, то при захвате нейтрона образуется уран-239.
Пришелец-нейтрон вносит возмущение и в без того не очень дружное сообщество протонов и нейтронов в ядре атома урана. Разрядиться это возмущение может по-всякому. У некоторых ядер эта разрядка сводится к тому, что ядро раскалывается на две части, и происходит тот самый процесс, о котором мы и раньше писали и только что поминали. Но некоторые ядра оказываются более «покладистыми»: от избытка энергии они избавляются, выбрасывая (из ядра, конечно) один электрон, бета-частицу. Заряд ядра атома урана 92+. 92—(—1) = 93. Надеюсь, незамысловатая арифметика этого ядерного процесса понятна каждому.
Как назвать новый элемент? Над этим голову долго ломать не пришлось. 92-й элемент — уран. Какая планета в Солнечной системе следует за Ураном? Нептун? Стало быть, в Периодической системе за ураном следовать нептунию (конечно, правильнее по-русски было бы назвать 93-й просто нептуном, но привилось почему-то название с «ий»).
Ядра атомов нептуния-239 оказались тоже не очень устойчивыми. С периодом полураспада в два с небольшим дня они распадаются, выбрасывая электрон. Но мы уже знаем, к чему это должно привести. Конечно, при этом образуется 94-й, и, конечно, он получил название плутоний (какая планета следует за Нептуном?).
Во всех астрономических книгах с грустью констатируется, что о далёкой планете Плутон почти ничего, кроме факта её существования, не известно. В химических же книгах пишут, что плутоний... Но тут настало время предложить читателю вопрос, который, полагаю, будет иметь успех на химических, да и не только химических КВН. Во всяком случае, автор не один раз задавал этот вопрос и почти никогда не получал правильного ответа.
— Какой металл в настоящее время можно считать наиболее обстоятельно изученным? Для какого из них известно наибольшее число соединений? И в каком случае соединения эти исследованы наиболее подробно?
Практика показывает, что 80%, не задумываясь, называют железо. 15%, подумав, тоже указывают на этот металл. Ещё процента три, поняв, что здесь что-то не то, задумчиво тянут:
— Вообще-то железо, а может быть, ещё кальций или натрий.
И, наконец, остальные два процента честно заявляют:
— Не знаю. То есть знаю, что железо, но ведь это и остальные знают.
Ход мыслей вопрошаемых очевиден. Какой металл применяется больше: всего? Железо. Какой металл известен человечеству много тысячелетий? Железо. Какой металл присутствует всюду от руд в глубинных морских отложениях до человеческой крови? Железо.
И никто, почти никто не говорит, что наиболее изученным металлом, соединения которого получены в поразительном разнообразии, таким металлом является не известное тысячелетия железо, не применявшаяся вообще с незапамятных времён медь, не наиболее распространённый в земной коре алюминий, не кальций, не натрий, а плутоний, элемент, о существовании которого тридцать лет назад химики разве что только догадывались.
Что, удивительно? И я удивился, когда впервые об этом
услышал. Но дивился я лишь в первые мгновения. Потому что, поразмыслив, я понял, что так оно и должно быть.
Уверен, что многие, очень многие из химиков предпочли бы, чтобы плутоний был изучен похуже. Погодите обвинять этих химиков в мракобесии и ретроградстве. Что до меня, то я целиком на их стороне.
Дело в том, что учёные пустились в подробнейшее изучение свойств плутония отнюдь не из-за научного подвижничества, не из стремления насытить свою любознательность, или, вернее, не только из-за этого. Основной причиной пристальных взоров, которые химики устремили на этот элемент, было то, что плутоний служит взрывчатым веществом в атомных и термоядерных бомбах.
Именно потому, что надо было найти методы, которые позволили бы до последних микрограммов извлекать плутоний из ядерных реакторов, именно потому, что надо было разработать технологию приготовления начинки атомных бомб, — во имя этого трудились тысячи, а может быть, и десятки тысяч химиков в разных лабораториях разных стран.
Отрадно это или печально? Во благо науке или во вред? И может ли быть науке во благо то, что человечеству в целом во вред? Не знаю. Таковы парадоксы века, который мы — с горечью ли, с гордостью ли — прозвали атомным. Но было бы ужасным согласиться с библейским Экклезиастом, который твердил: «В великой мудрости много печали, а кто умножает познания, умножает скорбь».
О «взрывчатых» свойствах плутония догадались сразу, едва ли не до того, как он был еще синтезирован. Поэтому как только первые крупинки 94-го элемента появились на свет (произошло это в начале 40-х годов), тотчас же приступили к разработке методов получения плутония в промышленном масштабе.
Еще трудились над изучением свойств химики, рассматривая пробирки с растворами солей этого элемента в микроскоп (да и как иначе разглядишь объем раствора в 0,000002 мл!), еще физики спорили о том, какого цвета металлический плутоний (да и как не поспорить о цвете, если металлический плутоний получен в таком количестве, что эту крупинку ни в какой микроскоп не углядишь!), но уже добросовестные проектанты наносили на ватман чертежи будущего завода.
И никогда, никогда в химической (алхимической) промышленности путь от проектного задания до выпуска готовой продукции не был так короток и скор. И никогда, никогда еще «готовая продукция» так быстро не пускалась в дело. Применение плутоний нашел самое что ни на есть мрачное: одна из американских атомных бомб, сброшенных на Японию, была начинена именно этим металлом.
Стоит ли удивляться тому, что хотя плутоний был выделен ещё в 1941 году, первая статья в научном журнале об этом элементе появилась лишь пять лет спустя, когда вторая мировая война была закончена и когда об атомной бомбе вслед за сотнями тысяч ее японских жертв узнали люди всей Земли.
Когда учёные приступали к синтезу заурановых элементов, они почти не сомневались, что эти, конечно же, радиоактивные элементы должны быть очень неустойчивы. Первый из полученных заурановых — нептуний-239 с периодом полураспада в двое суток — как будто бы подтверждал это предположение. Но вдруг оказалось, что образующийся из этого самого неустойчивого нептуния плутоний-239 имеет период полураспада почти 25 тысяч лет. А полученный впоследствии плутоний-244 имеет период полураспада почти сто миллионов лет. Впрочем, скоро был выделен другой изотоп нептуния с атомным весом 237, который распадается наполовину за два миллиона лет.
Если и нет нужды запоминать эти цифры, то обратим внимание хотя бы на то, что они очень велики. В следующей части мы ещё вернёмся к этим «долгожителям» в семье заурановых элементов и увидим, как эти безобидные значения периодов полураспада стали основой крупнейшей аферы (встречаются в истории заурановых элементов и такие, скажем прямо, тусклые страницы).
Получение нептуния и плутония стало торжеством физики и химии, так сказать, вершиной современной алхимии. Однако, как показало ближайшее будущее, все же не самой высокой ее вершиной. Потому что вослед первым заурановым элементам пошли другие. Спустя несколько лет после плутония был получен 95-й элемент, названный в честь континента, где он родился, америцием.
Обстановка, при которой америций появился на свет, была самой что ни на есть «артиллерийской». Только полигоном служил циклотрон, мишенью — уран, а в роли снарядов выступали альфа-частицы. При попадании альфа-частицы в ядро урана возникает плутоний (2 + 92). Ядра плутония спустя некоторое время выбрасывают бета-частичку — электрон, и таким образом возникает элемент с номером 95.
Подобным образом был получен и элемент 96. Для синтеза этого элемента обстреливали плутоний альфа-частицами. В результате очень сложного опыта и очень простой арифметики (94 + 2) был выделен элемент с порядковым номером 96. Элемент был назван кюрием — в честь знаменитых исследователей радиоактивности Марии Кюри-Склодовской и Пьера Кюри.
Известно, что сравнение науки с грандиозным зданием не ново. Но, рассказывая о том, как были получены искусственные заурановые элементы, нельзя удержаться от этого сравнения. «Фундаментом» здания послужил уран. На этом фундаменте был сооружён «первый этаж» — элемент нептуний. Нептуний стал основанием для следующего «этажа» америция — плутония. На плутонии был воздвигнут америций.
Словом, как каждый законченный новый этаж дома даёт возможность приступить к строительству очередного этажа, так и каждый полученный заурановый элемент служит «строительной площадкой» для «сооружения» очередного нового элемента.
Так, америций был использован для синтеза 97-го элемента. Для этого америций обстреливали в циклотроне альфа-частицами. В результате той же арифметики (95 + 2) был получен элемент 97. Он был назван берклием, по имени города Беркли, где были выделены первые атомы 97-го элемента.
Для синтеза элемента 98 воспользовались кюрием. Его также обстреливали альфа-частицами, в результате чего был выделен элемент, названный калифорнием. Это название появилось в Периодической системе в 1950 году. Дальше поток открытий несколько замедлил скорость своего течения...
Отметим сразу: не малый период полураспада, то есть короткое время жизни этих радиоактивных элементов, или, вернее, не только это обстоятельство тому причиной. У америция и берклия имеются изотопы, которые распадаются наполовину за 7—8 тысяч лет. А изотоп кюрия с атомным весом 247 имеет период полураспада почти 20 миллионов лет. Хотя этот срок и мал для того, чтобы естественный кюрий сохранился на нашей планете, но предостаточен для того, чтобы учёные могли манипулировать с этими заурановыми элементами.
Но вот беда: все труднее и труднее становилось добывать каждый последующий элемент. Для того чтобы получить плутоний, необходим уран. Ну, уран — это не проблема, его достаточно много, во всяком случае для алхимических экспериментов. Но для получения кюрия уже необходим плутоний, а для берклия — америций, для калифорния — кюрий.
Трудно «сорвать» заурановый «орех», ещё труднее извлечь из него зёрнышко следующего элемента. А поскольку зерно никогда не бывает больше ореха, то естественно, чем дальше продвигались алхимики по ряду заурановых элементов, тем дефицитнее становились «зёрнышки»-элементы.
В случае нептуния и плутония счёт вёлся на килограммы. Америций считали на граммы, кюрий —на миллиграммы, берклий — на доли миллиграмма, а калифорний — на доли микрограмма. Стало быть, для исследования каждого из заурановых элементов требовался ещё свой, химический Левша...
Источник: Юрий Фиалков