Элемент из «запечатанного конверта»

Не так давно в Ирландии увидел свет весьма своеобразный справочник. Он называется «Превосходная степень». Из него можно узнать, где самое дождливое место на земном шаре, сколько лет самому старому человеку, в каком фильме было занято самое большое число актеров, в общем, все, что связано со словом «самое». Но нет в этом руководстве для любопытных ответа на вопрос: у какого из 103 элементов периодической системы самая интересная история? Если мы скажем, что таким элементом можно считать прометий, элемент с порядковым номером 61, расположенный между неодимом и самарием, — мы, пожалуй, не погрешим против истины. Ибо история этого элемента — отражение тесного содружества химии и физики, «пробный камень» многих теорий и гипотез, источник радостей и огорчений десятков ученых разных стран.

ПЕРВОЕ ПОЯВЛЕНИЕ НЕЗНАКОМЦА

В 1913 году периодический закон Дмитрия Ивановича Менделеева получил долгожданное объяснение со стороны физики, сопровождавшееся и некоторым уточнением. Ученые пришли к выводу, что не атомный вес, как считалось прежде, а более строгий критерий должен лечь в основу закона Менделеева. Таким критерием оказался заряд ядра элемента.

Молодой английский физик Генри Мозели обнаружил, что изучая рентгеновские спектры элементов, можно определить заряды их ядер, иными словами, их порядковые номера в периодической системе. Ученый провел эксперименты со многими представителями менделеевской таблицы, в том числе и с так называемыми редкоземельными элементами. Это название закрепилось за 14 очень похожими друг на друга элементами, начиная с лантана и кончая лютецием. Из работ же Мозели вытекало, что ученым-химикам предстоит открыть еще один редкоземельный элемент. «Незнакомец» должен был располагаться между неодимом и самарием и иметь порядковый номер 61.

Знаменитый химик Менделеев, веря в незыблемость своего закона, предвидел некогда существование доброго десятка неизвестных элементов; большинство предсказаний сбылось еще при жизни великого ученого. А физик Мозели, опираясь на строгие физические закономерности, заявил о существовании элемента, о котором, казалось бы, таблица Менделеева ничего не могла сообщить.

Все дело в том, что таинственный «незнакомец» принадлежал к удивительному семейству редкоземельных элементов.

САМЫЕ ЗАГАДОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Так о них можно была бы сказать в справочнике «Превосходная степень». Их история — едва ли не самая сложная и запутанная во всей неорганической химии. Известен любопытный список ложных открытий химических элементов. Он содержит около двухсот наименований. Примерно сотня из них приходится как раз на область редкоземельных элементов. И все потому, что эти элементы чрезвычайно похожи друг на друга. Даже сходные элементы группы железа — железо, кобальт и никель — кажутся по отношению друг к другу дальними родственниками в сравнении с редкоземельными братьями-близнецами.

Чтобы «разлучить» этих братьев, которые в природных минералах держатся всегда вместе, требовались многие месяцы упорной работы — тысячи однообразных химических операций. Немудрено, что даже крупные химики нередко оказывались в тупике. Сплошь и рядом смесь известных редкоземельных элементов принимали за один новый, и список ложных открытий пополнялся, а то вдруг давно признанный элемент оказывался смесью. Так было с дидимом, из которого ученые последовательно выделили самарий, гадолиний, празеодим и неодим. Никто не мог точно сказать, сколько же всего «близнецов» на свете, никто не брался объяснить, почему столь похожи их свойства, и попытки разместить их в таблице Менделеева терпели неудачи. Долгие десятилетия продолжалась смутная эпоха в области редкоземельных элементов. «Истина тонула в море ошибок»,— сказал по этому поводу французский химик Урбэн.

Так о каких же предсказаниях неизвестных элементов здесь могла идти речь? Когда Менделеев предсказывал существование и свойства эка-бора, эка-алюминия и эка-силиция, он исходил из прекрасного знания свойств их соседей по группе и по периоду таблицы. В редкоземельном же семействе даже сама последовательность расположения элементов была неясной.

Она окончательно определилась лишь после работ Мозели. Несколько позже датский физик Нильс Бор объяснил, почему редкоземельные элементы так похожи друг на друга. Все дело заключается в своеобразной электронной структуре их атомов. Порядковый номер элемента растет с количеством электронов на его оболочках. Так вот, у редкоземельных элементов, начиная с церия и кончая лютецием, электроны прибавляются не на внешнюю оболочку, как у остальных, а в третью снаружи электронную оболочку. Внешние две оболочки остаются неизменными, а ведь именно внешние электронные оболочки в основном определяют химические свойства элементов. Вот в чем заключается причина загадочного сходства редких земель.

«ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ АМЕРИКАНСКОГО КОНТИНЕНТА»

В открытии химических элементов Новому свету явно не повезло. Все 86 элементов, обнаруженных к двадцатым годам прошлого столетия (исключая известные с глубокой древности), были найдены европейскими учеными. Поэтому открытие в 1926 году химиками Иллинойского университета в Чикаго Гопкинсом, Интема и Гаррисом шестьдесят первого элемента американский научный мир воспринял с особой радостью.

Начиная с 1913 года исследователи разных стран предпринимали поиски неуловимого представителя редкоземельного семейства. Казалось удивительным, почему он не был найден раньше. В самом деле, элементы первой половины семейства — цериевые (от лантана до гадолиния), как доказали геохимики, распространены в природе более, чем иттриевые (от тербия до лютеция). Между тем, все иттриевые элементы были уже известны, а в ряду цериевых зияло пустое место между неодимом и самарием. Оставалось предположить, что шестьдесят первый содержится в земной коре в очень малых количествах по сравнению со своими собратьями. Такое предположение обусловило и выбор метода исследования. Иллинойские химики не держали в руках ни миллиграмма нового элемента; они сделали вывод о его существовании на основании рентгеновских и оптических спектров.

Новорожденный получил имя «иллиний», и энтузиасты открытия поспешили поместить символ II в шестьдесят первую клетку периодической системы. Но вскоре отыскался другой претендент на долго пустовавшую «жилплощадь». Он имел символ F1 и назывался флоренцием. Его «родителями» были два итальянца — Ролла и Фернандес. По их словам, они на два года раньше иллинойских коллег нашли шестьдесят первый элемент, но сведения о достигнутых результатах до поры до времени решили не опубликовывать. Статью об открытии они поместили «в запечатанный конверт» (plico suggelato) и сдали на хранение в знаменитую флорентийскую Академию.

Если разные люди различными путями приходят к одному и тому же результату, — это ли не веское доказательство его истинности. Американские и итальянские химики могли только радоваться. А спор о приоритете, — ведь он часто неизбежен в науке. И никому из открывателей шестьдесят первого элемента не приходило в голову, что уже спустя короткое время этот спор будет дележом шкуры неубитого медведя.

СУПРУГИ НОДДАК ПРОТИВ ШТАТА ИЛЛИНОЙС

Пока энтузиасты «водружали» в шестьдесят первой клетке таблицы Менделеева символ II, нашлись придирчивые и беспощадные скептики. Первым из них был немецкий химик Прандтль. Он несколько лет занимался «ловлей неуловимого». Тщательность его экспериментов не внушала никаких сомнений. Но даже намека на обнаружение шестьдесят первого элемента он не получил.

В 1926 году за дело взялись супруги Ида и Вальтер Ноддак. Они только что открыли два новых элемента — мазурий и ренин, сорок третий и семьдесят пятый по таблице Менделеева. (Правда, первый из них вскоре пополнил список ложных открытий). Успех окрыляет, и Ноддаки поставили своей целью заполнить «пробел» между неодимом и самарием. Пятнадцать различных препаратов подвергли они исследованию всеми возможными методами, пятнадцать препаратов, в которых предполагалось присутствие иллиния. Ни много ни мало — целый центнер редкоземельных минералов переработали они в поисках нового элемента и не обнаружили ничего. Ноддаки заявили: если бы данные американских химиков соответствовали действительности, они (Ноддаки) неизбежно выделили бы иллиний. Будь этот элемент даже в 10 миллионов раз более редким, нежели неодим и самарий, им удалось бы его обнаружить.

Значит, одно из двух: или шестьдесят первый поистине уникально редок и существующие методы исследования недостаточно точны, чтобы разглядеть его «следы», или этот элемент искали не там, где надо.

Геохимики возразили против первого предположения. Редкоземельные элементы содержатся в природе в более или менее сходных количествах. Трудно предполагать — и нет на то оснований, — что иллиний окажется необычным исключением.

Но геохимики же советовали поискать иллиний в минералах кальция и стронция. И вот почему: все редкоземельные элементы, как правило, трехвалентны, но некоторые из них могут проявлять валентность, равную четырем или двум. Таков, например, европий; он довольно охотно образует двухвалентные ионы. По размеру они близки к ионам кальция и стронция и могут замещать их в соответствующих щелочноземельных минералах. Быть может, у иллиния эта способность выражена еще сильнее и его удастся обнаружить в каком-нибудь редком природном соединении стронция. Гипотеза наслаивалась на гипотезу, одно недосказанное предположение базировалось на другом.

Супруги Ноддак исследовали несколько щелочноземельных минералов. Увы, успех и на сей раз не сопутствовал им.

ВЫМЕРШИЙ ЭЛЕМЕНТ!

И вот Иде Ноддак приходит в голову весьма любопытная мысль. А что, если элемент 61 радиоактивен и его период полураспада очень мал? Тогда иллиний должен был распасться в ранние геологические эпохи существования Земли, он попросту вымерший элемент.

Но где доказательства? Ведь радиоактивность — «удел» тяжелых элементов конца периодической системы. Правда, ученые давно заметили, что калий и рубидий — легкие элементы — слабо радиоактивны. Однако неустойчивы у них не все, а лишь отдельные изотопы, и имеют эти изотопы астрономически большие периоды полураспада — более 10 миллиардов лет. Планета Земля существует «на свете» меньше. Значит, если последовать предположению Ноддак, придется сделать два невероятных допущения: иллиний, элемент середины таблицы Менделеева, не имеет ни одного устойчивого изотопа, а периоды полураспада неустойчивых изотопов гораздо меньше возраста Земли.

В те времена только фантасты могли позволить себе подобную роскошь. Но нет другой науки, которая столь смело превращала бы фантазии в реальность, как теоретическая физика. Ей-то и пришлось вскрыть «конверт», где природа надежно запечатала шестьдесят первый элемент. Когда это произошло, ученые огорченно развели руками. «Конверт» оказался пустым… Элемент исчез.

ДА. ИСЧЕЗ!

Что такое изобары? Куда более знакомо слово «изотопы». Изотопы — это разновидности одного и того же элемента, у которых массовые числа (суммы количества протонов и нейтронов в атомном ядре) различны. Природные изотопы урана имеют массовые числа 235 и 238; заряд ядра (число протонов) одинаков — 92, а число нейтронов разное—143 и 146. Изотопы элемента всегда различаются именно по количеству нейтронов в их ядрах. А если два изотопа разных элементов будут иметь одинаковые массовые числа? Вот, скажем, калий-40 и аргон-40. Количество протонов в их ядрах разное, но суммы числа протонов и числа нейтронов равные. Изотопы разных элементов с одинаковыми массовыми числами называются изобарами.

Немецкий физик Маттаух в 1934 году подметил важную закономерность: если заряды ядер двух изобаров различаются на единицу, один из них должен быть радиоактивным. Например, в паре изобаров аргон-40 и калий-40 второй изотоп должен быть неустойчив. Так оно и есть.

«Соседями» шестьдесят первого элемента являются неодим и самарий. Если выписать массовые числа их природных изотопов, то окажется, что, какое бы возможное массовое число мы ни приписали изотопу иллиния, он будет изобарен с соответствующим изотопом одного из своих соседей. Неодим и самарий имеют стабильные изотопы с массовыми числами от 142 до 154. Любой изотоп шестьдесят первого элемента с массовым числом в этих пределах должен быть радиоактивен.

Ида Ноддак оказалась права. По-видимому, в распоряжении природы шестьдесят первого элемента не имелось.

Продолжение следует.

Автор: Д. Трифонов.