Елемент із «закритого конверту»

Не так давно в Ірландії побачив світ вельми своєрідний довідник. Він називається «Найвищий ступінь». З нього можна дізнатися, де саме дощове місце на земній кулі, скільки років самому старому чоловіку, в якому фільмі було зайнято найбільше число акторів, загалом, все, що пов’язано зі словом «саме». Але немає в цьому керівництві для цікавих відповіді на питання: в якого з 103 елементів періодичної системи найцікавіша історія? Якщо ми скажемо, що таким елементом можна вважати прометій, елемент з порядковим номером 61, розташований між неодимом і самарієм, – ми, мабуть, не погрішимо проти істини. Бо історія цього елементу – відображення тісної співдружності хімії та фізики, «пробний камінь» багатьох теорій і гіпотез, джерело радощів і прикрощів десятків вчених різних країн.

ПЕРША ПОЯВА НЕЗНАЙОМЦЯ

У 1913 році періодичний закон Дмитра Івановича Менделєєва отримав довгоочікуване пояснення з боку фізики, що супроводжувалося і деяким уточненням. Вчені дійшли висновку, що не атомна вага, як вважалося раніше, а більш строгий критерій повинен лягти в основу закону Менделєєва. Таким критерієм виявився заряд ядра елемента.

Молодий англійський фізик Генрі Мозелі виявив, що вивчаючи рентгенівські спектри елементів, можна визначити заряди їх ядер, іншими словами, їх порядкові номери в періодичній системі. Вчений провів експерименти з багатьма представниками менделеєвської таблиці, в тому числі і з так званими рідкоземельними елементами. Ця назва закріпилася за 14 дуже схожими один на одного елементами, починаючи з лантану і закінчуючи лютецієм. З робіт ж Мозелі витікало, що вченим-хімікам належить відкрити ще один рідкоземельний елемент. «Незнайомець» мав розташовуватися між неодимом і самарієм і мати порядковий номер 61.

Знаменитий хімік Менделєєв, вірячи в непорушність свого закону, передбачав колись існування доброго десятка невідомих елементів; більшість пророкувань збулась ще за життя великого вченого. А фізик Мозелі, спираючись на суворі фізичні закономірності, заявив про існування елементу, про який, здавалося б, таблиця Менделєєва нічого не могла повідомити.

Вся справа в тому, що таємничий «незнайомець» належав до дивовижного сімейства рідкісноземельних елементів.

НАЙЗАГАДКОВІШІ ЕЛЕМЕНТИ

Так про них можна була б сказати в довіднику «Найвищий ступінь». Їх історія – чи не найскладніша і заплутана у всій неорганічної хімії. Відомий цікавий список помилкових відкриттів хімічних елементів. Він містить близько двохсот найменувань. Приблизно сотня з них припадає саме на область рідкоземельних елементів. І все тому, що ці елементи надзвичайно схожі один на одного. Навіть подібні елементи групи заліза – залізо, кобальт і нікель – здаються по відношенню один до одного далекими родичами в порівнянні з рідкоземельними братами-близнюками.

Щоб «розлучити» цих братів, які в природних мінералах тримаються завжди разом, було потрібно багато місяців наполегливої роботи – тисячі одноманітних хімічних операцій. Не дивно, що навіть великі хіміки нерідко опинялися в глухому куті. Часто-густо суміш відомих рідкоземельних елементів брали за один новий, і список хибних відкриттів поповнювався, а то раптом давно визнаний елемент опинявся сумішшю. Так було з Дідимом, з якого вчені послідовно виділили самарій, гадоліній, празеодім і неодим. Ніхто не міг точно сказати, скільки ж всього «близнюків» на світі, ніхто не брався пояснити, чому настільки схожі їхні властивості, і спроби розмістити їх у таблиці Менделєєва терпіли невдачі. Довгі десятиліття тривала смутна епоха в області рідкоземельних елементів. «Істина тонула в морі помилок», – сказав з цього приводу французький хімік Урбен.

Так про які ж передбачення невідомих елементів тут могла йти мова? Коли Менделєєв пророкував існування і властивості ека-бору, ека-алюмінію і ека-силіцію, він виходив з прекрасного знання властивостей їхніх сусідів по групі і по періоду таблиці. В рідкоземельному ж сімействі навіть сама послідовність розташування елементів була неясною.

Вона остаточно визначилася лише після робіт Мозелі. Дещо пізніше датський фізик Нільс Бор пояснив, чому рідкоземельні елементи так схожі один на одного. Вся справа полягає в своєрідній електронній структурі їх атомів. Порядковий номер елемента зростає з кількістю електронів на його оболонках. Так от, у рідкоземельних елементів, починаючи з церію і кінчаючи лютецієм, електрони додаються не на зовнішню оболонку, як у решти, а в третю зовні електронну оболонку. Зовнішні дві оболонки залишаються незмінними, але ж саме зовнішні електронні оболонки в основному визначають хімічні властивості елементів. Ось в чому полягає причина загадкової подібності рідкісних земель.

«ПЕРШИЙ ЕЛЕМЕНТ АМЕРИКАНСЬКОГО КОНТИНЕНТА»

У відкритті хімічних елементів Новому світу явно не пощастило. Всі 86 елементів, виявлених до двадцятих років минулого сторіччя (виключаючи відомі з глибокої давнини), були знайдені європейськими вченими. Тому відкриття в 1926 році хіміками Іллінойського університету в Чикаго Гопкінсом, Інтемом і Гаррісом шістдесят першого елементу американський науковий світ сприйняв з особливою радістю.

Починаючи з 1913 року дослідники різних країн починали пошуки невловимого представника рідкоземельного сімейства. Здавалося дивним, чому він не був знайдений раніше. Справді, елементи першої половини сімейства – церієві (від лантану до гадолінію), як довели геохіміки, поширені в природі більш, ніж ітрієві (від тербія до лютеція). Між тим, всі ітрієві елементи були вже відомі, а в ряду церієвих зяяло порожнє місце між неодимом і самарієм. Залишалося припустити, що шістдесят перший міститься в земній корі в дуже малих кількостях в порівнянні зі своїми побратимами. Таке припущення зумовило і вибір методу дослідження. Іллінойські хіміки не тримали в руках ані міліграма нового елемента; вони зробили висновок про його існування на підставі рентгенівських та оптичних спектрів.

Новонароджений отримав ім’я «Іллін», і ентузіасти відкриття поспішили помістити символ II в шістдесят першу клітину періодичної системи. Але незабаром відшукався інший претендент на довго пустуючу «житлоплощу». Він мав символ F1 і називався Флоренцій. Його «батьками» були два італійця – Ролла і Фернандес. За їх словами, вони на два роки раніше Іллінойських колег знайшли шістдесят перший елемент, але відомості про досягнуті результати до пори до часу вирішили не опубліковувати. Статтю про відкриття вони помістили «в закритий конверт» (plico suggelato) і здали на зберігання в знамениту флорентійську Академію.

Якщо різні люди різними шляхами приходять до одного і того ж результату, – чи це не вагомий доказ його істинності. Американські та італійські хіміки могли тільки радіти. А суперечка про пріоритет, – адже вона часто неминуча в науці. І нікому з відкривачів шістдесят першого елемента не приходило в голову, що вже через короткий час ця суперечка буде поділом шкури невбитого ведмедя.

ПОДРУЖЖЯ НОДДАК ПРОТИ ШТАТУ ІЛЛІНОЙС

Поки ентузіасти «ставили» в шістдесят першій клітині таблиці Менделєєва символ II, знайшлися прискіпливі і нещадні скептики. Першим з них був німецький хімік Прандтль. Він кілька років займався «ловом невловимого». Ретельність його експериментів не вселяла ніяких сумнівів. Але навіть натяку на виявлення шістдесят першого елементу він не отримав.

У 1926 році за справу взялося подружжя Іда і Вальтер Ноддак. Вони щойно відкрили два нові елементи – мазур і ренін, сорок третій, та сімдесят п’ятий за таблицею Менделєєва. (Правда, перший з них незабаром поповнив список помилкових відкриттів). Успіх окрилює, і Ноддак поставили своєю метою заповнити «прогалину» між неодимом і самарієм. П’ятнадцять різних препаратів піддали вони дослідженню всіма можливими методами, п’ятнадцять препаратів, в яких передбачалася присутність Ілліна. Ні багато ні мало – цілий центнер рідкоземельних мінералів переробили вони в пошуках нового елемента і не виявили нічого. Ноддак заявили: якби дані американських хіміків відповідали дійсності, вони (Ноддак) неминуче виділили б іллін. Будь цей елемент навіть в 10 мільйонів разів більш рідкісним, ніж неодим і самарій, їм вдалося б його виявити.

Значить, одне з двох: або шістдесят перший воістину унікально рідкісний і існуючі методи дослідження недостатньо точні, щоб розгледіти його «сліди», або цей елемент шукали не там, де треба.

Геохіміки заперечили проти першого припущення. Рідкоземельні елементи містяться в природі в більш-менш подібних кількостях. Важко припускати – і немає на то підстав, – що іллін виявиться незвичайним винятком.

Але геохіміки ж радили пошукати іллін в мінералах кальцію і стронцію. І ось чому: всі рідкоземельні елементи, як правило, тривалентні, але деякі з них можуть проявляти валентність, рівну чотирьом або двом. Такий, наприклад, европій; він досить охоче утворює двовалентні іони. За розміром вони близькі до іонів кальцію і стронцію і можуть заміщати їх у відповідних лужноземельних мінералах. Бути може, у ілліна ця здатність виражена ще сильніше і його вдасться виявити в якому-небудь рідкісному природному з’єднанні стронцію. Гіпотеза нашаровувалася на гіпотезу, одне недомовлене припущення базувалося на іншому.

Подружжя Ноддак досліджували кілька лужноземельних мінералів. На жаль, успіх і на сей раз не супроводжував іх.

ВИМЕРЛИЙ ЕЛЕМЕНТ!

І ось Іді Ноддак приходить в голову вельми цікава думка. А що, якщо елемент 61 радіоактивний і його період напіврозпаду дуже малий? Тоді іллін повинен був розпастися в ранні геологічні епохи існування Землі, він попросту вимерлий елемент.

Але де докази? Адже радіоактивність – «уділ» важких елементів кінця періодичної системи. Правда, вчені давно помітили, що калій і рубідій – легкі елементи – слабо радіоактивні. Однак нестійкі у них не всі, а лише окремі ізотопи, і мають ці ізотопи астрономічно великі періоди напіврозпаду – більше 10 мільярдів років. Планета Земля існує «на світі» менше. Значить, якщо послідувати припущенням Ноддак, доведеться зробити два неймовірних допущення: іллін, елемент середини таблиці Менделєєва, не має жодного стійкого ізотопу, а періоди напіврозпаду нестійких ізотопів набагато менше віку Землі.

У ті часи тільки фантасти могли дозволити собі подібну розкіш. Але немає іншої науки, яка настільки сміливо перетворювала б фантазії в реальність, як теоретична фізика. Їй-то і довелося розкрити «конверт», де природа надійно позапечатувала шістдесят перший елемент. Коли це сталося, вчені засмучено розвели руками. «Конверт» виявився порожнім … Елемент зник.

ТАК. ЗНИК!

Що таке ізобари? Куди більш знайомо слово «ізотопи». Ізотопи – це різновиди одного і того ж елемента, у яких масові числа (суми кількості протонів і нейтронів в атомному ядрі) різні. Природні ізотопи урану мають масові числа 235 і 238; заряд ядра (число протонів) однаковий – 92, а число нейтронів різне-143 і 146. Ізотопи елемента завжди різняться саме за кількістю нейтронів в їх ядрах. А якщо два ізотопи різних елементів будуть мати однакові масові числа? Ось, скажімо, калій-40 і аргон-40. Кількість протонів в їх ядрах різна, але суми числа протонів і числа нейтронів рівні. Ізотопи різних елементів з однаковими масовими числами називаються ізобарами.

Німецький фізик Маттаух в 1934 році помітив важливу закономірність: якщо заряди ядер двох ізобар розрізняються на одиницю, один з них повинен бути радіоактивним. Наприклад, в парі ізобар аргон-40 і калій-40 другий ізотоп повинен бути нестійкий. Так воно і є.

«Сусідами» шістдесят першого елементу є неодим і самарій. Якщо виписати масові числа їх природних ізотопів, то виявиться, що, яке б можливе масове число ми не приписали ізотопу ілліну, він буде в ізобарах з відповідним ізотопом одного зі своїх сусідів. Неодім і самарій мають стабільні ізотопи з масовими числами від 142 до 154. Будь-який ізотоп шістдесят першого елементу з масовим числом в цих межах повинен бути радіоактивний.

Іда Ноддак виявилася права. Мабуть, в розпорядженні природи шістдесят першого елементу не малося.

Далі буде.

Автор: Д. Трифонов.