Как были открыты химические элементы

В этом свете дата «18 июля 1898 г.» выглядит лишь как предварительная в истории открытия полония, ибо элементу еще долго придется бороться за свое утверждение. Изучать полоний мешала сильная активность его излучения. Оказалось, что она обусловлена исключительно ?-частицами, а ?-лучи и ?-лучи отсутствовали совершенно. Удивительным казалось, что активность полония уменьшается с течением времени, притом довольно заметно: ведь этой особенности не наблюдалось у тория и урана. Поэтому кое-кто из ученых вообще поставил под сомнение существование полония. Это самый обычный висмут, в котором содержатся ничтожные примеси радиоактивных веществ, полагали скептики.

Но в 1902 г. немецкий химик В. Марквальд из двух тонн урановой руды выделил висмутовую фракцию. Поместив в раствор хлорида висмута висмутовый стержень, В. Марквальд наблюдал, что на нем отлагается сильно радиоактивное вещество, которое он принял за новый элемент и назвал радиотеллуром. Позже он в таких словах вспоминал об этом событии: «Я назвал это вещество „радиотеллуром“ временно, поскольку все химические свойства требовали того, чтобы его поместить в шестой группе на еще не занятое место элемента с несколько бoльшим атомным весом, чем вес висмута… Элемент является более электроотрицательным, чем висмут, но более электроположительным, чем теллур; также его окись должна иметь скорее основные, чем кислотные свойства. Все это соответствует радиотеллуру… Для этого вещества можно было бы ожидать атомный вес около 210» [11] . А еще позднее В. Марквальд прямо подчеркивал, что путь для выделения полония ему подсказала периодическая система.

11

Цит. по кн.: Вяльцев А. Н., Кривомазов А. Н., Трифонов Д. Н. Правило сдвига и явление изотопии. М., 1976, с. 120.

Что же касается прежнего полония, то В. Марквальд поспешил объявить его смесью нескольких радиоэлементов. Создавшаяся ситуация вызвала оживленную дискуссию по поводу действительной природы полония и радиотеллура. Большинство ученых выступали в поддержку М. и П. Кюри. Последующее сопоставление обоих элементов привело к выводу об их идентичности. Приоритет остался за супругами Кюри, равно как сохранилось и название «полоний».

Хотя полоний был первым из новых естественных радиоэлементов, его символ Ро долгое время не располагался в соответствующей клетке периодической системы Д. И. Менделеева. Очень трудно было измерить атомную массу элемента. В 1910 г. удалось достоверно установить линии, принадлежащие спектру полония. Лишь в 1912 г. символ Ро занял, наконец, принадлежащее ему место в периодической системе.

Почти полвека ученые могли работать лишь с теми или иными количествами (чаще весьма малыми) его соединений. Только в 1946 г. удалось получить чистый металл. Плотные слои металлического полония, приготовленные методом возгонки в вакууме, имеют серебристый цвет. Полоний — металл мягкий и легкоплавкий (темп. пл. 254°C, темп. кип. 962°C); его плотность близка к 9,3 г/см³. При нагревании на воздухе легко образует прочный оксид, его основные и кислотные свойства проявляются слабо. Гидрид полония неустойчив. Полоний образует металлоорганические соединения и сплавы со многими металлами (Pb, Hg, Са, Zn, Na, Pt, Ag, Ni, Be). Сравнивая эти современные данные с предсказаниями Д. И. Менделеева, легко убедиться, насколько ученый был недалек от истины.

РАДИЙ

В ходе анализа смоляной обманки супруги М. и П. Кюри и Ж. Бемон заметили, что наряду с висмутовой еще одна фракция проявляет повышенную активность. После успешного окончания опытов по выделению полония они начали исследовать и эту фракцию, полагая, что она также может содержать неизвестный радиоактивный элемент.

Днем рождения радия (так был назван новый элемент, — от латинского слова, означающего «испускаю лучи») стало 26 декабря, когда собравшиеся на заседание члены Парижской Академии наук услышали доклад под названием «О новом сильнорадиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке». Ученые сообщали, что им удалось выделить из урановых отходов вещество, которое содержит новый элемент, по своим свойствам очень похожий на барий. Количество радия, содержащегося в хлориде бария, оказалось достаточным для определения его спектра. Это сделал известный французский спектроскопист Э. Демарсе. Он установил присутствие новой спектральной линии. Так существование нового радиоактивного элемента радия было подтверждено почти одновременно двумя методами: радиометрическим и спектральным.

Из всех природных радиоактивных элементов (торий и уран, по понятным причинам, не в счет) радий сразу оказался в выгодном положении. Это объяснялось многими обстоятельствами. Как вскоре выяснилось, период полураспада радия был довольно велик — 1600 лет. По сравнению с полонием его содержание в урановых рудах гораздо выше (в 4300 раз); это создавало условия для естественного накопления радия. Далее, радий достаточно интенсивно испускал а-лучи, поэтому легко было контролировать его поведение в различных химических операциях. И была у него, наконец, та особенность, что он испускал радиоактивный газ, называемый эманацией (см. с. 153 ). Удачное сочетание различных свойств сделало радий удобным объектом изучения, и благодаря этому он стал первым радиоактивным элементом (опять же, исключая уран и торий), который вскоре и навсегда нашел свое место в периодической системе. Во-первых, химические и спектральные исследования радия показали, что он по всем статьям принадлежит к подгруппе щелочноземельных металлов; во-вторых, удалось достаточно точно определить его относительную атомную массу. Для этого потребовалось получить препарат радия в весовых количествах.

В течение 45 месяцев в плохо оборудованной лаборатории, не считаясь со временем, М. и П. Кюри перерабатывали тонны отходов, оставшихся после выделения урана. Отходы были получены ими из Иоахимстальских заводов в Богемии. Около десяти тысяч дробных кристаллизаций пришлось провести ученым, чтобы отделить сопутствующие радию элементы. В итоге же они стали обладателями бесценного сокровища — 0,1 г хлорида радия. История науки еще не видела примера такого подвижнического труда. Этого количества хватило, чтобы 28 марта 1902 г. М. Кюри смогла заявить: относительная атомная масса радия равна 225,9 (значение, мало отличающееся от современного 226,02). Эта величина как раз отвечала предполагаемому месту радия в периодической системе.

Открытие радия оказалось самым достоверным на фоне открытий большого числа радиоэлементов — открытий, которые не замедлили произойти. С каждым годом их становилось все больше. И радий же оказался самым первым радиоактивным элементом, который удалось получить в виде металла.

М. Кюри со своим сотрудником А. Дебьерном произвела электролиз раствора, содержащего 0,106 г хлорида радия. Металлический радий осаждался на ртутном катоде и превращался в амальгаму. Ее помещали в железную лодочку и нагревали в струе водорода с целью отогнать амальгаму. После этого на дне лодочки заблестели крупинки серебристо-белого металла.

Событие, происшедшее в 1910 г., стало одним из величайших достижений науки. Изучение радия способствовало коренному пересмотру прежних представлений о свойствах и строении материи, возникновению понятия об атомной энергии. И наконец, радий стал опять же первым радиоактивным элементом, который нашел практическое применение (например, в медицине).

АКТИНИЙ

Только ли случай способствовал тому, что первыми ласточками среди новых радиоактивных элементов стали полоний и радий? Едва ли. Радий благодаря своему большому периоду полураспада способен накапливаться в урановых рудах. Полоний короткоживущ (138 дней), но обладает энергичным и характерным ?-излучением. Хотя открытие полония и вызвало споры, все-таки все быстро встало на свои места.

Третьим в перечне успехов молодой пауки о радиоактивности оказался актиний. Вскоре после открытия радия М. и П. Кюри высказали предположение, что в урановой руде могут скрываться и другие, еще неизвестные радиоактивные элементы. Проверить это они поручили своему сотруднику А. Дебьерну.

Исходным сырьем А. Дебьерну послужили несколько сот килограммов руды. В течение нескольких месяцев он выделял из нее «активное начало». После того как были отделены уран, радий, полоний, осталось немного вещества, активность которого значительно превосходила (примерно в 100 000 раз) активность урана. Первоначально А. Дебьерн сделал вывод, что носитель активности похож на титан по своим химическим свойствам. Затем он отверг эту аналогию и предположил сходство с торием. После этого А. Дебьерн весной 1899 г. провозгласил открытие нового элемента, предложив для него название «актиний». Оно происходило от греческого слова, означающего «излучение».

Дата 1899 г. вошла во все учебники, справочники, монографии и энциклопедии — словом, всюду, где в тексте упоминается об открытии актиния. Но в действительности заявлять, что А. Дебьерн открыл в этом году новый радиоактивный элемент — актиний, — значит, закрывать глаза на явные несоответствия.

Настоящий актиний мало чем похож на торий, но не это химическое различие является аргументом против открытия актиния А. Дебьерном. Главное возражение состоит вот в чем. А. Дебьерн полагал, что его актиний ?-активен и в 100 000 раз интенсивнее урана испускает ?-частицы. Теперь известно, что актиний — мягкий ?-излучатель, т. е. он испускает ?-частицы невысокой энергии, и зафиксировать их не так-то просто. А. Дебьерну же с его примитивной радиометрической техникой, это вообще было не под силу.