Как были открыты химические элементы

Почему именно он оказался первым? Прежде всего потому, что не вызывал трудностей выбор мишени и бомбардирующей частицы. Материалом мишени мог служить молибден, который в то время уже умели приготовлять в достаточно чистом состоянии. Бомбардирующими снарядами могли быть нейтроны и дейтроны, причем дейтроны можно было разгонять на существующих ускорителях. Вот почему открытие технеция положило начало эпохе синтезированных элементов.

С прометием дело усложнилось тем, что он принадлежал к редкоземельному семейству, и в данном случае основные трудности коренились в определении его химической природы.

А вот по отношению к элементам № 85 и 87 задача представлялась куда более сложной. Для того чтобы попытаться получить экаиод, ученые могли располагать лишь одним вариантом для мишени — элементом висмутом с порядковым номером 83; столь же однозначным был и выбор бомбардирующего агента (?-частиц). Нельзя было использовать предшествующий экаиоду полоний в качестве мишени. Не годились и элементы, стоящие в периодической системе перед висмутом (от них никак нельзя было дотянуться до восемьдесят пятого, ибо отсутствовали необходимые снаряды).

Экацезий вообще представлялся недоступным искусственному синтезу. Чтобы его синтезировать, в 30-х годах отсутствовали подходящие мишени и снаряды. Но таковы бывают зигзаги в истории науки, что именно восемьдесят седьмой стал вторым после технеция достоверно открытым элементом из четверки отсутствовавших элементов в старых границах периодической системы.

И вот наступает момент, когда линии экаиода и экацезия, так долго тянувшиеся параллельно, на определенное время расходятся, и истинную историю открытия этих элементов целесообразно рассмотреть по отдельности.

Авторами синтеза элемента № 85 стали ученые, работавшие в Беркли (США), — Дж. Корсон, К. Маккензи и Э. Сегре. Итальянский физик Э. Сегре к этому времени переселился в США и среди группы исследователей был единственным, кто уже принимал участие в искусственном получении нового элемента — технеция. Эти авторы 16 июля 1940 г. отправили в крупнейший физический журнал «Physical Review» большую статью, озаглавленную «Искусственно радиоактивный элемент 85». В ней они описали, как в результате бомбардировки висмутовой мишени потоком ?-частиц, ускоренных на циклотроне, им удалось получить радиоактивный продукт в соответствии с ядерной реакцией

. По всей вероятности, он являлся изотопом экаиода с периодом полураспада 7,5 ч и массовым числом 211. Э. Сегре и его коллеги провели искусные химические эксперименты с ничтожными количествами нового элемента и убедились, что он похож на иод и обнаруживает слабые металлические свойства.

Исследование было достаточно убедительным. Однако новый элемент пока оставался безымянным. Кроме того, дальнейшие работы над экаиодом пришлось отложить в связи с началом войны. Лишь в 1947 г. искусственное получение восемьдесят пятого снова встало на повестку дня, и те же трое ученых объявили о синтезе другого изотопа с массовым числом 210. Его период полураспада был немногим больше — всего 8,3 ч. Как оказалось потом, это самый долгоживущий изотоп элемента № 85. И способ его получения был аналогичным. Только ученые несколько увеличили энергию бомбардирующих ?-частиц. В результате из образующегося составного промежуточного ядра (²⁰⁹Bi+?) вылетало не два, а три нейтрона, и потому массовое число изотопа становилось на единицу меньшим. Только теперь решили дать название новому элементу — «астатин», от греческого слова, означающего «неустойчивый». В отечественной литературе ныне принято название «астат» (символ At).

Но в промежутке между синтезами изотопов ²¹¹At и ²¹⁰At произошло замечательное событие. Ученые из Венского радиевого института Б. Карлик и Т. Бернерт сумели доказать существование астата в природе. Это была поистине филигранная работа, находившаяся на грани возможностей техники радиометрических измерений. И она увенчалась успехом, а элемент № 85 обрел тем самым свое второе рождение. И так же как в случае технеция и прометия, можно говорить о двух самостоятельных датах в истории знакомства с астатом — дате синтеза (1940) и дате обнаружения в природе (1943).

Но к тому времени, когда Э. Сегре и его коллеги готовились приступить к облучению мишени из висмута ?-частицами, прошло уже больше года, как научный мир узнал об открытии экацезия. В «Докладах Парижской Академии наук» помеченная датой 9 января 1939 г. появилась статья под названием: «Элемент 87: АсK, производящийся от актиния». Ее автором была Маргарита Перей, сотрудница маститого радиохимика А. Дебьерна, который четырьмя десятилетиями раньше заявил об открытии актиния.

Она не изобретала никаких принципиально новых методов и не строила туманных и глубокомысленных умозаключений относительно возможных источников экацезия в природе. В 1938 г. ей попала в руки статья 1914 г. Под статьей стояли фамилии венских химиков С. Мейера, Г. Гесса и Ф. Панета. И М. Перей задалась целью доказать их правоту. В ее руках тщательно очищенный образец изотопа актиний-227. Он интенсивно испускает электроны, но в этом электронном потоке нет-нет да и промелькнут ?-частицы. Каждая такая частица пробегает в воздухе 3,5 см. И протактиний здесь ни при чем: исследовательница позаботилась о чистоте препарата актиния. Коль скоро испускаются ?-частицы, то в препарате этом должен постоянно накапливаться изотоп экацезия с массовым числом 223. Эксперименты следуют один за другим. Да, вне всякого сомнения, в актиниевом образце действительно накапливается нечто, и это нечто имеет период полураспада, равный 21 мин. Теперь химические реактивы должны подтвердить, что нечто — новый элемент. Выясняется, что свойства подобны свойствам цезия.

М. Перей назвала новорожденный элемент в честь своей родины. Он стал называться францием. Лишь в течение короткого времени его именовали актинием K (АсK), и то была дань старой терминологии, применяющейся для обозначения радиоэлементов.

Первая характеристика, которую составила М. Перей на новорожденный элемент, была предельно краткой: образуется при ?-распаде актиния-227:

испускает ?-частицы с периодом полураспада около 21 мин. Затем в течение нескольких месяцев М. Перей изучала химическую природу франция, и ей удалось убедительно показать, что он во всем похож на цезий.

Ни один из естественных радиоактивных элементов не имеет столь малой продолжительности жизни; даже долговечность восемьдесят пятого, искусственно полученного, все же измеряется часами. Можно было надеяться на лучшее: вдруг удастся обнаружить природные изотопы франция с бoльшими периодами полураспада. Но франций-223 фактически оказался единственным изотопом элемента, существующим на Земле.

В таком случае приходилось рассчитывать лишь на синтез. Но этот путь был очень трудным. Лишь спустя более десятка лет после успеха М. Перей ученые освоили методы искусственного получения изотопов франция. Вот сокращенная запись ядерной реакции образования изотопа франция с массовым числом 212:

Этот метод называется расщеплением ядер урана быстрыми протонами, разогнанными на ускорителе до очень больших скоростей. Ударяя в урановое ядро, такой высокоэнергичный протон производит в нем своеобразный взрыв, в результате которого выбрасывается целый сонм частиц — шесть протонов и двадцать один нейтрон. Конечно, такая реакция осуществляется не вслепую, а основана на тщательных теоретических расчетах. Вместо урана может быть использован и торий. Продукт этой реакции — франций-212 — одно время считался самым долгоживущим изотопом (с T _1/2 =23 мин), но впоследствии это значение уточнили, и оно оказалось равным 19 мин.

Получить франций искусственно — путь гораздо более сложный и менее надежный, чем извлечение элемента в качестве продукта распада природного актиния. Но ведь актиний тоже редко встречается в природе. Как же быть? В наши дни ученые облучают основной изотоп радия с массовым числом 226 (с Т _1/2 =1622 года) быстрыми нейтронами. Поглотив нейтрон, ²²⁶Ra превращается в ²²⁷Ra, живущий около 40 мин. В ходе его распада накапливается чистый актиний-227, в результате ?-распада которого образуется франций-223.