О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

Появления на свет элемента № 87 (а именно под этим номером значится франций в таблице элементов) химики всего мира ждали долго — без малого семь десятилетий. Дело в том, что Д. И. Менделеев, воздвигая стройное здание своей периодической системы, не всегда имел «под рукой» подходящий «строительный» материал, и поэтому многие клетки таблицы остались пустыми. Но гениальный ученый понимал, что эти пустоты — дело временное: соответствующие им «кирпичики» должны существовать в природе, но пока они ухитряются оставаться незамеченными. Менделеев не только указал будущее «местожительство» ряда элементов, но и с большой точностью предсказал физические и химические свойства этих незнакомцев.

Жизнь вскоре подтвердила блестящий прогноз ученого: в 1875 году был открыт галлий (Менделеев называл его эка-алюминием, справедливо полагая, что по свойствам он будет похож на своего соседа сверху по таблице элементов), в 1879 году-скандий (эка-бор), а в 1886 году-германий (эка-силиций).

В статье «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов», опубликованной в 1871 году, Менделеев писал: «Затем в десятом ряду можно ждать еще основных элементов, принадлежащих к I, II и III группам. Первый из них должен образовывать окисел R2O, второй-RO, а третий — R2O3; первый будет сходен с цезием, второй — с барием, а все их окиси должны обладать, конечно, характером самых энергичных оснований».

Шли годы, науке становились известны все новые и новые элементы, но клетка с номером 87, забронированная за эка-цезием, продолжало пустовать, несмотря на многочисленные попытки ученых ряда стран разыскать ее законного хозяина. И хотя ему удавалось ускользнуть от пытливого взора исследователей, многие его свойства, определяемые «географическим положением» в периодической системе, уже были известны науке.

Так, не вызывало сомнений, что элемент № 87 должен быть надежным хранителем щелочных «традиций», крепнущих от лития к цезию. Этим обусловливалась прежде всего его высокая реакционная способность (выше, чем у цезия), по «вине» которой он мог присутствовать в природе лишь в виде солей, обладающих большей растворимостью, чем у всех других солей щелочных металлов. Поскольку от лития к цезию падала температура плавления (от 180,5 до 28,5 °C), резонно было полагать, что эка-цезий в обычных условиях должен подобно ртути, находиться в жидком состоянии. Для щелочных металлов (кроме лития) характерна еще одна закономерность: чем больше массовое число элемента (т. е. чем ниже он расположен в периодической таблице), тем меньше его содержится в земной коре. Если учесть, что уже на долю цезия в природе приходится совсем немного атомов, то расположенный под ним элемент № 87 мог и вовсе оказаться редчайшим из редких. Наконец, радиоактивные «наклонности» его соседей справа (о которых упоминал в статье Менделеев) — открытых в конце XIX века радия и актиния позволяли утверждать, что и эка-цезий должен обладать радиоактивностью.

Свойства элемента № 87 определили два основных направления поиска: одни ученые рассчитывали найти его в минералах щелочных металлов или в богатых ими водах минеральных источников и морей; другие предпочитали вести розыск на радиоактивных тропах, надеясь найти эка-цезий среди продуктов распада соседних с ним элементов.

В 1913 году английский радиохимик Дж. Крэнстон сообщил, что он заметил у одного из изотопов актиния слабое альфа-излучение (наряду с характерным для этого изотопа бета-излучением). Ученый предполагал, что при этом может образоваться изотоп элемента № 87. Спустя год сходные результаты были получены австрийскими радиохимиками Мейером, Гессом и Панетом, обнаружившими при опытах с изотопом актиния «незваные» альфа-частицы. «Эти частицы образуются при альфа-распаде обычно бета-активного 227Ас», — писали они… «продуктом распада должен быть изотоп элемента 87». Но предположение — еще не научный факт, тем более, что для сомнений было немало оснований: во-первых, замеченное альфа-излучение было настолько слабым, что не выходило за пределы возможных погрешностей эксперимента: во-вторых, исследуемый препарат актиния вполне мог содержать примеси «проживающего» рядом протактиния, который способен излучать альфа-частицы и потому мог легко ввести ученых в заблуждение. Хотя эти исследователи, как выяснилось позднее, находились на правильном пути, до открытия элемента № 87 было еще далеко — этого события оставалось ждать ровно четверть века…

В 1925 году англичанин И. Фриенд решил отправиться в Палестину, намереваясь изучить воды Мертвого моря, богатые щелочными металлами. «Уже несколько лет назад, — писал он, — мне пришло в голову, что если эка-цезий способен к постоянному существованию, то его можно будет найти в Мертвом море». Что ж, идея эта не лишена была смысла, но сколько ни пытался ученый обнаружить рентгеноспектральным анализом хотя бы следы элемента № 87, желаемых результатов он так и не добился.

К помощи спектроскопа прибегали и многие другие исследователи: ведь именно он помог открыть рубидий и цезий — ближайших родственников элемента № 87 по щелочному семейству. Не только концентраты морских солей, но и крупицы редчайших минералов, зола грибов и пепел сигар, сожженный сахар и кости ископаемых животных — казалось бы, все потенциальные обладатели атомов эка-цезия представали перед объективом спектроскопа, но прибор всякий раз огорчал экспериментаторов.

Однако у ученых, искавших эка-цезий, были не только огорчения, но и радости, часто, правда, преждевременные: некоторые их «открытия», ярко блеснув поначалу, оказывались на поверку ошибочными и потому быстро «закрывались». Так, в 1926 году в печати, появилось сообщение английских химиков Дж. Дрюса и Ф. Лоринга о том, что они якобы наблюдали линии 87-го элемента на рентгенограммах сульфата марганца и дали ему название алкалиний. Через три года американский физик Ф. Аллисон опубликовал данные своих магнитооптических исследований, позволивших ему, как он полагал, обнаружить следы разыскиваемого элемента в редких минералах щелочных металлов — самарските, поллуците и лепидолите. В честь своего родного штата ученый предлагал назвать 87-й виргинием. В 1931 году его соотечественникам Дж. Пэпишу и Э. Вайнеру вроде бы удалось спектроскопическим методом подтвердить наличие линий виргиния в самарските, но вскоре выяснилось, что причиной появления незнакомых линий был дефект кальцитового кристалла, установленного в спектроскопе, которым пользовались ученые.

В 1937 году румынский химик Г. Хулубей заявил, что эка-цезий найден им в поллуците, и предложил именовать новый элемент молдавием. Но ни алкалинию, ни виргинию, ни молдавию не довелось занять вакантную клетку в левом нижнем углу периодической таблицы.

Продолжали поиски и сторонники радиоактивного направления. Еще в 1925 году одесский химик Д. Добросердов высказал на страницах «Украинского химического журнала» соображения о физических и химических свойствах эка-цезия, подчеркнув, в частности, что он «непременно должен быть весьма радиоактивным элементом». Но ученый при этом ошибочно предположил, что радиоактивность калия и рубидия обусловлена примесями 87-го элемента, который он предлагал назвать руссием, если честь открытия выпадет на долю русских ученых.

Годом позже интересные результаты удалось получить известным радиохимикам О. Гану (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия). Тщательное исследование радиоактивных рядов некоторых изотопов актиния показало, что при альфа-распаде одного из них образуется изотоп эка-цезия. правда, из каждого миллиона атомов исходного вещества можно полнить лишь несколько атомов 87-го элемента.

Такова была ситуация в науке к 1938 году, когда в поиски эка-цезия включилась Маргерит Перэ — сотрудница парижского Института радия, ученица Марии Склодовской-Кюри. Прежде всего Перэ решила повторить уже к тому времени давние эксперименты Мейера, Гесса и Панета. Недаром говорят, что часто в науке «новое-это хорошо забытое старое». Подтверждением этого может служить история открытия элемента № 87.

Проделав опыты, Перэ, подобно своим предшественникам, обнаружила присутствие тех же альфа-частиц. Необходимо было доказать, что их источником являются не примеси протактиния, а актиний. Проведя поистине ювелирную очистку актиния от всех возможных примесей и «дочерних продуктов» (т. е. продуктов его радиоактивного распада), а затем исследовав полученный чистейший препарат актиния, Перэ выяснила, что изотоп этого элемента с массовым числом 227 имеет «радиоактивную вилку», или, иначе говоря, способен распадаться по двум направлениям — с излучением бета- и альфа-частиц. Правда, «зубья» у этой вилки оказались далеко не одинаковыми: лишь в 12 случаях из тысячи ядра актиния испускали альфа-частицы, во всех же остальных случаях они излучали бета-частицы (т. е. электроны), превращаясь в ядра изотопа тория. Ну, а что же происходило при альфа-излучении?

Расчет показывал, что, выбросив альфа-частицу (т. е. ядро гелия), ядро изотопа актиния «худело» ровно настолько, чтобы стать не чем иным, как ядром изотопа 87-го элемента. Действительно, в результате опытов появлялся продукт распада актиния со свойствами тяжелого щелочного радиоактивного металла. Это и был никогда прежде не зафиксированный в природе долгожданный эка-цезий, точнее, его изотоп с массовым числом 223. Так в 1939 году был открыт один из последних доурановых элементов. В честь своей родины Перэ назвала его францием.

Почему же так долго франций оставался неуловимым для ученых всего мира? Прежде всего потому, что из всех химических элементов (исключая трансурановые) франций — самый неустойчивый. Период полураспада его наиболее долгоживущего изотопа (который и был обнаружен в опытах Перэ) — всего 22 минуты. Мудрено ли, что при такой «продолжительности жизни» на Земле практически нет не только ощутимых запасов этого элемента, но и мизерных его следов? Впрочем, кое-что все же есть. Пользуясь законом радиоактивного распада, специалисты подсчитали, что из 5976 * 1018 тонн земного вещества на долю франция приходится… чуть больше 500 граммов. Вот почему найти в природе хотя бы крупицу этого элемента неизмеримо сложнее, чем отыскать иголку в стоге сена. И тем не менее сегодня ученым точно известны многие физические и химические свойства франция. Как же удалось их определить?