Как были открыты химические элементы

Трифонов Дмитрий Николаевич

Историю открытия двух радиоактивных элементов, существующих в природе, — урана и тория — мы уже описали на с. 56 и 89 . Содержание этих элементов в земных минералах достаточно велико, чтобы обнаружить их присутствие без особого труда химико-аналитическим методом. Другие естественные радиоактивные элементы (полоний, радон, радий, актиний, протактиний) относятся к числу наименее распространенных на Земле. Да и встречаются они в природных объектах потому, что являются продуктами радиоактивных превращений урана и тория.

Ни химико-аналитическим, ни спектроскопическим методом перечисленные элементы конца менделеевской системы не могли быть обнаружены. Они содержались всюду, где встречались уран и торий. Все вместе в одних и тех

же минералах. Но ни разу у ученых не возникало и тени подозрений, что в уране и тории присутствуют какие-то примеси. Примеси-то всегда содержались, но в количествах слишком ничтожных, чтобы поколебать чашку весов или вызвать новую спектральную линию.

Лишь благодаря открытию нового физического явления, названного радиоактивностью, ученые получили в руки метод, позволивший расширить пределы знаний о строении и свойствах вещества, а также значительно увеличить число химических элементов, охватываемых периодической системой. Уже на заре изучения этого явления было установлено, что существуют три вида излучения: ?-лучи (поток ядер атомов гелия, несущих два положительных заряда), ?-лучи (поток электронов с единичным отрицательным зарядом) и ?-лучи (это действительно лучи, похожие на рентгеновские).

Характерной величиной для каждого радиоактивного элемента является период полураспада, т. е. время, за которое испытывает радиоактивное превращение половина первоначального количества вещества.

ПОЛОНИЙ

Полоний был первым природным радиоактивным элементом, открытым радиометрическим методом. Еще в 1870 г. его важнейшие свойства предсказал Д. И. Менделеев. «Среди тяжелых металлов, — писал он, — можно ожидать элемента, аналогичного теллуру и с атомным весом больше, чем у висмута. Он должен обладать металлическими свойствами, давать кислоту, по составу и свойствам сходную с серной, с окислительной способностью более сильной, чем у теллуровой кислоты… Для оксида RO₂ уже нельзя ожидать кислотных свойств, которые еще наблюдаются в теллуристой кислоте. Этот элемент будет образовывать металлоорганические соединения; водородистые соединения у него не будут существовать…» [10] .

10

Менделеев Д. И. Периодический закон. Основные статьи. «Классики науки». М., 1958, с. 226.

Через 19 лет Д. И. Менделеев существенно дополнил характеристику двителлура (как он называл неизвестный элемент). Вот сводка новых прогнозировавшихся данных: относительная атомная масса 212; способен образовывать оксид DtO₃; в свободном состоянии Dt — кристаллический, легкоплавкий, труднолетучий металл серого цвета, с плотностью 9,8; металл легко окисляется до DtO₂, оксид будет иметь слабые кислотные и основные свойства; гидрид двителлура если и существует, то непрочен; Dt должен давать сплавы с другими металлами.

Позже вы сами убедитесь в том, прав или не прав был Д. И. Менделеев в своих предсказаниях свойств тяжелого аналога теллура. В истории же полония это предсказание если и проявилось, то лишь косвенным образом. Открытие полония (а затем и радия) оказалось важнейшей вехой в развитии учения о радиоактивности, давшей импульс его развитию.

Как можно судить по лабораторным записям М. и П. Кюри, изучение ими лучей Беккереля, или урановых лучей, началось 16 декабря 1897 г. Сначала этим занималась лишь Мария, а 5 февраля 1898 г. к ней присоединился Пьер. Он проводил измерения и обрабатывал полученные результаты. В основном работа заключалась в измерении интенсивности излучения самых разнообразных урановых минералов и солей, а также металлического урана. После большой серии опытов последовал вывод: наименьшая активность присуща соединениям урана, она возрастает у металла и достигает максимума для урановой смоляной руды. Но из этой шкалы активностей вытекал и другой вывод: в урановой руде, вероятно, содержится элемент, гораздо более активный, чем уран.

Уже 12 апреля «Доклады Парижской Академии наук» опубликовали статью М. и П. Кюри, в которой содержалось это предположение. А 14 апреля М. и П. Кюри, пригласив

на помощь химика Ж. Бемона, начали искать неизвестный элемент. К середине июля ученым удалось закончить анализ урановой смолки. Они тщательно измеряли активность каждого последовательно выделенного из нее продукта. Особое внимание исследователей привлекла фракция, содержащая соли висмута. Оказалось, что она испускает лучи, которые в 400 раз интенсивнее, чем металлический уран. Если неизвестный элемент действительно существовал, то он должен был присутствовать именно в этой фракции.

И вот 18 июля М. и П. Кюри выступают на заседании Парижской Академии наук с докладом «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке». Из обманки, сообщали ученые, было извлечено очень активное сернистое соединение металла, который еще никем не был описан. Он является соседом висмута по своим аналитическим свойствам. Если существование нового простого тела подтвердится, продолжали супруги Кюри, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас. В честь Польши, где родилась и провела свои детские годы Мария Склодовская.

^{М. Кюри}

Ученые отмечали далее, что открытие элемента свершилось благодаря новому способу исследования (в этом сообщении впервые было произнесено слово «радиоактивность», ставшее общепринятым).

Когда-то метод спектрального анализа позволил высказать суждение о существовании в природных объектах элементов, которые еще нельзя было ни разглядеть, ни пощупать, ни взвесить. Теперь история повторялась, но в роли сигнализатора выступили радиоактивные излучения, которые могли быть измерены с помощью радиометрического метода. Однако результаты, полученные М. и П. Кюри, не были безупречными. Неверно их предположение о химическом сходстве полония с висмутом. Уже беглый взгляд на периодическую систему показывал, что существование тяжелого аналога висмута более чем сомнительно. Но ведь не надо забывать, что они не выделили металла в чистом виде, не могли определить его относительную атомную массу, наконец, не увидели различий в спектрах висмута и полония. Поэтому вероятную аналогию полония с теллуром они фактически оставляли без внимания.

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.