Как были открыты химические элементы

Трифонов Дмитрий Николаевич

Аргументы А. Дебьерна в пользу открытия актиния современникам не показались убедительными. И не мудрено, что вскоре появился еще один претендент на открытие нового радиоактивного элемента — немецкий химик Ф. Гизель. Он также выделил некое радиоактивное вещество, которое было похоже по своим свойствам на редкоземельные элементы, — факт, с современных позиций уже гораздо более близкий к истине. Ф. Гизель назвал новый элемент эманием, потому что он выделял радиоактивный газ — эманацию, вызывавшую свечение экрана из сульфида цинка. Наряду с дебатами на тему «Радиотеллур или полоний» возникла дискуссия по сходному предмету «Актиний или эманий». В первом случае было доказано тождество. Второй оказался

сложнее, и здесь спор не поставил все точки над «и», ибо слишком капризным оказался этот третий по счету новый радиоактивный элемент. На скрижалях истории записано имя А. Дебьерна как первооткрывателя актиния. В то же время вещество, которое выделил Ф. Гизель, как удалось показать впоследствии, состояло в значительной степени из чистого актиния. Ф. Гизелю также удалось наблюдать спектр эмания. Многие ученые считали, что им удалось доказать идентичность актиния и эмания. И постепенно проблема утратила свою остроту.

Впервые символ Ac поместил (1909) в третью группу периодической системы английский радиохимик А. Камерон (кстати, именно он предложил термин «радиохимия»). Но надежно место актиния было установлено в 1913 г. По мере того как актиний очищался от продуктов распада, выяснилась удивительная картина: его излучение оказывалось настолько слабым, что ученые даже стали сомневаться, испускает ли он лучи вообще. Предложили даже считать, что актиний испытывает совершенно новый тип превращений — безлучевое. Только в 1935 г. удалось достоверно зафиксировать испускаемые актинием ?-частицы. Его период полураспада оказался равным 21,6 г.

О выделении металлического актиния долго не могло быть и речи. Ведь в 1 т смоляной обманки содержится всего 0,15 мг актиния, тогда как концентрация радия достигает 400 мг. Металл (несколько миллиграммов) приготовили лишь в 1953 г., восстанавливая AcCl₃ парами калия.

РАДОН

В 86-й клетке периодической системы стоит символ Rn, отвечающий элементу радону. Он является самым тяжелым представителем плеяды благородных газов. Он сильно радиоактивен, а в природе его столь мало, что он не мог быть найден в ходе обнаружения В. Рамзаем и М. Траверсом других инертных элементов. Только радиометрический метод сумел зафиксировать существование радона.

То, что сейчас называют радоном, — это совокупное обозначение трех природных изотопов элемента № 86, которые открывали порознь и называли эманациями. С их появлением на авансцене исследований радиоактивности в ее истории наступили новые времена: ученые впервые столкнулись с газообразными радиоактивными веществами.

В начале 1899 г. Э. Резерфорд, работавший в то время в Канаде, и его сотрудник Р. Оуэнс исследовали активность соединений тория. Однажды произошло незначительное на первый взгляд событие. Р. Оуэнс распахнул дверь в лабораторию, где ставили очередной опыт, по комнате пронеслось дуновение воздуха, и ученые заметили, что интенсивность излучения ториевого препарата вдруг резко упала. Поначалу исследователи не придали этому событию никакого значения, но потом убедились, что легкое дуновение всякий раз словно бы лишает торий большей части его активности.

Э. Резерфорд и Р. Оуэнс пришли к выводу, что торий постоянно испускает какое-то газообразное радиоактивное вещество. Они назвали его эманацией (от латинского слова, означающего «истечение») тория или тороном.

По аналогии возникла идея, что и другие радиоактивные элементы способны выделять эманации. В 1900 г. немецкий физик Э. Дорн открыл эманацию радия, а спустя три года А. Дебьерн наблюдал эманацию актиния. Так появились на свет еще два радиоэлемента: радон и актинон. Выяснилось важное обстоятельство, что все

три эманации различаются лишь по периодам полураспада: у торона он равен 51,5 с, у радона — 3,8 дня, у актинона — 3,02 с. Самый долгоживущий — радон, поэтому все исследования природы эманаций проводили с этим радиоактивным веществом. Во всем остальном эманации ничем не отличались друг от друга. И все они не обладали химическими свойствами, т. е. были инертными газами (аналогами аргона и его спутников). Как выяснилось позже, они различались и по величине атомных масс. Но в периодической системе для этих трех элементов имелось одно-единственное место в нулевой группе, под ксеноном.

Подобное исключительное положение скоро стало правилом. Поэтому здесь придется коснуться некоторых важных событий на пути развития учения о радиоактивности. Закончим лишь рассказ о радоне. Это название осталось потому, что именно радон наиболее долгоживущий из всех радиоактивных инертных газов. Одно время для него предлагали имя «нитон» (В. Рамзай), по-латыни — «светящийся», но оно не привилось в науке.

РАДИОЭЛЕМЕНТЫ И ИХ СЕМЕЙСТВА

Накануне открытия полония и радия в периодической системе в промежутке между висмутом и ураном насчитывалось семь пустых мест. И пока число вновь открытых радиоактивных элементов было невелико, никаких затруднений с их размещением в менделеевской таблице не возникало. Настораживали эманации. Они имели идентичные свойства, и поэтому их нельзя было расставить по разным клеткам периодической системы, например разместив две из них на пустых местах, соответствовавших неизвестным тяжелым аналогам иода и цезия. Такая операция явилась бы противоестественной.

Но если даже оставить в покое непонятное семейство радона, то и без этого имелись неясности. В 1900 г. В. Крукс обнаружил странное явление. Проведя дробную кристаллизацию уранового соединения, он получил фильтрат и осадок. Уран находился в растворе, но никакой активности обнаружить в нем не удавалось. Напротив, осадок не содержал урана, зато интенсивно излучал. Отсюда В. Крукс сделал парадоксальный вывод: сам уран не радиоактивен, а делает его радиоактивным некая примесь, которую ему (Круксу) и удалось отделить от урана. Словно предчувствуя недоброе, ученый не дал этой примеси какого-либо определенного названия, а стал ее именовать уран-«икс» (UX). Потом выяснилось, что уран, освобожденный от UX, восстанавливает свою активность. Просто UX — гораздо более сильный излучатель. Но в таком случае правомерно рассматривать его в качестве нового радиоактивного элемента.

Спустя два года Э. Резерфорд и Ф. Содди обнаружили такое же временное исчезновение активности у тория. Примесь (опять же по аналогии) получила название торий-«икс» (ThX). Эти ученые пытались разрешить вопрос фундаментальной важности: что происходит с радиоактивным элементом в результате испускания им радиоактивного излучения? Остается его химическая природа неизменной или же меняется? Им удалось сделать ценное наблюдение: эманация тория порождалась не самим торием, а ThX. Иначе говоря, они выявили первую цепочку радиоактивных превращений:

Th->ThX->EmTh

И именно это событие послужило решающим шагом к формулировке теории радиоактивного распада.

По Э. Резерфорду и Ф. Содди, механизм радиоактивного распада заключается в том, что происходит превращение химических элементов, их естественная трансмутация. Особенно четко это удалось проследить на примере радия, который, испуская ?-частицу, превращался в радон. Несколько позже выяснилось, что ?-частица представляет собой дважды ионизированный атом гелия. В результате распада радия рождались два других элемента — радон и гелий: