Как были открыты химические элементы
Шрифт:
Спустя короткое время это явление экспериментально подтвердили В. Рамзай и Ф. Содди.
Все известные радиоактивные элементы, рассуждали далее Э. Резерфорд и Ф. Содди, не являются совершенно изолированными, а генетически связаны друг с другом (последовательно превращаются один в другой). Они образуют как бы три радиоактивных семейства: урановое, ториевое и радиевое, названные так по имени исходного элемента — родоначальника семейства. Оставалось неясным многое: сколько радиоактивных веществ входит в семейство? Какими элементами заканчиваются эти семейства? И наконец, что же это за «материальное образование» — радиоактивный элемент, какова его истинная природа?
Последний вопрос не является надуманным, ибо начиная с первых лет XX в. число радиоактивных веществ стало стремительно возрастать и проблема их размещения в периодической системе сделалась чрезвычайно актуальной.
Как только не называли ученые новые вещества, обладающие свойствами радиоактивности: и радиоактивными телами, и активностями, и радиоактивными элементами. Было видно, что наука столкнулась с неведомыми раньше материальными образованиями. Существование большинства из них удавалось установить лишь по радиоактивным характеристикам: интенсивности излучения, типу распада, величине периода полураспада. В то же время ничего или почти ничего нельзя было
Мнения пионеров исследования радиоактивности здесь разделились. М. и П. Кюри и А. Дебьерн предполагали, что все новые радиоактивные вещества имеют элементарную природу и, следовательно, являются новыми химическими элементами. Обнаружение полония, радия и актиния, казалось бы, подкрепляло такую позицию, и названные ученые поначалу не склонны были менять свою точку зрения, даже когда радиоактивные вещества стали открывать во множестве. Но подобное упорство вело лишь к противоречиям.
Иных соображений придерживались Э. Резерфорд и Ф. Содди. Они считали, что радиоактивные вещества могут иметь различную природу. Опираясь на свои представления о радиоактивных семействах, они рассуждали так: существуют относительно устойчивые радиоактивные элементы — родоначальники рядов, т. е. уран, торий и радий. Их химическая природа известна, поэтому они могут быть причислены к обыкновенным элементам, отличаясь от последних лишь свойством радиоактивности. Элементы, замыкающие радиоактивные семейства, суть устойчивые, обычные элементы (уже появлялись смутные догадки, что завершать радиоактивные семейства должен свинец). Между этими двумя сортами атомов, рассуждали далее Э. Резерфорд и Ф. Содди, существуют промежуточные вещества, основная черта которых — неустойчивость, их нельзя охарактеризовать с точки зрения химии. Они не есть элементы в обычном понимании, они лишь своеобразные атомы — осколки. Для них было предложено название «метаболоны» (от греческих слов, означающих «превращающиеся тела»). А потому вопрос о размещении метаболонов в периодической системе не имел смысла.
Однако термин «метаболон» широкого использования не получил. Да и Ф. Содди вскоре решил считать метаболон такой же химической индивидуальностью, как и обычные радиоактивные элементы. На смену пришел другой термин «радиоэлемент», введенный в 1902 г. английским физиком Дж. Мартином. Этот термин (без объяснений) уже мелькал на страницах книги. Объяснение ему будет дано дальше. Здесь лишь четко подчеркнем, что ни в коем случае нельзя ставить знака равенства между понятиями «радиоактивный элемент» и «радиоэлемент», хотя в литературе иногда встречается путаница в использовании этих терминов.
По сути дела, вся история радиохимии первых двух десятилетий XX в. — это поиск новых радиоэлементов и выяснение их генетической связи с другими, уже открытыми. Все более четкие контуры приобретали радиоактивные семейства, и они становились своеобразными систематиками радиоэлементов, подобно тому как периодическая система была систематикой элементов стабильных. Бывшее радиевое семейство оказалось составным фрагментом уранового, зато сформировалось новое, актиниевое семейство, определить родоначальника которого долгое время не удавалось (вопрос фактически решился только в 1935 г.). Большинство радиоэлементов являлись короткоживущими продуктами, чьи периоды полураспада измерялись секундами и (в лучшем случае) минутами. Расшифровка их химической природы и установление места в радиоактивных семействах представляли собой труднейшую задачу: ни с чем, даже отдаленно подобным, химики раньше не встречались, даже при проведении утомительных и однообразных процессов разделения редкоземельных элементов. Чтобы рассказать об этом подробно, пришлось бы написать целую книгу. Поэтому мы вынуждены ограничиться лишь сводными хронологическими таблицами открытий радиоэлементов (см. табл. 1 – 3 ).
Таблица 1
| Название радиоэлемента | Год открытия | Авторы открытий |
|---|---|---|
| Уран-I | 1896 [13] | А. Беккерель |
| Уран-X1 | 1900 | В. Крукс |
| Уран-Х2 | 1913 | К. Фаянс, 0. Гёринг |
| Уран-II | 1911 | Г. Гейгер, Дж. Наттол |
| Ионий | 1907 | Б. Болтвуд |
| Радий | 1898 | П. и М. Кюри, Ж. Бемон |
| Эманация радия | 1900 | Е. Дорн |
| Радий-А | 1903 | Э. Резерфорд, Г. Бэрнс |
| 1904 | П. Кюри, Ж. Данн | |
| Радий-В | 1903 | П. Кюри, Ж. Данн |
| Радий-С | 1903 | П. Кюри, Ж. Данн |
| Радий-С' | 1909 | О. Ган, Л. Мейтнер |
| Радий-С'' | 1912 | К. Фаяцс |
| Радий-D (радиосвинец) | 1900 | К. Гофман, Э. Штраус |
| Радий-Е | 1904 | К. Гофман, Л. Гондер, В. Вельф |
| 1905 | Э. Резерфорд | |
| Радий-F (полоний) | 1898 | П. и М. Кюри |
13
Дата
[13] Дата открытия радиоактивности урана.
Таблица 2
| Название радиоэлемента | Год открытия | Авторы открытий |
|---|---|---|
| Уран-235 (AcU) | 1935 | А. Демпстер |
| Уран-Y | 1911 | Г. Н. Антонов |
| Протактиний | 1918 | О. Ган, Л. Мейтнер |
| 1918 | Ф. Содди, А. Кранстон | |
| Актиний | 1899 | А. Дебьерн |
| 1902 | Ф. Гизель | |
| Радиоактиний | 1906 | О. Ган |
| Актиний-К | 1939 | М. Перей |
| Актиний-Х | 1900 | А. Дебьерн |
| 1904 | Ф. Гизель | |
| 1905 | Т. Годлевский | |
| Эманация актиния | 1902 | Ф. Гизель |
| Актиний-А | 1911 | Г. Гейгер |
| Актиний-В | 1904 | А. Дебьерн |
| Актиний-С | 1904 | Г. Брукс |
| Актиний-С' | 1908 | О. Ган, Л. Мейтнер |
| Актиний-С'' | 1913 | Э. Марсден, Р. Вильсон |
| 1914 | Э. Марсден, П. Перкинс |
Таблица 3
| Название радиоэлемента | Год открытия | Авторы открытия |
|---|---|---|
| Торий | 1898 [14] | Г. Шмидт, М. Кюри |
| Мезоторий-I | 1907 | О. Ган |
| Мезоторий-II | 1908 | О. Ган |
| Радиоторий | 1905 | О. Ган |
| Торий-Х | 1902 | Э. Резерфорд, Ф. Содди |
| Эманация тория | 1899 | Э. Резерфорд |
| Торий-А | 1910 | Г. Гейгер, Э. Марсден |
| Торий-В | 1899 | Э. Резерфорд |
| Торий-С | 1903 | Э. Резерфорд |
| Торий-С' | 1909 | О. Ган, Л. Мейтнер |
| Торий-С'' | 1906 | О. Ган |
14
Дата открытия радиоактивности тория.
[14] Дата открытия радиоактивности тория.
Современный вид трех радиоактивных семейств приведен на странице 159 .
Радиоактивные семейства разделяются каждое на две характерные части. Радиоэлементы, предшествующие эманациям, являются сравнительно долгоживущими; напротив, радиоэлементы, следующие за эманациями, имеют очень малые периоды полураспада. Для их обозначения даже была выработана специальная номенклатура, использующая латинские буквы А, В и С рядом с символами соответствующих элементов (Ra, Th, Ac). Совокупности этих недолговечных радиоэлементов называли активными осадками; они-то и представили наибольшие трудности для исследования и послужили причиной многих заблуждений и ошибок. Но именно изучение активных осадков в значительной степени способствовало становлению радиохимии как новой научной дисциплины.
По мере того как радиоактивные семейства приобретали современный облик, все резче заявляла о себе необходимость рационального размещения радиоэлементов в периодической системе. Ведь в конечном счете каждый из них обнаруживал химическое сходство с тем или иным «обычным» элементом, занимающим определенную клетку в таблице. Но радиоэлементов было слишком много. В. Рамзай определил ситуацию французским выражением embarras en richess (теснота вследствие изобилия) [15] . Ведь около 40 радиоэлементов стало известно в начале второго десятилетия нашего века. И среди них наблюдалось несколько совокупностей радиоэлементов, которые были настолько близки по химическим свойствам, что разделить их не удавалось никакими из существующих методов. Например, все три эманации, а также торий, ионий, радиоторий, или, наконец, радий и торий-Х.
15
embarras en richess (фр.) — неловкость из-за богатства, затруднение из-за большого выбора. — прим. Гриня