РЎ.Р. Венецкий
Вообразите, что однажды утром, раскрыв газету, вы увидели в ней сенсационное сообщение:
Родился динозавр Вчера в N-ском зоопарке успешно завершились многолетние эксперименты по скрещиванию крокодилов и кенгуру в целях воссоздания на Земле динозавров - животных, обитавших в мезозойскую эру и вымерших много миллионов лет назад.
Разумеется, такая "информация" могла появиться в газете только 1 апреля. Мыслимо ли, чтобы колесо истории вдруг прокрутилось на много-много оборотов назад и вернуло бы нам вчерашний день? Недаром говорят, что было, того уж не вернешь.
Р РІСЃРµ же, хотя науке сегодня действительно РЅРµ РїРѕРґ силу возрождать динозавров Рё птеродактилей, РЅРѕ совершать нечто РїРѕРґРѕР±РЅРѕРµ РІ иных областях ученым РёРЅРѕРіРґР° удается. Речь идет Рѕ "воскрешении" тех химических элементов, которые РєРѕРіРґР°-то "обитали" РЅР° нашей планете, РЅРѕ постепенно РІ результате радиоактивного распада практически полностью исчезли. Первым таким элементом был полученный РІ 1937 РіРѕРґСѓ технеций. Впрочем, сначала-небольшой СЌРєСЃРєСѓСЂСЃ РІ историю С…РёРјРёРё. Еще РІ 1846 РіРѕРґСѓ работавший РІ Р РѕСЃСЃРёРё С…РёРјРёРє Рё минералог Р . Герман нашел РІ Рльменских горах РЅР° Урале неизвестный ранее минерал, названный РёРј иттроильменитом. Ученый РЅРµ успокоился РЅР° достигнутом Рё попытался выделить РёР· него новый химический элемент, который, как РѕРЅ считал, содержится РІ минерале. РќРѕ РЅРµ успел РѕРЅ открыть СЃРІРѕР№ ильмений. как известный немецкий С…РёРјРёРє Р“. Р РѕР·Рµ "закрыл" его, доказав ошибочность работ Германа. (Р’СЃРєРѕСЂРµ тот сумел отомстить: РєРѕРіРґР° Р РѕР·Рµ РѕР±СЉСЏРІРёР» РѕР± открытии РёРј пелопия, Герман, приложив немало усилий, убедительно опроверг выводы Р РѕР·Рµ.)
Спустя четверть века ильмений СЃРЅРѕРІР° появился РЅР° авансцене С…РёРјРёРё - Рѕ нем вспомнили как Рѕ претенденте РЅР° роль "СЌРєР°-марганца", который должен был занять пустовавшее РІ периодической системе место РїРѕРґ номером 43. РќРѕ репутация ильмения была сильно "подмочена" работами Р“. Р РѕР·Рµ, Рё, несмотря РЅР° то, что РјРЅРѕРіРёРµ его свойства, РІ том числе Рё атомный вес, вполне подходили для элемента в„– 43, Р”. Р. Менделеев РЅРµ стал оформлять ему РїСЂРѕРїРёСЃРєСѓ РІ своей таблице. Дальнейшие исследования окончательно убедили научный РјРёСЂ РІ том, что ильмений может войти РІ историю С…РёРјРёРё лишь СЃ печальной славой РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· многочисленных лжеэлементов. Поскольку свято место пусто РЅРµ бывает, претензии РЅР° право занять его появлялись РѕРґРЅР° Р·Р° РґСЂСѓРіРѕР№. Дэвий, люций, РЅРёРїРїРѕРЅРёР№ - РІСЃРµ РѕРЅРё лопались, словно мыльные пузыри, едва успев появиться РЅР° свет.
РќРѕ РІРѕС‚ РІ 1925 РіРѕРґСѓ немецкие ученые СЃСѓРїСЂСѓРіРё РРґР° Рё Вальтер Ноддак опубликовали сообщение Рѕ том, что РёРјРё обнаружены РґРІР° новых элемента - мазурий (в„– 43) Рё рений (в„– 75). Рљ рению СЃСѓРґСЊР±Р° оказалась благосклонной: РѕРЅ тут же был узаконен РІ правах Рё незамедлительно занял приготовленную для него резиденцию. Рђ РІРѕС‚ Рє мазурию фортуна повернулась СЃРїРёРЅРѕР№: РЅРё его первооткрыватели, РЅРё РґСЂСѓРіРёРµ ученые РЅРµ могли научно подтвердить открытие этого элемента. Правда, РРґР° Ноддак заявила, что "РІ СЃРєРѕСЂРѕРј времени мазурий, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ рению, можно будет покупать РІ магазинах", РЅРѕ С…РёРјРёРєРё, как известно, словам РЅРµ верят, Р° РґСЂСѓРіРёС…, более убедительных доказательств СЃСѓРїСЂСѓРіРё Ноддак представить РЅРµ могли - СЃРїРёСЃРѕРє "лжесороктретьих" пополнился еще РѕРґРЅРёРј неудачником.
В этот период некоторые ученые начали склоняться к мысли, что далеко не все элементы, предсказанные Менделеевым, в частности элемент № 43, существуют в природе. Может быть, их просто нет и незачем понапрасну терять время и ломать копья? К такому выводу пришел даже крупный немецкий химик Вильгельм Прандтль, наложивший "вето" на открытие мазурия.
Внести ясность РІ этот РІРѕРїСЂРѕСЃ позволила младшая сестра С…РёРјРёРё - ядерная физика, успевшая уже Рє тому времени завоевать прочный авторитет. РћРґРЅР° РёР· закономерностей этой науки (замеченная РІ 20-С… годах советским С…РёРјРёРєРѕРј РЎ. Рђ. Щукаревым Рё окончательно сформулированная РІ 1934 РіРѕРґСѓ немецким физиком Р“. Маттаухом) называется правилом Маттауха- Щукарева, или правилом запрета. Прежде чем разъяснить его суть, напомним, что означают термины "изотоп" Рё "изобар". Рзотопы - атомы какого-либо химического элемента, имеющие одинаковый заряд атомных ядер, РЅРѕ разные массовые числа. РЈ изобаров же, или, иначе РіРѕРІРѕСЂСЏ "равнотяжелых" изотопов, напротив, заряды ядер различны, Р° массовые числа совпадают.
Теперь вернемся к правилу запрета. Смысл его заключается в том, что в природе не могут существовать два стабильных изобара, ядерные заряды которых отличаются на единицу. Другими словами, если у какого-либо химического элемента есть устойчивый изотоп, то его ближайшим соседям по таблице "категорически запрещается" иметь устойчивый изотоп с тем же массовым числом. В этом смысле элементу № 43 явно не повезло: его соседи слева и справа - молибден и рутений - позаботились о том, чтобы все стабильные вакансии близлежащих "территорий" принадлежали их изотопам. А это означало, что элементу № 43 выпала тяжкая доля: сколько бы изотопов он не имел, все они обречены на неустойчивость, и, таким образом, им приходилось непрерывно - днем и ночью - распадаться, хотели они того или нет.
Резонно предположите, что когда-то элемент № 43 существовал на Земле в заметных количествах, но постепенно исчез, как утренний туман. Так почему же в таком случае до наших дней сохранились уран и торий? Ведь они тоже радиоактивны и, следовательно, с первых же дней своей жизни распадаются, как говорится, медленно, но верно? Но именно в этом и кроется ответ на наш вопрос: уран и торий только потому и сохранились, что распадаются медленно, значительно медленнее, чем другие элементы с естественной радиоактивностью (и все же за время существования Земли запасы урана в ее природных кладовых уменьшились примерно в сто раз). Расчеты американских радиохимиков показали, что неустойчивый изотоп того или иного элемента имеет шансы дожить в земной коре с момента "сотворения мира" до наших дней только в том случае, если его период полураспада превышает 150 миллионов лет. Забегая вперед, скажем, что когда были получены различные изотопы элемента № 43, выяснилось, что период полураспада самого долгоживущего из них лишь немногим больше двух с половиной миллионов лет, и, значит, последние его атомы перестали существовать, видимо, даже задолго до появления на Земле первого динозавра: ведь наша планета "функционирует" во Вселенной уже примерно 4,5 миллиарда лет.
Стало быть, если ученые хотели "пощупать" своими руками элемент № 43, его нужно было этими же руками и создавать, поскольку природа давно внесла его в списки пропавших. Но по плечу ли науке такая задача?
Да, РїРѕ плечу. Рто впервые экспериментально доказал еще РІ 1919 РіРѕРґСѓ замечательный английский физик Ррнест Резерфорд. РћРЅ подверг СЏРґСЂРѕ атомов азота ожесточенной бомбардировке, РІ которой РѕСЂСѓРґРёСЏРјРё служили РІСЃРµ время распадавшиеся атомы радия, Р° снарядами - образующиеся РїСЂРё этом альфа-частицы. Р’ результате длительного обстрела СЏРґСЂР° атомов азота пополнились протонами Рё РѕРЅ превратился РІ кислород.
Опыты Резерфорда вооружили ученых необыкновенной артиллерией: с ее помощью можно было не разрушать, а создавать - превращать одни вещества в другие, получать новые элементы.
Так почему Р±С‹ РЅРµ попытаться добыть таким путем элемент в„– 43? Р—Р° решение этой проблемы взялся молодой итальянский физик Рмилио Сегре. Р’ начале 30-С… РіРѕРґРѕРІ РѕРЅ работал РІ Р РёРјСЃРєРѕРј университете РїРѕРґ руководством уже тогда знаменитого РРЅСЂРёРєРѕ Ферми. Вместе СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё "мальчуганами" (так Ферми шутливо называл СЃРІРѕРёС… талантливых учеников) Сегре принимал участие РІ опытах РїРѕ нейтронному облучению урана, решал РјРЅРѕРіРёРµ РґСЂСѓРіРёРµ проблемы ядерной физики. РќРѕ РІРѕС‚ молодой ученый получил заманчивое предложение - возглавить кафедру физики РІ Палермском университете. РљРѕРіРґР° РѕРЅ приехал РІ древнюю столицу Сицилии, его ждало разочарование: лаборатория, которой ему предстояло руководить, была более чем СЃРєСЂРѕРјРЅРѕР№ Рё РІРёРґ ее отнюдь РЅРµ располагал Рє научным подвигам.
РќРѕ велико было желание Сегре глубже проникнуть РІ тайны атома. Летом 1936 РіРѕРґР° РѕРЅ пересекает океан, чтобы побывать РІ американском РіРѕСЂРѕРґРµ Беркли. Здесь, РІ радиационной лаборатории Калифорнийского университета уже несколько лет действовал изобретенный Ррнестом Лоуренсом циклотрон - ускоритель атомных частиц. Сегодня это небольшое устройство показалось Р±С‹ физикам чем-то РІСЂРѕРґРµ детской игрушки, РЅРѕ РІ то время первый РІ РјРёСЂРµ циклотрон вызывал восхищение Рё зависть ученых РёР· РґСЂСѓРіРёС… лабораторий (РІ 1939 РіРѕРґСѓ Р·Р° его создание Р. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии).
Незаметно подошел Рє концу СЃСЂРѕРє пребывания Сегре РІ РЎРЁРђ. РўСЂСѓРґРЅРѕ ему было расставаться СЃ циклотроном - Рѕ РїРѕРґРѕР±РЅРѕРј оборудовании РѕРЅ РЅРµ РјРѕРі тогда Рё мечтать. Незадолго РґРѕ отъезда ученому пришла РІ голову интересная мысль: захватить СЃ СЃРѕР±РѕР№ РІ Рталию пластинку молибдена, РЅР° которую РІ течение нескольких месяцев обрушивался мощный поток ускоренных РЅР° циклотроне дейтронов - ядер тяжелого РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° (дейтерия). Лоуренс охотно пошел навстречу своему коллеге, Рё тот вернулся РІ Палермо СЃ несколькими образцами невзрачного РЅР° РІРёРґ, РЅРѕ драгоценного молибдена.
Зачем же они понадобились Сегре? "У нас были веские основания думать, - писал он впоследствии, - что молибден после бомбардировки его дейтронами должен превратиться в элемент с номером 43..." В самом деле, ведь атом молибдена имеет в своем ядре 42 протона. Если дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, сумеет проникнуть в ядро атома молибдена, то в нем окажется уже 43 протона, т. е. как раз столько, сколько должно быть в ядре элемента № 43.
Казалось бы, все просто, но попробуй докажи это экспериментальным путем. Как бы то ни было, в январе 1937 года Сегре и его помощник минералог Карло Перье засучили рукава и приступили к делу.
Прежде всего РѕРЅРё выяснили, что заокеанский молибден излучает бета-частицы - быстрые ядерные электроны. Значит, РІ нем действительно "СЃРёРґРёС‚" радиоактивный изотоп, РЅРѕ какой именно? Рто может быть изотоп как самого молибдена, так Рё РґСЂСѓРіРёС… элементов, например циркония, РЅРёРѕР±РёСЏ, рутения или РёСЃРєРѕРјРѕРіРѕ "СЃРѕСЂРѕРє третьего".
В результате скрупулезного химического "расследования" все элементы, кроме последнего, сумели доказать свою полную непричастность к бета-излучению. После их удаления ученые получили, наконец, долгожданный "эка-марганец". Правда, получили - пожалуй, слишком громко сказано: как выяснилось несколько позднее, они имели дело всего с 0,0000000001 грамма нового вещества. Впрочем, для физиков одна десятимиллиардная доля грамма - не так уж и мало: открытие менделевия (№ 101) было зарегистрировано, когда удалось "добыть" всего 17 атомов этого элемента. Для наглядности приведем такой пример: если все атомы железа, содержащиеся в крохотной булавочной головке, равномерно распределить по поверхности земного шара, то на каждом квадратном метре "обоснуется" добрый десяток миллионов(!) атомов.
РќРѕ РјС‹ несколько отвлеклись РѕС‚ главных событий, которым посвящен наш рассказ. Ртак, РІ РёСЋРЅРµ 1937 РіРѕРґР° искусственным путем ученым удалось воссоздать первый РёР· "вымерших" РЅР° Земле химических элементов. РќРµ мудрствуя лукаво, Р. Сегре Рё Рљ. Перье назвали СЃРѕСЂРѕРє третий элемент технецием, что РІ переводе СЃ греческого ("техникос") значит искусственный.
Хотя технеция в руках ученых было, скажем прямо, не густо, они все же сумели определить некоторые свойства нового элемента и убедились, что он родственник рения, причем довольно близкий, а не "седьмая вода на киселе".
Вполне понятно, как велико было желание химиков и физиков всего мира узнать побольше подробностей об искусственном новоселе таблицы Менделеева. Но чтобы изучать технеций, нужно было его иметь. Все понимали, что на облученный молибден рассчитывать не приходилось: слишком беден он был технецием. Требовалось подыскать более подходящую кандидатуру на роль поставщика этого элемента.
Поиски продолжались недолго: уже в 1940 году все тот же Сегре и его ассистентка By Цзянь-сюн обнаружили, что один из самых долгоживущих изотопов технеция в довольно солидных количествах присутствует в так называемых "осколках", образующихся при делении урана в результате облучения его нейтронами (этот процесс лежит в основе работы ядерных реакторов). На один килограмм "осколков" приходится несколько граммов технеция - тут уже есть о чем поговорить всерьез. Неудивительно, что ядерные реакторы стали по совместительству своеобразными "фабриками", производящими технеций.
Поначалу продукция этих "фабрик" - тяжелый тугоплавкий серебристо-белый металл - стоила, прямо скажем, дороговато - в тысячи раз дороже золота. Но атомная энергетика развивалась весьма энергично (на то она и энергетика!). С каждым годом "сжигалось" все больше ядерного топлива, и урановые "осколки" постепенно становились не столь дефицитным товаром, как прежде. Цена на технеций начала резко падать. Однако процесс извлечения его из радиоактивных "осколков" очень и очень сложен, поэтому еще в 1965 году каждый грамм "синтетического" металла оценивался на мировом рынке в 90 долларов. Но производство его определялось уже не долями миллиграмма, а десятками и сотнями килограммов, и ученые могли теперь всесторонне изучить его свойства, попытаться определить возможные сферы его будущей деятельности.
Важнейшая профессия технеция определилась довольно быстро: Р±РѕСЂСЊР±Р° СЃ коррозией. Рта коварная "хищница" наносит человечеству огромный ущерб, безжалостно съедая каждый РіРѕРґ десятки миллионов тонн стали. Металлурги, правда, умеют варить нержавеющую сталь - "блюдо", которое РєРѕСЂСЂРѕР·РёРё РЅРµ РїРѕ зубам. РќРѕ, РІРѕ-первых, такая сталь значительно дороже обычной; РІРѕ-вторых, стали РІСЃСЏРєРёРµ нужны, Р° сделать металл одновременно Рё нержавеющим, Рё, например, износостойким РЅРµ всегда возможно; наконец, РІ-третьих, просто РЅРµ напастись столько С…СЂРѕРјР° Рё никеля, без которых "нержавейку" РЅРµ сваришь, как РЅРµ приготовишь СѓС…Сѓ без рыбы. Металловеды, С…РёРјРёРєРё, физики постоянно ищут СЃРїРѕСЃРѕР±С‹ умерить аппетит РєРѕСЂСЂРѕР·РёРё, сделать ее менее прожорливой.
Решить антикоррозионную проблему РЅРµ так-то просто, РЅРѕ успехов РЅР° этом поприще уже немало. Ученые обнаружили, РІ частности, что некоторые вещества обладают ценнейшими свойствами: РѕРЅРё делают поверхность металла химически пассивной Рё, таким образом, надежно предохраняют изделия РѕС‚ РєРѕСЂСЂРѕР·РёРё. Рти вещества получили название ингибиторов (РѕС‚ латинского слова "РёРЅРіРёР±РёСЂРµ" - тормозить, удерживать).
Самым способным из них оказался технеций: он обладает наибольшим ингибирующим эффектом. Если стальную деталь обработать раствором, в котором присутствуют едва уловимые количества пертехнатов (солей технециевой кислоты) - всего стотысячные доли процента, то она окажется неприступной крепостью для ржавчины.
Даже значительный нагрев (РґРѕ 250 °С) РЅРµ РІ силах РїСЂРё этом помочь "агрессору". Немалый интерес представляет еще РѕРґРЅРѕ ценное свойство технеция. Рзвестно, что вблизи абсолютного температурного нуля (-273,16 °С) РјРЅРѕРіРёРµ металлы становятся сверхпроводниками, С‚. Рµ. практически перестают оказывать какое Р±С‹ то РЅРё было сопротивление прохождению электрического тока. Чем выше точка перехода РІ сверхпроводящее состояние (так называемая критическая температура), тем большие перспективы сулит это свойство технике. Р’ этом отношении Сѓ технеция нет конкурентов: РѕРЅ совершенно беспрепятственно РїСЂРѕРІРѕРґРёС‚ ток РїСЂРё 8,24 Рљ (-264,92 °С), РІ то время как РґСЂСѓРіРёРј металлам для этого нужно еще немного "поостыть". Ученые РЅРµ теряют надежды найти технеций РІ земной РєРѕСЂРµ, поскольку теоретически можно предположить, что "осколки" урана образуются Рё РІ природных кладовых этого элемента; РєСЂРѕРјРµ того, РЅРµ исключена возможность появления технеция РІ различных горных породах, содержащих молибден, рутений, РЅРёРѕР±РёР№: РёС… изотопы РїРѕРґ действием космических нейтронов, достигающих Земли, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ превращаться РІ изотопы элемента в„– 43.
Рвсе же возлагать большие надежды на нашу планету, пожалуй, не приходится. Вот почему многие исследователи в поисках технеция обратили свой взор (в буквальном смысле) на другие небесные тела. Еще в 1951 году американский астроном Шарлотта Мур опубликовала сенсационное сообщение: спектральным анализом технеций обнаружен на Солнце. Спустя год английский астрофизик Р. Мерилл нашел линии этого элемента в спектре некоторых звезд из созвездий Андромеды и Кита. Правда, дальнейшими исследованиями открытие Мур не подтвердилось, зато существование технеция на далеких звездах неопровержимо доказывали сотни спектрограмм.
Но самое удивительное было в том, что звездные запасы этого элемента оказались вполне сопоставимыми с содержанием циркония, ниобия, молибдена. Может быть, технеций из созвездия Андромеды, в отличие от земного, стабилен и потому распаду не подлежит? Нет, это исключено. Тогда, возможно, звезды, о которых идет речь, намного моложе земли и технеций еще просто не успел превратиться в другие элементы? Ртакая версия отпадает, потому что эти звезды и наша планета принадлежат к одному "поколению".
В таком случае напрашивается единственный вывод: внутри некоторых небесных тел технеций образуется и в настоящее время. Как это происходит, наука еще не может точно объяснить, а лишь выдвигает ряд гипотез. Видимо, в процессе эволюции звезд в их недрах непрерывно протекают термоядерные реакции и в результате на свет рождаются различные химические элементы.
Вполне возможно, что где-то в просторах Вселенной, за тридевять галактик от Земли, затерялась пока неведомая ученым планета. Кое-где на ее поверхности встречается застывшая лава - вулканы выбросили из недр очередную порцию "свежеприготовленного" технеция. А может быть там и динозавры разгуливают?..
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.alhimik.ru/