Великий Менделеев гениально предвидел изумительные свойства последнего элемента составленной им периодической системы. Он писал:
«Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями».
Это было опубликовано в 1872 году. И уже в 1896 году сбылось предвидение русского ученого, ибо в феврале этого года французский физик Анри Беккерель сделал интереснейшее сообщение в Парижской Академии наук.
Вот отрывки из протокола об этом сообщении:
«…фотографическую бромо-серебряную пластинку Люмьера обертывают двумя листами очень плотной черной бумаги… На положенный сверху лист бумаги накладывают какое-либо фосфоресцирующее вещество (бисульфит урана и калия)… При проявлении пластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества».
Крохотный лучик, засветивший фотопластинку в опыте Анри Беккереля, был первым лучом зари грядущего века атомной энергетики. Но немало труда должны были еще положить ученые, чтобы во всю ширь горизонта засияло зарево этой зари.
Пьер Кюри и Мария Кюри-Складовская были первыми, продвинувшими дальше работы Беккереля. В чудовищно тяжелых условиях получили они первые крупинки казавшегося тогда самым чудесным элементом на свете — радия. Всю жизнь посвятила оставшаяся одна Складовская исследованиям чудесного металла и погибла от болезни, которой только десятилетиями позже придумали имя — «лучевая».
На одной из всемирных выставок демонстрировались страницы из дневника лабораторных записей, которые вела Складовская. Когда к чуть пожелтевшим листкам бумаги подносили трубку Гейгера, прибор начинал трещать, засекая лавины элементарных частиц. Это с тонких пальцев женщины-ученой, перебравших по крупинкам сотни тонн урановой руды, попали сюда пылинки радиоактивных элементов, и доныне сохранивших свою казавшуюся тогда волшебной силу радиации.
И все же уран и радий оставались просто экзотическими казусами природы. Только открытия, сделанные в конце тридцатых годов, поставили реально на повестку дня вопрос о практическом использовании заключенной в ядре атома энергии.
Сегодня уже целый ряд электростанций в разных странах мира работает, используя энергию атомного ядра. Самая первая в мире такая электростанция была построена в нашей стране. В нашей стране спущен на воду и первый в мире атомный ледокол.
С энергией урана связаны великие надежды и великие опасения человечества. Целью всех прогрессивных людей стало поставить эту энергию на службу миру и прогрессу.
Будущее урана — это атомные космические ракеты и самолеты, движущиеся с фантастической скоростью в ионосфере, гигантские суда, обеспеченные одним зарядом «топлива» на десятки лет, и карманные фонари, одной батарейки которых хватает на всю жизнь человека. Будущее урана — это преобразование климата материков планеты, сооружение искусственных островов и уничтожение «лишних» горных хребтов, отепление Арктики и обводнение пустынь.
Вот какие фантастические перспективы сулит этот удивительный металл!
Тезка седьмой планеты
В 1781 году знаменитый английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа небо, обнаружил светящееся облачко, которое принял сначала за комету. Однако дальнейшие наблюдения убедили ученого, что это не комета, а новая, седьмая планета солнечной системы, родная сестра Земли. Гершель назвал ее по имени бога неба древних греков — Ураном.
Открытие Гершеля произвело огромное впечатление на все круги общества, привлекло всеобщее внимание к безвестному до этого скромному астроному-любителю. Одним из проявлений этого внимания и восхищения и было то, что немецкий химик М. Г. Клапрот в 1789 году назвал именем новой планеты открытый им металл.
Впрочем, Клапрот, как это часто бывало в те времена, получил не чистый уран, а его окисел, «землю». Металлический уран впервые выделил в 1841 году французский химик Э. Пелиго, восстановив его металлическим калием.
Уран оказался не очень интересным по своим механическим и химическим свойствам металлом. Прежде всего он обладает очень большим удельным весом — 19,05 г на куб. см, то есть он почти вдвое тяжелее свинца. Уран сравнительно мягкий металл, легко поддающийся механической обработке. При высоких температурах его можно ковать, волочить, выдавливать. Из него и делают этим способом трубы разного сечения, проволоку, фольгу.
Внешне уран напоминает сталь. Свежеотполированная его поверхность имеет серебристый, чуть голубоватый отблеск. Однако на воздухе она через несколько часов тускнеет. А тонкая пыль урана, распыленная в сухом воздухе, даже самовозгорается. Погруженный в воду, он медленно разлагает ее. Все это говорит о химической активности урана.
Впрочем, никто никогда и не пытался применить уран в качестве конструкционного материала (даже в качестве легирующих добавок к стали не нашел он себе применения). И если бы не другие удивительные его свойства, так и оставался бы он практически бесполезным элементом, занимающим последнее место в периодической системе, скупые образцы крупинок которого можно было бы встретить в немногих коллекциях лучших университетов, да и там его держали бы только для полноты этих коллекций. Лишь некоторые соединения урана использовались бы в фотографии и стекловарении.
Но уран оказался обладателем изумительных специфических свойств. Он непрерывно самопроизвольно выплескивает потоки лучей. При этом ядра атомов урана распадаются, превращаясь в атомы других элементов. И на этот процесс не может повлиять ни то, в состав каких веществ входит уран, ни температура, ни агрегатное состояние, в котором он находится.
В результате радиоактивного распада уран превращается в свинец. Процесс этот происходит, правда, чрезвычайно медленно. Один грамм урана содержит 2,51021 атомов. Каждую секунду из этого количества распадается около 12 тысяч атомов. Чтобы распалась половина всех атомов этого грамма урана, надо около 5 миллиардов лет. За следующие 5 миллиардов лет распадается половина оставшейся половины атомов и т. д.
При этом распаде выделяется огромное количество энергии. При распаде ядер одного килограмма урана выделяется такое количество энергии, что его хватит для кругосветного рейса паровоза через оба полюса.
Открывшиеся возможности овладеть этой энергией и сделали уран важнейшим металлом современности.
Ядра атома — новое горючее
Одна из важнейших характеристик горючего — количество энергии, выделяющейся при его сжигании. В этом отношении атомное горючее не имеет себе равных.
Один килограмм лучшего, самого калорийного топлива, нефти, при полном сжигании выделяет 11,6 киловатт-часа энергии.
Один килограмм урана — 22 900 тысяч киловатт-часов энергии!
Тепловая электростанция мощностью 600 тысяч киловатт сжигает в сутки 5 эшелонов каменного угля. Электростанция такой же мощности, работающая на атомном горючем, потребует в год около тонны урана.
Буквально несоизмеримые величины!
Так почему же не построены до сих пор повсеместно только атомные электростанции? Почему мы до сих пор возимся с добычей угля и нефти, строим громоздкие и дорогие гидроэлектростанции?
Может быть, атомное горючее, в первую очередь уран и торий, чрезвычайно редкие элементы? Ведь всего два десятка лет тому назад лишь в немногих лучших академических лабораториях можно было найти в коллекциях пробирку с сероватыми кусочками урана на дне, лишь немногие физики держали хоть раз в жизни непривычно тяжелые крупинки этого вещества на своей ладони.
Нет, уран не редкий элемент. Земная кора на 0,0005 процента состоит из урана. Примерно столько же в земной коре содержится свинца. А разве свинец можно считать редким металлом? Меньше в земной коре содержится и таких металлов, как висмут, серебро, золото, платина.
Мал да удал.
В полтора раза больше, чем урана, содержится в земной коре другого металла, способного служить ядерным горючим, — тория — 0,0008 процента.
Однако уран редко содержится в значительных количествах. Он обычно присутствует в рудах других элементов в качестве добавки. Даже при переработке богатых урановых руд из 100 тонн урановой руды выделяют всего 70 кг чистого металла, да и из этого металла лишь незначительная часть (всего около 500 г) составляет изотоп урана, называемый «уран-235», который может быть сразу применен в качестве ядерного горючего.
Чрезвычайно сложна металлургия урана и тория. Руду урана подвергают измельчению, обогащению, многократным последовательным растворениям в разнообразных химических реактивах и только после этого осуществляют собственно металлургический процесс — восстановление металлического урана или получение его газообразного соединения — шестифтористого урана.
Все эти процессы чрезвычайно осложняются ядовитыми свойствами урана. Надо внимательно следить за тем, чтобы ни пыль, ни пары урана не попадали в окружающую атмосферу. Ядовиты и огнеопасны некоторые растворители урановых соединений, поэтому заводы, производящие уран, имеют сверхмощную противопожарную защиту. И все-таки, когда получен слиток металлического урана, можно считать, что пройдена только половина пути превращения желтовато-зеленых камней добытой в земле руды в горючее атомных электростанций.
Металлический уран состоит главным образом из двух изотопов — урана-238 и урана-235. В качестве ядерного горючего в первую очередь применяется уран-235. Его и надо выделить из общей массы металлического урана.
Методы химии, применяемые для разделения вещества, бессильны помочь в этом случае. Нет такого растворителя, который растворил бы уран-238 и позволил отделить в виде нерастворимого осадка уран-235. Нет такого вещества, которое бы вступило в реакцию с ураном-235 и осталось бы нейтральным по отношению к урану-238. Оба изотопа урана, как и вообще всякие изотопы, являются, с точки зрения химии, неразделимыми близнецами.
Единственное отличие атома одного изотопа урана от атома другого изотопа в их массе, да и то эта разница только чуть-чуть больше процента. Но эта разница — единственное, чем можно воспользоваться для разделения изотопов урана.
Так начинается цепная реакция.
Физики знают много способов разделения веществ, отличающихся по весу. Одним из устройств, осуществляющих такое разделение, является всем известный сепаратор. В его приемный бак наливают обычное молоко, а из выводного устройства вытекают отдельно густые желтые сливки и синяя обезжиренная сыворотка. Разделение было осуществлено внутри сепаратора центробежной силой, которая в завихренных струях молока отделила, отжала к периферии более тяжелую сыворотку и подняла над ней легкие частицы жира.
Но и этот и другие способы разделения применимы к газообразным, жидким, сыпучим телам. А металлический уран — твердое тело, и размолоть его в порошок, частицы которого были бы величиной всего в один атом, конечно, невозможно.
Поэтому-то разделение изотопов урана производят, применяя не металлический уран, а его соединение со фтором — шестифтористый уран.
В обычных условиях это также твердое вещество. Однако оно испаряется при сравнительно невысокой температуре, и тогда его можно было бы направлять в центрифугу или систему центрифуг для разделения изотопов.
Однако в атомной промышленности обычно применяется другой способ разделения изотопов — метод газовой диффузии. Метод использования центрифуг, как показали расчеты, оказался бы слишком дорогим.
На фотографиях зарубежных газодиффузионных заводов видны огромные, занимающие целые гектары, плотно поставленные рядом друг с другом коробки — это диффузионные камеры. Они отделяются друг от друга мелкопористыми фильтрами, сквозь которые из одной камеры в другую диффундируют молекулы шестифтористого урана. При этом более легкие молекулы, содержащие уран-235, диффундируют несколько быстрее молекул урана-238. На этом и основана вся работа газодиффузионных установок.
Конечно, в связи с тем, что очень невелика разница их весов, невелика и разница в скорости диффузии их через мелкопористую перегородку. Поэтому процесс разделения приходится повторять несколько тысяч раз, прежде чем будет получен шестифтористый уран, в котором почти нет молекул урана-238.
Этот процесс разделения изотопов требует расхода огромных количеств электроэнергии, тепла, воды. Недешево обходится современной технике разделение близнецов — изотопов урана!
Еще сложнее процессы получения других ядерных горючих — плутония и урана-233. Первый получают из урана-238 после специальной обработки его в атомных котлах; второй аналогичным способом получают из тория.
Вот поэтому-то и обходится еще в настоящее время электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями, дороже не только электроэнергии ГЭС, но и электроэнергии тепловых станций.
Так что же, атомная энергетика бесперспективна? Электроэнергия, выработанная атомной электростанцией, никогда не сможет конкурировать по дешевизне с электроэнергией от гидростанции?
Сможет, обязательно сможет!
Во-первых, будут совершенствоваться и становиться все экономичнее способы производства атомного горючего.
Во-вторых, будет происходить накопление атомного горючего за счет выработки его в атомных реакторах некоторых типов. Дело в том, что нередко «зола», выгребаемая из атомных котлов, содержит в себе даже больше атомного горючего, чем было в них сожжено. Чем больше мы сжигаем в атомных электростанциях горючего, тем больше его имеем. Это парадоксально, но выгодно.
Ученые рассчитали, что при рациональном расходовании атомного горючего на АЭС с применением вновь получающегося горючего на новых электростанциях уже через 30 лет можно было бы удовлетворить потребности в электроэнергии всего человечества.
И поэтому атомная энергетика развивается семимильными шагами. В 1954 году вступила в строй первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР мощностью в 5 тысяч киловатт. Осенью 1958 года дала промышленный ток первая очередь крупнейшей в мире советской атомной электростанции, общая мощность которой будет составлять 600 тысяч киловатт. А в декабре 1957 года спущен на воду гигантский ледокол «Ленин». Мощность двигателей этого ледокола, работающего на атомном топливе, составляет 44 тысячи лошадиных сил.
Советский Союз идет впереди других стран по мирному использованию атомной энергии.
Вездесущий атом
Имеющихся на Земле запасов урана с избытком достаточно для того, чтобы полностью обеспечить потребность всех стран мира в энергии.
По прогнозам экономистов, в 2000 году на земном шаре будет выработано около 84 тысяч млрд. квт.-ч. Для этого надо или сжечь 15 млрд. тонн угля, или 4000 тонн урана. Надо ли говорить, что уже в настоящее время производство урана далеко перевалило через эту цифру. Ведь если в 1956 году в капиталистических странах было получено примерно 13 тысяч тонн закись-окиси урана, то уже в 1959 году эта цифра выросла в три раза — было выработано 39 тысяч тонн закись-окиси.
Уран находится буквально везде. Еще в 1934 году советский ученый академик В. И. Вернадский писал, что уран «открывается всюду вокруг. Он рассеян не только в породах, но находится во всех минералах». При этом большая часть урана находится в рассеянном состоянии.
Тепло, выделяемое ураном при ядерном распаде, является одним из основных источников разогрева внутренних слоев нашей планеты. Более 42 процентов всего тепла, получаемого Землей в результате ядерного распада, дает уран, почти 45 процентов — торий, около 12 процентов — калий.
И тут выявилась удивительная вещь. Если бы все составляющие Землю породы до самого ее центра содержали то же количество радиоактивных элементов, что и породы, из которых сложена ее кора, количество тепла, выделяющегося при распаде, должно бы быть в 100 раз больше, чем есть в действительности. Земля имела бы совершенно другой климат, вряд ли была бы пригодна для жизни. По всей вероятности, она была бы раскаленным, расплавленным шаром, маленьким подобием Солнца.
Раз этого нет, значит внутренняя поверхность планеты не содержит в себе радиоактивных элементов. Ими, в том числе ураном, богата только земная кора.
Почему это произошло — пока загадка, над поисками ответа которой бьются сегодня ученые. Может быть, радиоактивные элементы были заброшены на Землю позже всех, при прохождении нашей планеты через какое-либо пылевое облако, из которого и составились верхние ее слои?.. Или при взрыве Солнца, происшедшего в незапамятные времена, была облита наша планета содержащим уран и торий веществом?.. Или…
Впрочем, установить, когда именно возникла твердая кора нашей планеты, можно. И помогает в этом именно содержание в ней урана.
Мы говорили уже, что уран непрерывно распадается, а конечным продуктом этого распада является свинец. Если взять горную породу, содержащую уран, определить, сколько его осталось в, так сказать, натуральном виде и сколько превратилось в свинец, можно установить, когда именно началось это превращение в данной горной породе или, что одно и то же, когда она образовалась.
Проведенные исследования позволили установить, что земной коре не менее 3 и не более 5 млрд. лет.
Аналогичным способом определяют возраст земных пород, залежей полезных ископаемых, органических остатков и по распаду других радиоактивных элементов.
Между ураном и свинцом
Когда ученые установили всю цепь распада ядер урана в ядра устойчивого изотопа свинца, выяснилось, что изотопы всех элементов, находящихся в клетках между ураном и свинцом, бывают промежуточными продуктами этого превращения. Исключением оказался неметалл астатин, в природе не существующий. Многочисленные изотопы его были получены позже искусственным путем. Все они оказались нежизнеспособными, распадающимися в течение нескольких минут или даже секунд.
Различны эти металлы, различна их судьба на службе человеку, но большинство из них так или иначе связано с судьбой главного металла будущей энергетики — урана.
Сосед урана в периодической системе, протактиний, существует в природе только благодаря тому, что количество его атомов непрерывно пополняется распадом урана. Самый устойчивый изотоп протактиния имеет период полураспада всего в 34 300 лет. Конечно, если бы не непрерывное пополнение, и следов этого элемента не осталось бы уже на нашей планете.
Открыли протактиний впервые в 1918 году немецкие ученые О. Ган и Л. Мейтнер и одновременно с ними английские ученые Ф. Содди и Д. Крокстон. Как и надо было ожидать, этот металл был получен при переработке урановых руд. В 1934 году протактиний выделили в чистом виде. Новый металл оказался серебристо-белого цвета, не окисляющимся на воздухе. Вот, пожалуй, все, что сегодня о нем известно.
Следующим от урана к свинцу стоит торий. Нет, это не случайный, коротко живущий элемент, неудачное дитя в периодической системе. Период полураспада его самого устойчивого изотопа 13,9 млрд. лет. С образования земной коры едва прошла одна треть от времени его полураспада.
Тория не так уж мало в земной коре. Во всяком случае он не относится к неуловимо редким металлам. Есть и собственный минерал тория— так называемый монацит. Он добывается из монацитного песка, значительные запасы которого имеются в Индии и Бразилии.
Торий был открыт шведским химиком Я. Берцелиусом в 1829 году. Это мягкий металл, серовато-белый, плавящийся при 1842 градусах и кипящий при 5200 градусах. Удельный вес тория около 11,5 г на куб. см. В холодном виде из него можно прокатывать листы, вытягивать проволоку, штамповать детали.
Торий не обладает высокой химической стойкостью. Уже на воздухе его покрывает тонкая пленка окисла. При прокаливании он горит ослепительным белым светом. Способен поглощать большие количества водорода.
Одним из важнейших применений соединений тория совсем недавно было изготовление газокалильных сеток газовых фонарей. Дело в том, что пламя газа (можете убедиться в этом, включив плитку на кухне) не светит ярко, как светит, например, даже пламя керосиновой лампы. Газовое пламя— бледное, хилое. Но можно несравнимо усилить его яркость. Для этого на газовую горелку одевают сетку, сделанную из окиси тория. Раскалившись, эта сетка испускает ослепительно яркий свет. На изготовление таких сеток и шла в прошлом вся добыча тория.
Умерло газовое освещение, замененное электрическим. Но окись тория нашла себе другое чрезвычайно важное применение: ее наносят теперь на катодные вольфрамовые нити некоторых радиоламп. Когда нить накаляется, окись тория начинает активно испарять, выбрасывать из себя электроны — те самые электроны, которые и выполняют все работы в вакууме радиолампы.
Из металлического тория изготавливают катоды рентгеновских трубок.
В последнее время торий нашел и другое применение. Его сплавляют с магнием и получают легкий прочный сплав, сохраняющий свои конструкционные свойства до 400 градусов. Один из таких сплавов содержит от 1,5 до 2,5 процента тория и немного марганца. Остальное — магний. Этот сплав применяется в производстве самолетов и управляемых снарядах. Он легче алюминиевых сплавов почти на одну треть.
Но главное применение тория сегодня — в качестве ядерного горючего электростанций. Обычно он используется здесь в сплаве с радиоактивными изотопами других металлов. По предположениям некоторых ученых, этому металлу предстоит сыграть в атомной энергетике не меньшую роль, чем урану.
Первая электростанция на ядерном горючем.
Еще на одну клетку влево. Ее занимает актиний. Как и протактиний, он обязан своим существованием распаду ядер урана. Впервые его получил в 1899 году Дебьерн, как и следовало ожидать, в урановой руде. Вот, пожалуй, и все, что сегодня можно сказать об этом еще одном нежизнеспособном элементе.
…Когда работа уже приближалась к концу и стало ясно, что в ближайшее время новый металл будет получен в чистом виде, Пьер Кюри сказал своей жене и другу по работе:
— Интересно, каким он будет. Мне бы хотелось, чтобы он был красивым…
Открытый подвижническим трудом ученых металл — это был радий— превзошел все их ожидания. Именно он оказался тем металлом, который непрерывно манил ученых и исследователей все дальше и дальше проникнуть в тайны атомного ядра. Непрерывно выплескиваемые им лучи звали, словно сигналы маяка. С него началось проникновение человека к сокровеннейшим тайнам природы.
Сначала он казался чудом… Излучаемая им энергия как-будто возникала из ничего. Из ничего в запаянной наглухо пробирке возникали новые элементы. Трудно было сразу предположить, что это радий превращается в радон и свинец: ведь никто никогда не наблюдал превращения элементов. Был поставлен под сомнение великий закон сохранения энергии, закон сохранения вещества. Казалось, были поколеблены основные законы физики.
Но скоро ученые разобрались в происходящем. Гениальный Эйнштейн установил связи между массой вещества и энергией. Настало время найти новому металлу практическое применение.
Между тем в 1910 году М. Кюри-Склодовская и А. Дебьерн получили электролизом чистый радий. «Лучистый» — точный перевод этого имени. Им оказался серебристо-белый металл, сравнительно легкий (его удельный вес всего около 6 г на куб. см), с температурой плавления 960 градусов и кипения— 1140 градусов. Высокой оказалась химическая активность радия. На воздухе он покрывается черной пленкой окисла, энергично соединяется даже с углеродом и азотом. Энергично разлагает воду. Только в вакууме, изолировав от всех соблазнов вступить в реакцию, можно сохранять этот металл в чистом виде.
Соединения радия обладают способностью светиться в темноте — за счет собственного излучения. И это его свойство было первым, нашедшим практическое применение.
Давно было известно, что порошок кристаллического сернистого цинка, особенным образом приготовленного, смешанного с незначительными количествами других элементов, придающих ему окраску, светится некоторое время, будучи перенесен в темноту. Однако сила этого свечения быстро ослабевает. Надо снова «зарядить» состав, облучив его ярким светом. А это далеко не всегда возможно.
Но краска эта будет светиться практически вечно, если в нее добавить ничтожные количества радия. Всего несколько миллиграммов на килограмм краски. И тогда не погаснет стрелка компаса у судна, зимующего во льдах Арктики в период многонедельной ночи, не потускнеют указатели приборов самолета, летящего в ночном слепом полете. Можно приготовить светящуюся бумагу, на которой в темноте лаборатории ученый сможет записать свои наблюдения за ходом опыта.
Следующей областью применения радия стала медицина. Оказалось, что лучи радия обладают могучим целительным действием против целого ряда болезней, в том числе страшного, неумолимого рака, волчанки. Надо только тщательно дозировать облучение, иначе оно может стать из исцеляющего смертоносным.
И, конечно, жадно хотели обладать радием ученые. Обладать для того, чтобы с его помощью еще глубже проникать в тайны природы…
Сегодня во всех этих случаях уже обходятся без радия. Радиоактивный кобальт, несравненно более дешевый, пришел в лечебницы. Новые светящиеся составы стараются делать без радия, излучение которого даже в самых незначительных дозах все же крайне опасно для здоровья людей. Ученые располагают сейчас в своих лабораториях несравненно более мощными средствами проникновения в заповедные дебри вещества, чем может обеспечить радий. Так радий стал первым «безработным» металлом.
Самый простой из проектов атомной ракеты.
Франций, сосед радия, — металл, занимающий нижний левый угол в периодической системе элементов.
Металлические свойства нарастают в периодической системе элементов справа налево и сверху вниз. Верхний правый угол таблицы занимают самые активные неметаллы. Франций по своему положению является самым «металлическим» металлом. Однако и до сегодня этот металл — одна сплошная загадка.
Существование франция предсказал еще Менделеев. Он описал его основные свойства и назвал экацезием. Однако впервые обнаружить франций удалось только в 1939 году М. Пере. Исследовательница натолкнулась на него, изучая продукты радиоактивного распада актиния. Она назвала новый металл именем своей родины.
Франций оказался крайне коротко живущим элементом. Самый устойчивый из его изотопов обладает периодом полураспада в 21 минуту. А есть и такие, которые живут сотые и тысячные доли секунды. Практически почти невозможно изучить физические свойства нового, исчезающего из рук металла, — едва только несколько атомов его успевают выделить ученые. Поэтому об этих свойствах почти ничего не известно сегодня.
Не много известно и о химических его свойствах, кроме тех, которые можно предсказать, анализируя его положение в периодической системе элементов. Бесспорно, это очень активный металл. И бесспорно, сохранять его можно так же, как и радий, только в вакууме.
Противоположный, верхний правый, угол периодической системы элементов занимает фтор — самый активный неметалл, обладающий многими чудесными свойствами, которые человек сумел применить для многих важных дел. Может быть, не будь он таким неустойчивым, нежизнеспособным, был бы очень полезен человеку и самый активный металл — франций.
Следующим в ряду элементов, соединяющих уран и свинец, стоит радон, благородный газ, также крайне неустойчивый и недолго живущий. Он ядовит и опасен. Продукты распада радона оседают на все предметы, оказавшиеся в его атмосфере, и вызывают на их поверхности радиоактивность. За радоном следует астатин, о котором мы уже говорили, а еще дальше — полоний.
В честь родины Марии Кюри-Склодовской назвали этот элемент супруги Кюри, впервые получившие его даже несколько раньше радия из урановой руды. И этот элемент не обладает правом на долгое и устойчивое существование. Самый долгоживущий из почти двух десятков изотопов полония имеет период полураспада около 200 лет. Однако это уже позволило узнать и хотя бы в первом приближении изучить его свойства.
И этот элемент был предсказан Д. И. Менделеевым. Но Менделеев не предполагал, что полоний будет иметь две кристаллические модификации, что при температуре выше 75 градусов он будет иметь одну кристаллическую решетку, а при более низкой — другую. И, конечно, он даже не мог предполагать, что и при комнатной температуре полоний будет сохранять высокотемпературную кристаллическую решетку за счет тепла, выделяющегося при его радиоактивном распаде: ведь великий русский ученый еще ничего не знал о радиоактивности.
Удельный вес полония — около 9,3 г на куб. см. На воздухе этот металл быстро окисляется. Излучаемые им лучи разбивают молекулы кислорода, вызывают образование озона, и этот озон окисляет металл. Время практического применения полония, кроме научно-исследовательских лабораторий, видимо, еще не настало.
Кобальт пришел в медицину.
Висмут соседствует с одной стороны с полонием, с другой стороны— со свинцом.
Висмут имеет нераспадающийся изотоп. Он довольно широко распространен в земной коре. Однако богатых висмутом руд на земном шаре не так уж много. Основной источник висмута в нашей стране — отходы свинцово-цинковых заводов, отходы обогащения вольфрамовых руд и концентраты медно-висмутовых месторождений.
Висмут был известен давно, еще в XVI веке. Однако его тогда считали просто разновидностью свинца или олова. Только в середине XVIII века был он наконец признан самостоятельным металлом.
Свойства висмута не выделяют его из среднего круга не очень удавшихся природе металлов. Этот хрупкий металл имеет серебристо-красный цвет, удельный вес его — около 9,8 г на куб. см. Температура плавления висмута — 271 градус, кипения— 1560 градусов. Химическая активность средняя.
Висмут не годится даже на роли легирующего элемента: его присутствие делает многие металлы хрупкими, нековкими, поэтому металлурги не только не стремятся ввести висмут в стали или бронзы, но, наоборот, стремятся удалить его, чтобы и следов не осталось, если уж на несчастье в руде окажется примесь висмута.
И все же висмут обладает такими редкими индивидуальными чертами характера, которые обеспечивают ему очень важные применения в технике.
Первое из них — изготовление легкоплавких сплавов. Обычно в их состав, кроме висмута, входят свинец, олово, кадмий, индий. Один из сплавов, состоящий из этих элементов, плавится при температуре всего в 47 градусов. Уже на дне стакана горячего чая можно расплавить этот сплав.
Такие сплавы применяются в автоматических системах огнетушения. Части труб, краны водопроводной системы в помещениях, где требуется автоматическое огнетушение, делаются из легкоплавкого сплава. В случае повышения температуры в этом помещении сплав плавится, струи воды вырываются навстречу пламени — они заливают помещение, ликвидируя пожар.
Такие сплавы применяются и в качестве аварийных клапанов паросиловых установок. Вырастает температура пара, газа или перегретой жидкости выше допустимого предела— и плавится сделанная из легкоплавкого кадмиевого сплава пробка или стенка. Авария всего устройства предотвращена.
Первый пенсионер среди металлов.
Другой сплав, содержащий одну часть висмута и четыре части ртути, обладает удивительной способностью прилипать к самым различным веществам. Отлично прилипает он и к стеклу, поэтому его применяют в качестве серебрителя стеклянных поверхностей.
Применяют сплавы висмута и в качестве припаев, в частности если надо спаять стекло и металл. Делают из сплавов висмута и художественные отливки, он входит в состав типографских шрифтов.
Вот сколько применений находит немудрящий висмут.
Впрочем, мы не рассказали об еще одном. Висмут обладает уникальной способностью чрезвычайно сильно изменять свое электрическое сопротивление под влиянием температуры и изменения напряженности окружающего магнитного поля. Этим его свойством пользуются для измерения напряженности магнитного поля. Прибор для этой цели называется висмутовой спиралью.
Находят себе применение — главным образом в медицине, косметике и стеклоделии — многие соединения висмута.
Топливо этого гиганта — металл уран. Мирный атом служит людям.
И, наконец, свинец — последний этап всех трех линий ядерных превращений: и той, в начале которой лежит уран-238, и той, родоначальником которой является уран-235, и той, истоком которой служит торий. Причем каждая из этих линий завершается собственным изотопом свинца, так что можно определить, в результате какого процесса возникла та или иная его крупинка.
Свинец — тяжелый, мягкий, непрочный металл, поверхность которого можно поцарапать прямо ногтем, — видели все. Всем известно, что он легкоплавок — его можно расплавить на огне костра, для этого нужна температура всего в 327 градусов. При 1700 градусах свинец кипит. Удельный вес свинца— 11,3 г на куб. см.
Свинец служит человеку со времен глубочайшей древности. К третьему тысячелетию до нашей эры относится начало выплавки этого металла. Из него изготовляли трубы водопроводов, кровельные листы, сосуды, метательные снаряды. После изобретения огнестрельного оружия свинец стал классическим материалом для литья пуль, дроби. А развитие химической промышленности принесло ему новую кучу обязанностей. Способностью свинца сопротивляться разъедающему действию ряда кислот воспользовались для защиты металлов. Многие детали химической аппаратуры заводов, производящих серную кислоту, сделаны либо из свинца, либо покрыты свинцом.
Много свинца идет в настоящее время на производство аккумуляторов, кабелей — связи и силовых, закапываемых в землю. И здесь оказываются особенно полезными свойства свинца: пластичность, которая позволяет легко изгибать кабель, устойчивость против коррозии. Немало этого металла идет и на производство различных свинцовых сплавов.
Свинец оказался одним из самых «непрозрачных» для различных видов радиоактивного излучения металлов. Поэтому из него делают экраны, защищающие людей. В свинцовой груше скрывается крупинка радиоактивного кобальта, используемого для лечения рака. Свинцовые передники надевают люди, много работающие с рентгеновскими лучами.
Используется свинец в военном деле и сегодня. Свинцовой остается пуля, свинцовой остается и картечь.
Важные и нужные работы выполняет свинец, и поэтому все растет его производство. В капиталистических странах в 1952 году добыча свинца составила 1600 тысяч тонн, в 1958 году— 1930 тысяч тонн. И нет пока, несмотря на некоторые колебания, тенденций к сокращению производства этого металла-работяги.
Свинец — надежный страж.
Сбылась мечта алхимиков
Один известный американский ученый как-то заметил, что, вероятно, самым изученным элементом на земле сейчас является плутоний, первые атомы которого были созданы в лаборатории в 1940 году и о самой возможности существования которого до этого ничего не было известно.
Да, вероятно, многие из читателей этой книги, изучавшие химию в довоенные годы, помнят периодическую систему элементов, обрывающуюся ураном. И, наверное, не мало кому мечталось найти ее продолжение.
Об этом мечтали не только школьники, но и убеленные сединами ученые. Не зря в научной печати на протяжении ряда десятилетий то тут, то там появлялись сообщения об открытии девяносто третьего элемента. Надо ли добавлять, что все эти находки тут же опровергались нередко самими «открывателями», впавшими в ошибку честными учеными.
Трансурановых элементов так и не нашли. Только следы первых двух — нептуния и плутония — удалось открыть в урановых рудах. Возможно в принципе существование где-то в рудах редкоземельных элементов кюрия — четвертого зауранового элемента. Его период полураспада достаточно велик, чтобы можно было не считать навсегда потерянной возможность обнаружить его редкие атомы современными методами сверхточного анализа. Но вряд ли это понадобится. Ведь и нептуний и плутоний искали тогда, когда еще не умели изготовлять эти элементы. А теперь плутоний изготовляют на специальных заводах килограммами. Изготовляют точно так же, как изготовляют на молокозаводах сыр, на химических — пластмассу, на текстильных — ткани. Ученые нашли способы осуществить мечту древних алхимиков о превращении элементов. Но на соответствующих заводах люди в белых, как у хирургов, халатах изготовляют не бесполезное и дешевое золото, а необычайно важный и несравненно более драгоценный металл плутоний.
В 1934 году известный итальянский физик Энрико Ферми подверг бомбардировке нейтронами уран. Проведя затем его тщательный анализ, он обнаружил новый элемент, по своим свойствам не похожий ни на один из известных. Ферми тогда же высказал предположение, что получен заурановый элемент. Однако уточнить положение этого элемента в периодической системе не удалось.
В 1939 году в продуктах деления взорвавшихся ядер урана обнаружили изотоп с продолжительностью жизни всего 2,3 дня. Дополнительные исследования этого изотопа позволили установить, что он принадлежит следующему за ураном элементу. Этот металл назвали нептунием — в соответствии с названием планеты, следующей за Ураном.
В 1940 году группа химиков Калифорнийского университета обнаружила следующий трансурановый элемент. По той же традиции он был назван плутонием.
В 1944 году были приготовлены искусственным путем еще два следующих за плутонием элемента. Поскольку возможности найти астрономические имена среди крупных планет солнечной системы были исчерпаны, ученые назвали их америцием и кюрием — в честь материка, на котором они были открыты, и ученых Пьера и Марии Кюри, открывших радиоактивные элементы.
Эти четыре элемента получены к настоящему времени в значительных количествах, выделены в виде чистых соединений. Особенно много получено плутония, который оказался ценным ядерным топливом и получение которого является наиболее легким.
Все последующие заурановые элементы были получены в очень небольших количествах, иногда измеряемых считанными атомами.
В 1949 году в Калифорнийском университете был создан пятый трансурановый элемент — берклий, а в 1950 году — шестой, калифорний. И тот и другой получили названия по территориальному признаку— городу и штату, в котором работали изготовившие его ученые.
В конце 1952 года во время испытания термоядерного оружия воздействию мгновенного, но чрезвычайно мощного потока нейтронов был подвергнут уран. В полученных продуктах ученые нашли два новых элемента — седьмой и восьмой. Их назвали эйнштейнием и фермием — в честь двух выдающихся ученых. Позже эти элементы были получены и другими путями.
В мае 1955 года американские физики А. Джиорсо, Б. Харвей, Г. Чоппин, С. Томпсон и Г. Сиборг изготовили еще один элемент. Это был уже сто первый элемент периодической системы элементов, совсем недавно обрывавшейся девяносто вторым знаком. Ученые назвали этот элемент менделевием — «в признание ведущей роли великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал периодическую систему элементов для предсказания химических свойств еще не открытых элементов», — писали они.
И, наконец, в июле 1957 года было сообщено о создании сто второго элемента периодической таблицы. На этот раз весть о новом металле пришла из Стокгольма. Изготовили новый элемент ученые объединенной группы исследователей, в числе которых были американцы, англичане и шведы. Они назвали его нобелием — в честь Нобелевского института, в котором работали ученые.
Нелегко получить и обнаружить атомы элемента, который распадается за несколько минут. И все же физики, пятьдесят раз повторив опыт, обнаружили 17 атомов нового вещества. Советские ученые, поставив контрольные эксперименты, за месяц непрерывного облучения обнаружили 18 подобных ядер. Еще нет полной уверенности в их тождественности, но, по всей вероятности, этими 35 атомами и исчерпывается все количество нобелия на Земле за последние несколько миллиардов лет ее развития.
Изучение свойств трансурановых элементов привело к неожиданному выводу: все они похожи целым рядом черт друг на друга, а не на те элементы, которые стоят над ними, если разместить их просто по свободным клеткам. И ученые высказали предположение, что все они — обитатели одной клетки периодической системы. Кстати, аналогичное явление уже известно: в пятьдесят седьмой клетке, которую занимает элемент лантан, живут еще целых четырнадцать элементов. Их называют редкоземельными или лантаноидами. Вот такое же семейство элементов представляют собой и все искусственно полученные трансурановые элементы да, кроме них, еще сам уран и предшествующие ему протактиний и торий. А клетка, в которой прописаны все эти элементы, принадлежит по закону актинию. Таким образом, и знаменитый старый уран, и не менее знаменитый юный плутоний становятся просто рядовыми членами большого семейства актинидов. Из всех возможных членов этого семейства, а их должно быть, как и лантаноидов, пятнадцать, пока не обнаружен только один, последний. Сообщения об открытии этого 103-го элемента периодической системы, полученные летом 1961 года, еще не достоверны.
Все трансурановые элементы — типичные металлы. Самый тяжелый из них нептуний. Его удельный вес — свыше 19 г на куб. см. Он плавится при температуре около 640 градусов. Самый долгоживущий изотоп нептуния имеет период полураспада 2200 тысячи лет.
В настоящее время нептуний получают в количествах нескольких граммов в год. Это больше, чем добыча радия всего двадцать пять лет назад.
Половина ядер самого долгоживущего изотопа плутония распадается за 76 млн. лет. Это тоже металл с голубоватым блеском, быстро окисляющийся на воздухе. Он плавится при той же температуре, что и нептуний, но имеет целый ряд абсолютно уникальных качеств.
Прежде всего, он — единственный из металлов, имеющий шесть различных модификаций при атмосферном давлении и интервале температур от комнатной до температуры плавления. Это значит, что при нагревании или охлаждении у него шесть раз изменяется структура кристаллической решетки.
При перекристаллизации плутоний меняет свой объем и плотность. Поэтому удельный вес у него не постоянный, а зависит от того, при какой температуре его определили. Он изменяется в пределах примерно от 16 до 20 г на куб. см.
Плутоний при комнатной температуре имеет самое большое среди всех металлов электрическое сопротивление.
Все металлы при нагревании расширяются. Плутоний при нагревании сжимается.
Если бы плутоний не был сильно радиоактивным элементом, столь любопытные физические свойства его, вероятно, нашли бы разнообразнейшие применения.
Получение плутония в промышленных количествах считается несложным делом. Для этой цели используют крупные промышленные ядерные реакторы. На каждый килограмм использованного в них урана-235 образуется 800 граммов плутония. Плутоний производится в настоящее время килограммами и десятками килограммов.
Наиболее долгоживущий изотоп америция имеет период полураспада 8800 лет, кюрия — 470 тысяч лет, берклия — 7 тысяч лет, калифорния — 400 лет и эйнштейния — 2 года. Фермий живет всего несколько дней, менделевий — около получаса, нобелий — несколько минут.
Трансурановые элементы — не единственные в периодической системе, полученные искусственным путем. Кроме франция, о котором мы уже говорили, в лабораториях физиков были изготовлены и другие недостающие элементы периодической системы. Они заполнили остававшиеся в течение долгих лет пустыми сорок третью, шестьдесят первую и восемьдесят пятую клетки. Это технеций, прометий и астатин.
Технеций (его существование и основные химические свойства предсказал еще Менделеев) был получен в 1937 году итальянскими учеными Э. Сегре и К. Перрье. Они и дали ему название, в котором было запечатлено его искусственное происхождение. В настоящее время этот металл получают в довольно значительных количествах. В «ядерных осколках», образующихся из 1 кг плутония, содержится около 10 г долгоживущих изотопов технеция.
Из свойств технеция наиболее интересным является то, что он становится сверхпроводимым при самой высокой температуре из всех других элементов. Уже при охлаждении до 11,2 градуса абсолютной шкалы возникает у технеция это свойство.
Прометий и астатин были получены позже технеция.
Можно ли что-нибудь сказать о перспективах широкого применения заурановых и искусственно изготовленных элементов периодической системы?
Можно ли предсказать будущую профессию новорожденного? Так же нелегко предсказать судьбы новорожденных элементов. Но не исключено, что они будут применяться так же широко, как сегодня, положим, ванадий или сурьма.
В настоящее время в периодической системе элементов уже нет пустых, незаполненных клеток. И нет, значит, в природе элементов, еще не открытых человеком, кроме…
Да, кроме тех, которые лежат с обоих концов периодической системы. Там, за водородом, который мы считаем началом этой таблицы, член-корреспондент Академии наук СССР С. З. Рогинский поставил нулевой элемент — нейтрон. Может быть, еще дальше, за нулем — продолжение периодической системы в область антивещества, вещества навыворот?
А с другой стороны, за нобелием, если перешагнуть область неустойчивых ядер, распадающихся за секунды, может быть, снова начнутся ядра устойчивые, нераспадающиеся?
Недолго существовать этим вопросам. Стремительное развитие сегодняшней физики скоро найдет исчерпывающие ответы.
Но это не значит, что не встанут новые вопросы.
