Удивительное явление радиоактивности было впервые обнаружено при изучении люминесцентной соли урана (см. главу 15). Следующими открытыми радиоактивными элементами стали радий и полоний, но сейчас для нас важно то, что все эти три элемента присутствуют в природных источниках. Устойчивым изотопом урана является уран-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет, что практически совпадает с возрастом Земли. Другими словами, у элемента урана имеются собственные руды, из которых его можно извлекать.
До урана и за ураном
У радиоактивного элемента радия Ra имеется изотоп радий-226 с периодом полураспада 1600 лет, у полония — изотоп полоний-209 с периодом полураспада 102 года. И то и другое намного меньше возраста Земли, и собственных руд ни радий, ни полоний не имеют, а образуются в природе при распаде изотопов урана или тория. И выделяют их из урановой руды.
В Таблице Менделеева элементы с номерами 90-103, от тория Th, протактиния Pa и урана U до лоуренсия Lr, выделены в особую группу под названием «актиноиды». Это связано с тем, что при переходе от актиния к каждому последующему элементу электрон попадает не на внешний электронный слой, а на внутренний, так называемый f-слой. А поскольку химические свойства элемента определяются составом внешнего электронного слоя, а он практически одинаков для всех актиноидов, то и химические свойства этих элементов очень близки. Поэтому вся группа целиком помещается в клетке актиния № 89.
Аналогично актиноидам выделены в особую группу и лантаноиды, целиком помещающиеся в клетке элемента лантана La. Любопытно, что запоздалое открытие этих элементов очень поспособствовало Дмитрию Ивановичу Менделееву в открытии его периодического закона и Периодической таблицы. Если бы эти 14 элементов были открыты раньше, Менделееву никак бы не удалось составить свою таблицу, ведь тогда о строении электронных слоев и возможности помещать кучу элементов всего в одну клетку никто и не подозревал.
Самым устойчивым и самым распространенным элементом группы актиноидов являются торий и уран, открытый в конце XVIII века и названный так в честь планеты Уран. Это один из тех элементов, для которых Менделеев волюнтаристски, но совершенно правильно изменил значение атомной массы. До открытия им периодического закона считалось, что атомная масса урана равна 120, но это никак не соответствовало логике Таблицы элементов. Дмитрий Иванович, не проводя никаких экспериментов, а только имея информацию о химических свойствах урана и его соединений, присвоил урану атомную массу 240. Сейчас известны три природных изотопа урана — уран-234, уран-235 и уран-238, и принятое среднее значение атомной массы составляет 238,029. От присвоенного Менделеевым значения эта величина отличается всего на ничтожные 0,82 %.
Уран, точнее, его изотоп уран-238, является последним стабильным элементом Таблицы Менделеева, все последующие элементы стабильных изотопов с периодом полураспада не меньше возраста Земли не имеют. Они были получены искусственно. Так, например, следующий за ураном элемент № 93 был получен в 1940 году путем бомбардировки урана нейтронами. В Солнечной системе за планетой Уран находится планета Нептун, в честь нее этот элемент назвали нептунием. А полученный таким же образом элемент № 94, знаменитый плутоний атомных бомб, назвали в честь следующей за Нептуном планеты Плутон. Плутоний — тот самый элемент, с использование которого была создана бомба «Толстяк», сброшенная на Нагасаки в 1945 году. И нептуний, и тем более плутоний можно теоретически выделить из природного сырья, но их там так мало, что приходится получать эти элементы в ядерных реакциях. Причем оружейного плутония накоплено уже около 300 тонн. Когда на циклотроне были получены первые несколько миллиграммов плутония, все сотрудники Калифорнийского университета сбежались посмотреть на это чудо. Однако показать было практически нечего, а потому авторы открытия насыпали немного первого попавшегося под руку порошка в пробирку и демонстрировали ее, гордо сообщая, что этот порошок и есть искусственный элемент плутоний.
Следующие искусственно получаемые элементы америций Am, кюрий Cm, берклий Bk, калифорний Cf, фермий Fm и менделевий Md имеют изотопы с периодами полураспада от тысяч лет до нескольких суток, самый долгоживущий изотоп элемента № 102 нобелия No наполовину распадается уже менее чем через час, а элемента № 103 лоуренсия Lr — за три минуты. На этом элементе заканчивается семейство актиноидов. Обратим внимание на символ элемента кюрия, названного, разумеется, в честь семейства Кюри. Казалось бы, ненужная в данном случае латинская m подчеркивает роль в изучении радиоактивности madam Кюри.
По завершении семейства актиноидов взгляд возвращается в основную часть Таблицы Менделеева, и первым после лоуренсия мы видим элемент № 104 резерфордий Rf, а затем — № 105 дубний Db, № 106 сиборгий Sg и № 107 борий Bh с периодом полураспада уже меньше минуты, а именно 17 секунд. Дубний назван в честь города Дубны, где он был впервые синтезирован в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Большинство изотопов следующего элемента № 108 хассия Hs имеют период полураспада меньше секунды, а у элемента № 109 мейтнерия Mt все изотопы наполовину распадаются за доли секунды.
Однако элемент № 110, дармштадтий Ds, имеет изотопы с периодом полураспада уже более секунды. Существует теория, что последующие элементы должны иметь все большие периоды полураспада вплоть до «острова стабильности» в районе 120-го элемента. Настолько большие, что могут быть даже обнаружены в природе, существуя со времен возникновения Земли. Новый элемент № 112 с временным названием «унунбий» (то есть «один-один-два» по латыни) был впервые получен в 1996 году на ускорителе тяжелых ионов в Центре исследования тяжелых ионов в Дармштадте (Германия).
Это одна из трех главных организаций, в которых проводится синтез новых трансурановых элементов, две другие — это наш ОИЯИ в Дубне и американская Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли. Между этими центрами ведется гласная и негласная конкуренция за открытие новых элементов, особенно в связи с приближением к этому самому «острову стабильности». И действительно, у № 112 уже вполне приличный период полураспада — 34 секунды.
После длительных проверок, в том числе в Дубне, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признал приоритет Дармштадтского центра и сам факт открытия. Это означает, что немецкие ученые получили право выбрать имя для элемента с неказистым названием унунбий, и они предложили назвать его коперникием — понятно, что в честь Коперника. Эти ученые уже присваивали названия для элементов № 107 (борий), № 109 (мейтнерий) и № 110 (дармштадтий). Довольно благородный поступок немецких ученых, назвавших открытый ими элемент коперникий в честь поляка. Хотя как сказать. Мать Николая Коперника была немкой, на польском языке он не написал ни строчки, а использовал исключительно латынь и немецкий, город Торунь, где родился великий ученый, был основан немцами и длительное время входил в состав Пруссии.
Союз ИЮПАК утвердил название коперникий (Cp) для унунбия. В свое время Менделеев для обозначения еще не открытых элементов использовал метод аналогии и приставку «эка», что на санскрите означает «один». В таком случае № 112 должен был бы называться (разумеется, временно) эка-ртутью («ртуть плюс один»). По аналогии с ртутью коперникий должен быть вторым, после ртути, жидким металлом при нормальных условиях, хотя получить № 112 в заметных количествах вряд ли удастся. А жаль, было бы интересно посмотреть на второй жидкий при нормальных условиях металл.
В последние годы в ОИЯИ под руководством академика Юрия Оганесяна уже получены элементы № 113–116 и № 118. Об истории получения элемента № 117 стоит рассказать подробнее, как и о самом «острове стабильности».
Как мы уже видели, при переходе от № 92 урана к № 102 нобелию период полураспада элементов уменьшается на 16 порядков — от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. Считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, то есть обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60-х годов прошлого века теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер, причем время жизни элементов с номерами 110–120 должно было бы заметно возрастать. Таким образом, ученые предсказывали «остров стабильности» сверхтяжелых элементов.
Остров везения
Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, где удалось полностью изменить подход к синтезу сверхтяжелых элементов. В ОИЯИ обстреливали мишени из элемента № 97 берклия «снарядами» из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция № 20 с массой 48. При слиянии ядер получается элемент № 117 (97 + 20 = 117). Эффект был поразительный, в течение каких-то пяти лет впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. Ученые ОИЯИ показали (а через несколько лет их результаты были получены и в других лабораториях мира), что эти элементы живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.
Очень интересно, как в ОИЯИ появился искусственный элемент берклий, ведь в Дубне его не получали. Дело в том, что период полураспада нужного изотопа составляет всего 320 дней, поэтому из-за такого короткого времени жизни наработку берклия в нужном количестве (20–30 миллиграммов) надо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов, а такой реактор есть только в Национальной лаборатории США в Оук-Ридже (кстати, именно здесь был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы). Поскольку с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней, при доставке элемента в Дубну необходимо было все делать очень быстро: быстро пройти американские и российские формальности, связанные с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее. Достойно приключенческой повести!
В конце концов в начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Дубнинские умельцы изготовили мишень в виде тончайшего слоя берклия, нанесенного на титановую фольгу. Уже при первом облучении мишени детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, который в свою очередь превращался в 113-й, а тот переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе это огромное время!
Никакого практического значения получение этого элемента, конечно, не имеет, однако представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Ведь если будут синтезированы элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе. Эксперименты по их поиску уже ведутся, в глубине Альпийских гор стоит специальная установка по регистрации таких элементов.
Как элемент назовешь, так он и заживет
Кстати, а как вообще у элементов появились названия? Прежде всего напомним, что химический элемент — это отдельный вид атомов с определенным зарядом ядра. Номер элемента в Таблице Менделеева — это и есть заряд ядра. Несколько элементов известны с глубокой древности и тогда же получили свои названия, как правило, связанные с внешним видом или каким-либо физическим свойством. Например, «золото» и «ртуть» происходят от индоевропейских корней, означающих соответственно «желтый» и «бежать»: золото — металл желтого цвета, а капли пролитой ртути действительно так разбегаются во все стороны, что собрать их довольно трудно. Другие элементы, такие как серебро и железо, медь и сера, углерод и цинк, были известны еще в Древнем Египте.
В Средние века алхимики открыли мышьяк, висмут и фосфор (последний — из человеческой мочи). Алхимик Бранд выделил не тот красный фосфор, который содержится в намазке спичечной коробки, а фосфор белый, который окисляется на воздухе и светится. Вот почему этот элемент и назвали «фосфор» — от греческого «светоносец».
В XVIII и XIX веках химики открыли множество элементов. Их называли в честь планет Солнечной системы (уран, плутоний) или мифологических героев (торий — от скандинавского бога грома Тора), по внешнему виду (хлор — от греческого «зеленый») или по имени родины первооткрывателя (рутений — от латинского «Рутения», то есть Россия). Все эти элементы существуют в природе. Любопытно, что многие из них названы в честь государств или географических названий — тот же рутений, германий, франций, европий, америций, полоний, дубний, галлий, скандий (в честь Скандинавии). И только в одном случае вышло наоборот: Аргентина получила свое имя в честь серебра (от латинского argentum), да и то по ошибке. Испанские конкистадоры были уверены, что в этой части Южной Америки огромные залежи серебра, но надежды их не оправдались. Да и с какой стати испанцы решили, что эти залежи здесь должны быть, — совершенно непонятно. Приводятся какие-то легенды, неразборчивые предания неграмотных аборигенов, но истины сейчас уже не найти.
Забавно происхождение названия другого элемента — платины, которое также связано с элементом серебро. С платиной конкистадорам как раз повезло: они нашли и месторождения этого самородного металла, и некоторое количество платиновых изделий, созданных индейцами на территории будущей Колумбии. Однако своего везения испанцы не поняли и пренебрежительно назвали этот похожий на серебро, но очень тугоплавкий металл серебришком от испанского названия серебра — plata. Платина плавится при гораздо более высокой температуре, чем серебро, поэтому металл казался малоперспективным для использования в ювелирном или монетном деле и оценивался в два раза дешевле самого серебра. Сейчас благородный металл платина стоит заметно дороже золота и в 50 (!) раз дороже серебра. В России платину обнаружили на Урале и вначале использовали для производства ружейной дроби. Нетрудно догадаться, что выстрел из дробовика с платиновой дробью стоит во множество раз больше, чем подстреленная утка или глухарь.
В первой трети и середине XX века получили свои названия радиоактивные элементы, которые быстро распадаются, в природе не существуют и могут быть получены только искусственным путем. Хотя традиция использовать географические названия сохранилась (америций, берклий, калифорний, наш дубний, как уже упоминалось, в честь Дубны), новым элементам стали давать названия преимущественно в честь великих ученых. Так в нижней строчке Таблицы Менделеева появились фермий и эйнштейний, кюрий и резерфордий, нобелий и менделевий. Раньше и правильнее у нас элемент называли «менделеевий», но постепенно смирились с англоязычным наименованием, тем более что и открыли, и назвали этот элемент № 101 американцы.
Кстати, с теми же американцами связана и история двойного наименования элемента ниобия № 41. Этот элемент был выделен из минерала колумбита в 1801 году. Его первооткрыватель англичанин Ч. Хатчет назвал элемент «колумбием». Сам минерал был обнаружен в канадской части бассейна реки Колумбия, а англичанин оказался в Канаде просто потому, что в те годы эта огромная часть Североамериканского континента принадлежала Великобритании. Однако в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, не имея на то никаких прав, взял да и переименовал колумбий в ниобий в честь Ниобы, дочери героя древнегреческого мифа Тантала. Некоторые основания для такого переименования были, а именно большое сходство химических свойств этих двух элементов, находящихся в одной и той же V группе Таблицы Менделеева, причем ниобий стоит прямо над танталом. Однако ни англичане, ни солидаризировавшиеся с ними американцы (река Колумбия протекает в основном по территории США) не согласились с этим переименованием и упрямо помещали в клетку № 41 значок Cb. И сейчас можно встретить колумбий в американской химической литературе, несмотря на принятое в 1950 году решение ИЮПАК об использовании исключительно названия «ниобий». Похожая история произошла и с вольфрамом. Этот элемент был впервые выделен из минерала вольфрамита, который часто сопутствует оловянным рудам и мешает выплавке олова, переводя олово в шлаковую пену. За это он и был назван «волчьей пеной» — wolf rahm по-немецки. Однако в Великобритании, США и Франции этот элемент и самый тугоплавкий металл называют не вольфрамом, а тунгстеном. Путаница происходит оттого, что вольфрам-тунгстен почти одновременно открыли два испанских химика и великий швед Карл Вильгельм Шееле. Испанцы присвоили элементу № 74 имя вольфрам, а Шееле — тунгстен по аналогичному названию минерала тунгстена, из которого он этот металл выделил. Тот же ИЮПАК требует использовать только символ W и название «вольфрам», но эта организация не в состоянии запретить химикам использовать название «тунгстен» и символ Tu.
Примером правильного использования символа и устаревшего названия являются элементы натрий и калий, который по-английски называются «содиум» от натриевой соды и «потассиум» от калиевого поташа. Но пишутся Na и K. При переводе на русский язык этикеток моющих средств, которые часто содержат соединения натрия и калия (например, лаурилсульфат натрия — поверхностно-активное вещество), иногда ошибаются и появляется загадочное образование лаурилсульфат содиума.
Уран, нептуний, плутоний были названы в честь планет Солнечной системы, но открыты или получены они были в земных лабораториях. И лишь один элемент вначале обнаружили на другом небесном теле, а именно на Солнце, — этот элемент назвали гелий, в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. Открыли гелий так: в солнечном спектре увидели его линию вблизи желтой линии натрия. В 1871 году было сделано предположение, что эта линия соответствует новому элементу, и лишь через 27 лет гелий был выделен великим химиком Рамзаем из уранового минерала клевеита. А в 1906 году выяснилось, откуда в минерале, то есть попросту куске камня, взялся газ. Еще более великий Резерфорд выяснил, что при радиоактивном распаде урана испускаются альфа-частицы, которые как раз и представляют собой ядра атомов гелия. При этом гелий является одновременно и вторым по распространенности элементом во Вселенной (после водорода), и вторым по легкости химическим элементом (тоже после водорода). И наконец, благородные гелий и неон — единственные химические элементы, которые не удалось заставить вступить в реакцию с какими-либо другими веществами или элементами. Остальные благородные газы — аргон, криптон, ксенон и радон — уже сдались и свой аристократизм утеряли (об этом см. в главе 15). Принципиальная негорючесть гелия сделала этот газ идеальным для наполнения воздушных шаров и дирижаблей вместо крайне опасного водорода. Единственный недостаток — гелий заметно дороже водорода.
На Земле больше всего изотопа с двумя нейтронами — гелия-4, а легкого стабильного изотопа гелия-3 намного меньше. На Луне же количество гелия-3, попавшего на наш спутник из солнечного ветра, по оценкам, сотни миллионов тонн. И руководители нашего космического агентства даже заявляли, что этот гелий можно будет собрать, отправить на Землю и здесь провернуть термоядерную реакцию синтеза гелий-3 + дейтерий (в результате этой реакции получается энергия), ведь дейтерия на Земле полно. Всю годовую потребность Земли в энергии может обеспечить всего 100 тонн гелия-3. Однако это лишь прекраснодушные расчеты. Управляемую термоядерную реакцию запустить до сих пор не удалось, хотя физики занимаются этой проблемой уже больше 60 лет, и даже кинофильму «Девять дней одного года», в котором герой Алексея Баталова пытается найти «термояд», уже пятьдесят лет. На юге Франции начато строительство международного экспериментального реактора ИТЭР, но дата запуска все время отодвигается, последняя из называемых дат — 2026 год. Но как планировать на столько лет? Поневоле вспоминаешь знаменитого осла, которого Насреддин обещал шаху научить разговаривать через 15 лет. Насреддин понимал, что за 15 лет кто-нибудь да умрет. Либо шах, либо сам Насреддин. Либо, в конце концов, осел.
К настоящему времени в Таблице разместилось 117 химических элементов с номерами 1-116 и 118, элемент № 117, как уже говорилось, не так давно синтезировали в ОИЯИ в лаборатории академика Юрия Оганесяна. Названы, однако, только элементы до № 112. Как правило, новые элементы, то есть элементы с большим зарядом ядра (номером), получают при слиянии ядер уже известных элементов. Так, уже упоминавшийся элемент № 112 был открыт в результате обстреливания ядрами цинка (номер в Таблице — 30) мишени из свинца (номер 82). Ядра цинка и свинца слились и образовали ядро нового элемента (30 + 82 = 112).
А пока элемент № 117 носит неказистое название «один-один-семь», то есть унунсептий. Но ученые из лаборатории академика Юрия Оганесяна, как авторы открытия, имеют полное право дать настоящее имя этому элементу, а также открытым ими элементам № 114–116 и 118. Как сообщают из ОИЯИ, элемент № 116 предполагается назвать московием, но вовсе не в честь города Москвы, а в честь Московской области, в которой находится Дубна и ОИЯИ. А элемент № 114 — флеровием в честь академика Георгия Флёрова, открывшего спонтанное деление урана и первым еще в 1942 году сообщившего Иосифу Сталину о возможности и необходимости создания отечественной атомной бомбы. Кстати, это интересная история.
Бомба Флёрова
Лейтенант Георгий Флёров, однажды оказавшись в прифронтовом Воронеже, зашел в Воронежский университет, в библиотеку которого даже во время войны поступали иностранные англоязычные физические журналы. Пролистав их, Флёров обнаружил полное отсутствие статей об уране, цепной реакции, получении трансурановых элементов и вообще о ядерной физике, хотя в предыдущие годы до половины объема журналов было посвящено этим горячим темам. Ему стало совершенно ясно, что все такого рода исследования засекречены — значит, американцы и англичане начали работу по изготовлению атомной бомбы, принципиальная возможность которой уже была доказана, в том числе и расчетами самого Флёрова. Тогда-то он и написал письмо генералиссимусу, а в 1943 году Флёрова отозвали с фронта и включили в группу ученых, занимавшихся советским атомным проектом. Малообразованный генералиссимус и его клевреты в то время не понимали, что это там задумали физики, и по-настоящему делать бомбу в СССР начали только после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, когда даже недалекое советское руководство сумело оценить невиданные возможности атомного оружия. Уже отмечалось благородство немецких ученых, назвавших № 112 в честь великого поляка коперникием. Ранее открытые ими элементы № 108 и № 109 они назвали в честь немецкой земли Гессен (хассий) и великой Лизе Мейтнер (мейтнерий), которая открыла деление урана, то есть фактически изобрела атомную бомбу.
Синтез элементов с номерами вблизи и на «острове стабильности» не является просто удовлетворением любопытства ученых и развитием фундаментальной науки. Существуют предположения, что на основе этих элементов будет создана совершенно новая ядерная энергетика.
Итак, безымянны открытые в России элемент № 113 унунтрий (1-1-3), № 114 унунквадий (1-1-4), унунпентий (1-1-5), унунгексий (1-1-6) и унуноктий (1-1-8). Все эти унылые «унуны» представляют собой всего лишь кодовые наименования, используемые для удобства — хотя какое тут удобство, особенно для русскоязычного читателя? Вообще надо признать, что ИЮПАК мышей не ловит, или по крайней мере делает это крайне медленно. Дубнинские исследователи предложили для синтезированного ими в 2003 году унунтрия название «беккерелий» — в честь Анри Беккереля, открывшего радиоактивность. Но неожиданно в эту историю втерлись японцы, которые в 2004 году якобы синтезировали один (!) атом унунтрия. Они тут же предложили назвать его нихонием (от «Нихон» — Япония). Почему ИЮПАК до сих пор не вынес своего решения — бог весть.
Унунквадий № 114 уже предлагалось назвать ога-нессием в честь понятно кого — но в отношении действующих ученых так обычно не делается. Унунпентий № 115 дубнинские физики предлагали назвать ланжевением в честь известного французского физика и иностранного члена нашей Академии наук Поля Ланжевена. Элементу № 116 пока имени не подобрали, а № 118 предлагали назвать московием (см. выше). Ни одно из этих названий ИЮПАК пока не утвердил.
Как видим, в химии нашлось место и лингвистике. Стремясь назвать новый элемент в честь своего соотечественника или места открытия, ученые тратят огромные — причем, не свои — деньги. Интересно, что и сами химические вещества могут стать словами некоего языка живых существ. Такие вещества называют феромонами.