Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 39)

Гольмий был открыт в 1879 году швейцарским химиком Жаком-Луи Сорэ, который, исследуя образец оксида эрбия, обнаружил раздвоение спектральных линий и понял, что в пробе находится еще один элемент. В том же году швед Пер Теодор Клеве выделил из другого образца оксида эрбия, выделенного из минерала, обнаруженного под Стокгольмом, некоторое количество окрашенных в оранжевый цвет солей элемента, спектральные свойства которого совпадали со свойствами элемента, найденного Сорэ. Клеве предложил назвать новый элемент гольмием в честь древнего латинского названия столицы Швеции Стокгольма (Holmia). Соли гольмия, как и многих других лантаноидов, являются хорошими поглотителями нейтронов и могут использоваться в атомной энергетике, однако наиболее интересное свойство гольмия – его парамагнетизм, который объясняется наличием неспаренных электронов.

Возвращаясь к магнитным монополям: в 1982 году физик из Стэндфордского университета Блас Кабрера по показаниям сверхпроводимого детектора квантовой интерференции предположил, что поймал эту магнитную элементарную частицу. Для проверки предположения руководство Стэнфорда выделило группе Кабреры дополнительное финансирование для постройки более мощного детектора, но исследователь внезапно отказался от поиска магнитного монополя в пользу не менее таинственного и неуловимого объекта – тёмной материи.

Начиная с 1980-х годов об экспериментальном наблюдении монополей в различных проектах (в том числе и во время работ по поиску бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере), но не все же лавры должны доставаться физикам. В 2009 году французские химики-материаловеды заявили, что в кристаллах титаната гольмия обнаружили магнитные компоненты, которые, как они предположили, являются магнитными монополями (Science, 2009, Vol. 326, 5951, Р. 415-417). Кристаллы содержали крошечные северные и южные полюсы магнитов, расстояние между которыми составляло около нанометра. Понятно, что, как и во многих других сообщениях о существовании магнитного монополя, обсуждение результатов поставило под вопрос уместность применения этого термина – южные магнитные полюсы в кристалле соли гольмия не могли существовать без северных, поэтому говорить об открытии настоящих монополей преждевременно, однако исследования в этой области активно ведутся до сих пор, в том числе и при изучении солей лантаноидов.

Что ещё можно сказать о гольмии? Это пятьдесят шестой по распространённости элемент в земной коре, его содержание раз в двадцать больше, чем содержание серебра, так что гольмий едва ли заслуживает того, чтобы о нём говорили как о редкоземельном элементе. Оксид гольмия применяется для подкрашивания оксида циркония – цирконитов или фианитов – и имитации драгоценных камней. В незначительных количествах гольмий присутствует в организме и влияет на обмен веществ некоторых бактерий, однако не относится к эссенциальным элементам. Гольмий применяется для легирования кристаллов смешанных оксидов иттрия-алюминия – рабочих тел некоторых медицинских лазеров. Такие лазеры могут выжигать опухолевые клетки, причиняя здоровой ткани минимальный ущерб. Так, благодаря алюминий-иттрий-гольмиевому лазеру человеку с раком прямой кишки, диагностированным на ранней стадии, можно удалить новообразования за пару часов, не прибегая к общей анестезии.

68. Эрбий

Как, наверное, уже можно было понять по празеодиму и неодиму, которые долгое время были просто «дидимом», лантаноиды – элементы, вокруг которых возникала путаница. Эрбий – не исключение. Впервые этот металл, названный в честь «города трёх элементов», был выделен в 1843 году шведским химиком Карлом Густавом Мосандером из минерала гадолинита.

Мосандер обнаружил примеси в концентрате оксида иттрия и выделил из него три фракции: иттриевую, розовую terbia (которая содержала современный элемент эрбий) и бесцветную erbia (содержала элемент тербий, нерастворимый оксид тербия имеет коричневый оттенок). Тербий был переименован в эрбий после 1860 года, а эрбий в тербий – в 1877 году, но ещё долгое время путаница в том, какой элемент тербий, а какой эрбий сохранялась. Не содержащий примесей оксид трехвалентного эрбия был получен в 1905 году Жоржем Урбэном, а металлический тербий удалось получить только в 1934 году. Сейчас, чтобы не путать тербий с эрбием и наоборот, мы можем не только запомнить, что соли тербия окрашены преимущественно в зелёный цвет, а соли эрбия – в различные оттенки розового, но и то, что у тербия на внешнем уровне 11 электронов, а у эрбия – 14. Электронная конфигурация эрбия и тербия практически не зависит от условий и среды, поэтому в своих соединениях этот металл может проявлять только различные оттенки розового цвета, но не менять окраску кардинально.

Тем не менее главная ценность эрбия и его соединений не их розоватая окраска, а то, что они могут поглощать электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне. Наверное, многие знают о том, что наряду с электрическими кабелями, по которым идет электрический ток, существуют волоконно-оптические кабели, по которым передаются оптические сигналы. Эти тонкие нити из стекла можно было бы назвать оптическим совершенством, если бы не одна деталь – в волоконно-оптических кабелях свет рассеивается, а светорассеяние ограничивает длину оптического волокна, по которому можно передавать сигнал.

Происходящее в световоде рассеяние называется рэлеевским рассеянием – по этой же причине небо над нами синее, а закаты и восходы – красные. Суть явления заключается в том, что чем короче длина волны электромагнитного излучения (света), тем больше он рассеивается. Если кварцевое стекло, из которого обычно делают волокно для оптического кабеля, легировать оксидом эрбия, может пропускать электромагнитное излучение с длиной волны 1,55 микрона – при этом степень рассеяния света минимальна, а ближний инфракрасный свет практически не поглощается световодом, что делает эрбий идеальной добавкой для оптических волокон и усилителей оптических сигналов – технологий, лежащих в основе современных коммуникаций. Монокристаллы оксида эрбия также применяются как материалы для лазерной хирургии. Рабочая длина волны эрбиевого лазера совпадает с частотой колебаний атомов O–H в воде, благодаря чему луч такого лазера хорошо поглощается преимущественно состоящими из воды биологическими тканями.

69. Тулий

Во времена Античности и Средних веков, когда географические карты главным образом состояли из белых пятен, на которых ещё и писали «здесь могут водиться чудовища», земли, расположенные за пределами представления жителей Европы, называли Ultima Thule.

Это название пошло от имени таинственного острова «Тулас», который, по мнению греческого историка и географа Полибия, располагался в шести днях морского пути к северу от британских островов. Со временем слова Thule, Tooli или Tool стали нарицательными для обозначения далёких и неизведанных земель, ну а под Ultima Thule подразумевалась самая далекая и неизведанная часть далекого и неизведанного, где «…не существует собственно суши, моря и воздуха, а только некая смесь этих элементов, консистенция которой сравнима с желе и в которой нельзя ни идти, ни плыть…».

Таким образом, когда в 1879 году шведский химик Пер Теодор Клеве (позднее, в 1894 году, он был награждён Королевским химическим обществом медалью Дэви за открытие четырёх элементов) давал название тулию, он слегка ошибся, написав: «…для оксида [элемента], расположенного между иттербием и эрбием, я предлагаю название тулий (thullium) от слова Thule, древнего названия Скандинавии…». Всё же изначально под Thule по смыслу имелось в виду что-то типа нашего «Тридевятого королевства», а то, что позднее земли норманнов оказались как раз примерно в районе Туле, – это, скорее, совпадение.

Первоначальное открытие тулия можно считать случайным. Клеве анализировал несколько образцов оксида эрбия, выделенных из минерала, содержащего преимущественно оксид иттрия, и понял, что разные образцы отличаются по чистоте, поскольку для каждого из них получалась индивидуально «своя» атомная масса эрбия, чего, конечно, не могло быть. Дальнейшая работа по разделению образцов позволила выделить оксиды ещё двух элементов – гольмия и тулия (открытие лантаноидов напоминает игру с матрёшками). Металлический тулий был выделен только в 1914 году.

Какое-то время тулий вполне мог считаться «самым бесполезным химическим элементом» – любая задача, для решения которой он мог применяться, успешнее и дешевле выполнялась другим химическим элементом, про него даже писали: «…самый удивительный факт про тулий в том, что в этом элементе нет вообще ничего удивительного…». Но все же это не совсем так – есть приложения, в которых ничто не может заменить тулий. Средняя добыча этого металла составляет около 50 тонн в год, и если бы он был самым бесполезным элементом, вряд ли его бы стали извлекать из руд, в которых он чрезвычайно рассеян. Тулий – моноизотопный элемент, единственный нуклид его в земной коре – это стабильный ¹⁶⁹Tm. Бомбардировка этого сорта атомов тулия нейтронами позволяет получить радиоактивный ¹⁷⁰Tm с периодом полураспада в 128 дней. Радиоактивный тулий является хорошим источником рентгеновского излучения, из-за чего с 1950-х годов применяется как источник излучения в небольших по размеру рентгеновских аппаратах (используемых, например, в стоматологии) и рентгеновских аппаратах для дефектоскопии – поиска повреждений в деталях и конструкциях. Как и многие другие лантаноиды, тулий может применяться для легирования рабочих тел иттрий-алюминиевых лазеров, в данном случае польза от тулия в том, что его добавки позволяют перенастраивать рабочую частоту лазерного луча.