Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 48)

87. Франций

В 1929 году Мария Кюри взяла в парижский Институт радия на должность личного ассистента – двадцатиоднолетнюю Маргариту Катерину Перей. Спустя десять лет Перей откроет неуловимый химический элемент №87, за это открытие она получит степень магистра химии, а затем в 1946 году защитит диссертацию, став PhD (доктор философии, ученая степень, примерно соответствующая нашей степени кандидата наук). В 1962 году Маргарита Перье стала первой женщиной, избранной членом-корреспондентом Французской академии наук, её начальница и наставница – дважды лауреат Нобелевской премии Мария Кюри.

Однако история элемента №87 началась лет за шестьдесят до его открытия. В составленной Менделеевым в 1869 году таблице клетка с элементом №87 не была пустой – в ней Дмитрий Иванович разместил предсказанный им элемент «экацезий». По положению в таблице было ясно, что №87 должен быть активным щелочным металлом, свойства которого должны были напоминать свойства всего семейства. Опираясь на предсказания, многие исследователи пытались искать №87 в рудах, содержащих щелочные элементы. Как и в случае технеция, неоднократно делались ошибочные заявления об открытии самого тяжелого щелочного металла, пока, наконец, не стало ясно, что все изотопы элемента №87 должны быть радиоактивными. После этого стратегия поиска поменялась, стали изучаться цепочки распада радиоактивных элементов.

Образование химических элементов в ходе радиоактивного распада подчиняется двум несложным правилам. При α-распаде атомный номер дочернего ядра на две единицы меньше, чем у ядра распадающегося, при β-распаде атомный номер увеличивается на одну единицу. Элемент №89, который, испуская поток α-частиц, мог дать элемент №87, был открыт ещё в 1899 году – это был актиний.

Изучение продуктов радиоактивного распада – непростое занятие, но Перей хватило экспериментального мастерства, чтобы научиться быстро очищать образец соли актиния, чтобы она могла наблюдать продукты распада только этого элемента. Эксперименты показали, что почти 99% подвергается медленному β-распаду, образуя элемент №90 – торий, который затем через α-распад превращается в радий. Однако около 1% актиния не распадалось по этому механизму и испускало α-частицы, превращаясь в предсказанный Менделеевым экацезий. Поскольку период полураспада образовавшегося таким путем изотопа франция составлял всего 21 минуту, обнаружить этот процесс и элемент №87 было вдвойне сложнее.

В ходе экспериментов Перей обозначала элемент №87 как «актиний-К» (AcK), ссылаясь на путь, благодаря которому он образовывался, однако ей нужно было подобрать подходящее название для внесения его в таблицу. Во время защиты степени PhD она предложила назвать элемент «катий» (catium), поскольку предполагалось, что это будет самый активный металл, который проще всего потеряет электрон и превратится в катион (выше, в главе про цезий, я уже написал, что это не так, и благодаря эффектам теории относительности легче всего расстается с электроном и обладает титулом самого активного металла все же цезий). Название «катий» не понравилось членам комиссии по защите, кто-то даже сыронизировал, что англоязычные химики будут считать, что элемент назван в честь кота. Тогда Перей предложила название «франций», на что комиссия, состоявшая из французов, естественно, ничего не смогла возразить.

Франций относится к тем радиоактивным элементам, которые еще содержатся в земной коре (правильнее сказать – регулярно образуются в земной коре в результате распада других элементов), хотя, конечно, содержание этого элемента крайне мало – по оценкам, во всей земной коре единовременно присутствует не более килограмма франция. И еще одна деталь – это первый в данной книге химический элемент, который не используется нигде и ни в каком виде, – сложности в получении и малый период полураспада не позволяют найти ему применение.

88. Радий

Для поколения, при жизни которого был открыт радий, этот элемент и всё, что с ним связано, было похоже на случившуюся около десяти лет назад эйфорию от создания практически работающих наносистем. Многие читатели наверняка помнят, с каким упоением нам рассказывали про то, что все больше и больше задач могут решить нанотехнологии (и самое интересное – действительно, они могут многое, хотя и не всё, что им приписывают).

Точно так же был период, когда чудесный металл радий и его соли обещали нам решение всех проблем. Единственное, что изменилось за сто лет, – мы стали несколько опасливее относиться к открытиям (я имею в виду не оголтелую хемофобию, а обычные меры по определению безопасности материалов). Этого не хватало людям, жившим в 1898 году, когда был открыт радий, и радий быстро появился в зубных пастах, ушных каплях и медицинских процедурах.

Особенно же радий стал популярен благодаря тому, что его соли можно было использовать для получения краски, которая светится в темноте – небесно-голубое свечение солей радия можно было встретить на стрелках и циферблатах наручных часов и просто светящихся в ночи без притока энергии надписях и схемах. Однако через некоторое время оказалось, что у работников, готовящих светящиеся радиевые чернила или наносившие с их помощью надписи, начались регулярные боли, анемия и рак. Стало ясно, что что-то пошло не так, радий перестали применять для изготовления «ширпотреба», но к моменту запрета около сотни рабочих, имевших контакт с радиевыми красками, умерло, и еще большее число стали инвалидами.

Бесспорно, наиболее известной жертвой радия можно назвать его первооткрывательницу – Марию Кюри. Мария и Пьер изучали минерал уранит (урановую смолку). Уранит добывали около чешского города, который сейчас носит название Яхимов. Из уранита добывали уран, который шёл на изготовление уранового хрусталя и красок для росписи по стеклу и керамике, а пустую породу сбрасывали в отвал в близлежащем лесу. Отходы добычи урана не только сохраняли радиоактивность, но и были более радиоактивны, чем руда до извлечения урана.

В письме сестре Броне Мария писала, что остаточная радиация вызвана присутствием нового химического элемента, и Мария уверена, что ей удастся найти этот элемент. Переработав несколько тонн уранита после извлечения урана, супруги Кюри с интервалом в несколько месяцев 1898 года нашли не один, а два химических элемента – полоний и радий. Радий был получен в виде металла в 1910 году. Название элемента переводится с латинского как «луч», а радий оказался наиболее радиоактивным материалом естественного происхождения. Хотя Мария Кюри умерла в 1934 году в возрасте 66 лет, причина её смерти – апластическая анемия – более чем наверняка является следствием её работы с радиоактивными материалами. Мадам Кюри похоронена в свинцовом гробу, а её и Пьера лабораторные журналы и записи хранятся в коробках, экранированных свинцом, а для их изучения необходимо надевать средства защиты.

В естественных условиях радий встречается в продуктах распада урана, хотя и в малых количествах. Он представляет собой самый тяжелый щелочноземельный металл, близкий по химическим свойствам кальцию и барию. Атомный номер радия – 88, в земной коре можно найти изотопы радия с атомными массами 228, 226, 224 и 223, также существует еще 21 искусственный изотоп.

Радий сыграл свою роль в решении проблемы строения атома. Радий был использован Эрнестом Резерфордом в качестве источника α-частиц – ядер атомов гелия, которыми бомбардировали тонкую фольгу из золота. Неожиданно ассистенты Резерфорда – Ганс Гейгер и Эрнест Марсден – обнаружили, что очень небольшая доля α-частиц отражается от фольги. Сам Резерфорд комментировал эту находку так: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар». Такое поведение α-частиц позволило Резерфорду сделать вывод о существовании плотных компактных атомных ядер, что стало первым шагом к созданию современной теории строения атома. Этот самый известный эксперимент Резерфорда был сделан через год после получения Резерфордом Нобелевской премии по химии «…за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ…». Заметим, что в том, что Резерфорду вручили Нобелевскую премию именно по химии, есть некая ирония (или шутка Нобелевского комитета), и именно после известия о присуждении «химического Нобеля» Резерфорд и изрёк свое знаменитое: «Все науки делятся на физику и коллекционирование марок».

В настоящее время радий главным образом применяется в медицине опять же как источник радиации – первые работы в этой области начались во времена Марии Кюри. Сначала было обнаружено, что при контакте с радиоактивными материалами происходит ожог кожи, затем совместная работа Кюри с врачами показала, что радиация в состоянии уменьшать размеры опухолей или разрушать их. Вскоре это стало известно как «терапия Кюри», радиацию стали изучать, и радиологическая лаборатория мадам Кюри в Сорбонне со временем превратилась в Радиевый институт. Сейчас для разрушения опухолей применяют и другие радионуклиды.

Если вы будете держать в руке кусок радия (чего я вам, конечно, не советую – все виды радиоактивного излучения, испускаемого радием, повреждают ДНК и могут стать фактором развития опухолей), за счет радиоактивного излучения он будет казаться теплым на ощупь. Белая поверхность радия со временем темнеет из-за реакции с воздухом и образования оксида и нитрида, он легко реагирует с водой, как кальций или барий. Радий достаточно тугоплавкий – его температура плавления составляет около 700 °С. Природные изотопы радия значительно различаются по периоду полураспада – от 1602 дней для наиболее стабильного ²²⁶Ra до 11,4 дней для ²²³Ra. В начале ХХ века для получения грамма чистого радия нужно было несколько вагонов урановой руды, 100 вагонов угля, 100 цистерн воды и 5 вагонов разных химических веществ. В то время за 1 г радия нужно было заплатить больше 200 кг золота. В наши дни себестоимость производства радия, конечно, меньше, но он до сих пор входит в число самых дорогих металлов.