Металлы и человек

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?