Подобно тому, как в обычной химии одно и то же соединение можно получить разными способами, так и в ядерной химии один и тот же элемент удается искусственно приготовить с помощью различных ядерных реакций.
Тот же технеций люди научились создавать в количествах, измеряемых килограммами, на самой удивительной в мире фабрике. Эта фабрика — ядерный реактор. Здесь вырабатывается энергия деления урановых ядер под действием медленных нейтронов.
Ядра урана распадаются на разнообразные осколки, каждое на два. Осколки — ядра атомов элементов середины таблицы Менделеева. Уран, делясь, порождает элементы, которые обитают более чем в 30 клетках периодической системы — от 30 номера до 64. В том числе и технеций. И еще один странный элемент, тщетные поиски которого в земной коре длились десятилетиями. Прометий, обитатель 61-й клетки.
Ядерная химия предоставила в распоряжение ученых элементы тяжелее урана. При делении урановых ядер, кроме осколков, вылетает много нейтронов. Они могут поглотиться неразделившимися ядрами. Так возникает возможность синтеза элементов с порядковыми номерами 93, 94 и далее, трансурановых элементов.
Много способов получения таких элементов знает ядерная химия. Ныне трансурановых элементов известно 12: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделеевий и лоуренсий. И курчатовий — самый тяжелый трансурановый элемент, недавно (в 1964 году) синтезированный группой советских физиков во главе с Г. Н. Флеровым. Название одному из трансуранов, с порядковым номером 102, пока не дано.
Представьте себе удивление каменщика, который сегодня возвел каменную кладку нового этажа дома, а завтра обнаружил, что вся его работа исчезла. Именно в таком положении находятся исследователи, изучающие химические свойства тяжелых трансуранов. Эти элементы крайне неустойчивы, время их жизни измеряется минутами и даже секундами. Работая с обычными элементами, химик нисколько не стеснен рамками времени. Когда же в его руки попадают короткоживущие представители таблицы Менделеева, в особенности тяжелые трансураны, каждая минута исследования начинает цениться на вес золота. Мало того что изучаемые объекты вот-вот исчезнут. Их в распоряжении химика мизерные количества, иногда буквально считанные атомы.
А потому необходимы специальные методы работы. Ими ведает новая молодая ветвь химии — радиохимия, химия радиоактивных элементов.
Смерть и бессмертие в мире элементов
Пришло время, когда химики сделались своеобразными археологами. Они научились измерять возраст различных минералов земной коры, подобно тому как археолог определяет, сколько веков назад изготовлено какое-нибудь бронзовое украшение или глиняный сосуд.
Оказалось, что возраст иных минералов превышает четыре с половиной миллиарда лет. Они так же стары, как и сама планета Земля. Но ведь минералы — это химические соединения. Они состоят из элементов. Стало быть, элементы практически бессмертны…
Не кажется ли вам нелепой сама постановка вопроса: может ли элемент умереть? Ведь смерть — это печальный удел живых существ…
Нет, этот вопрос не бессмыслен, как может показаться на первый взгляд.
Есть такое физическое явление: радиоактивность. Оно состоит в том, что элементы (а точнее, ядра их атомов) могут самопроизвольно разрушаться. Одни ядра исторгают из своих недр электроны. Другие — испускают так называемые альфа-частицы (ядра гелия). Третьи — разваливаются на две примерно равные половинки: этот процесс именуют спонтанным делением.
Все ли элементы радиоактивны? Нет, не все. Главным образом те, что стоят в конце периодической системы, начиная с полония.
Распадаясь, радиоактивный элемент не исчезает вовсе. Он превращается в другой. Эти цепочки радиоактивных превращений могут быть очень длинными.
Например, из тория и урана в конце концов образуется устойчивый свинец. А на этом пути рождается и погибает добрый десяток радиоактивных элементов.
Радиоактивные элементы живучи в разной степени. Одни, прежде чем исчезнуть полностью, существуют десятки миллиардов лет. Жизнь других настолько коротка, что измеряется минутами и даже секундами. Ученые оценивают живучесть радиоактивных элементов с помощью специальной величины: периода полураспада. В этот промежуток времени взятое количество радиоактивного элемента распадается ровно наполовину.
Периоды полураспада урана и тория равны нескольким миллиардам лет.
Совсем иначе обстоит дело с их предшественниками по таблице Менделеева — протактинием, актинием, радием и францием, радоном, астатом и полонием. Их жизнь куда короче: во всяком случае, не больше 100 тысяч лет. А раз так, то возникает неожиданное недоразумение.
Почему, собственно, эти короткоживущие элементы существуют на Земле? Ведь нашей планете что-то около 5 миллиардов лет… За этот трудно вообразимый срок должны были сотни раз исчезнуть и радий и актиний и иже с ними.
Однако живут. И прячутся в земных минералах испокон веку… Словно природа имеет в своем распоряжении «живую» воду, не дающую им погибать.
Дело в другом: просто-напросто они непрерывно рождаются вновь, потому что их питает вечный источник. Земные запасы урана и тория. Ведь пока эти «патриархи» среди радиоактивных элементов совершают долгий и сложный путь превращений в устойчивый свинец, они походя превращаются в промежуточные элементы. И получается, что среди химических элементов мы можем выделить две большие группы — первичных и вторичных.
К первичным относятся все нерадиоактивные элементы и уран с торием, у которых периоды полураспада превышают возраст Земли. Они были свидетелями образования солнечной системы.
Остальные — вторичные.
И все-таки наступит момент, когда периодическая система недосчитается нескольких элементов. Уран и торий — вечный источник вторичных элементов. Однако относительно вечный. Когда-то с лика Земли исчезнут и они. Исчезнут полностью эдак через сотню миллиардов лет. А вместе с ними уйдут в небытие и продукты их радиоактивных превращений.
Один, два, много…
Примерно такими были счетные способности первобытного человека. Его математический аппарат насчитывал всего две количественные величины — «много — мало».
Почти таким же критерием пользовались люди лет сто назад, когда пытались оценивать, сколько каких элементов припасено нашей планетой в ее «закромах».
Широко используются в практике, скажем, свинец, цинк, серебро, стало быть, их много. Значит, это элементы распространенные. А редкие земли (лантаноиды) потому и редкие, что на Земле почти не встречаются. Их мало.
Вот как легко было рассуждать какое-то столетие назад.
Право же, первые ревизоры кладовых химических элементов занимались работой не очень обременительной. Вспоминая об их «деятельности», наши современники весело улыбаются.
Да и как же не улыбнуться, если теперь они точно могут ответить на вопрос: сколько чего? Если они даже могут сказать, сколько атомов каждого элемента содержится в земной коре. Они наверняка знают, что пресловутых редких земель в минералах планеты лишь немногим меньше, чем свинца, цинка и серебра, вместе взятых.
Скрупулезная «бухгалтерия» запасов химических элементов началась с научного подвига. Его совершил американский ученый Фрэнк Кларк. Он проделал более пяти с половиной тысяч химических анализов. Самых различных минералов — из тропиков и из тундры. Самых разнообразных вод — из глухого таежного озера и Тихого океана. Исследовал образцы всевозможных почв с разных концов света.
Двадцать лет продолжался этот титанический труд. Благодаря Кларку и другим ученым человечество получило вполне четкое представление, каких элементов на Земле больше всего.
Так родилась наука геохимия. Она поведала людям такие удивительные истории, какие раньше не могли и присниться.
Вот что оказалось: первые 26 представителей менделеевской таблицы — от водорода до железа — практически образуют всю земную кору. Они составляют 99,7 процента от ее веса. Только «жалких» три десятых процента приходится на долю остальных 67 элементов, встречающихся в природе.
Чего же больше всего на Земле?
Не железа, не меди, не олова, хотя человек пользовался ими тысячелетиями и запасы этих металлов представлялись огромными, неисчерпаемыми. Больше всего — кислорода. Если на одну чашу воображаемых весов положить земные ресурсы кислорода, а на другую — всех прочих элементов, чаши почти уравновесятся. Почти наполовину земная кора состоит из кислорода. Где его только нет: в водах, в атмосфере, в огромном количестве горных пород, в любом животном и растении — всюду кислород играет весьма видную роль.
