О редких и рассеянных. Рассказы о металлах - Сергей Венецкий

Стало быть, если ученые хотели «пощупать» своими руками элемент № 43, его нужно было этими же руками и создавать, поскольку природа давно внесла его в списки пропавших. Но по плечу ли науке такая задача?

Да, по плечу. Это впервые экспериментально доказал еще в 1919 году замечательный английский физик Эрнест Резерфорд. Он подверг ядро атомов азота ожесточенной бомбардировке, в которой орудиями служили все время распадавшиеся атомы радия, а снарядами — образующиеся при этом альфа-частицы. В результате длительного обстрела ядра атомов азота пополнились протонами и он превратился в кислород.

Опыты Резерфорда вооружили ученых необыкновенной артиллерией: с ее помощью можно было не разрушать, а создавать — превращать одни вещества в другие, получать новые элементы.

Так почему бы не попытаться добыть таким путем элемент № 43? За решение этой проблемы взялся молодой итальянский физик Эмилио Сегре. В начале 30-х годов он работал в Римском университете под руководством уже тогда знаменитого Энрико Ферми. Вместе с другими «мальчуганами» (так Ферми шутливо называл своих талантливых учеников) Сегре принимал участие в опытах по нейтронному облучению урана, решал многие другие проблемы ядерной физики. Но вот молодой ученый получил заманчивое предложение — возглавить кафедру физики в Палермском университете. Когда он приехал в древнюю столицу Сицилии, его ждало разочарование: лаборатория, которой ему предстояло руководить, была более чем скромной и вид ее отнюдь не располагал к научным подвигам.

Но велико было желание Сегре глубже проникнуть в тайны атома. Летом 1936 года он пересекает океан, чтобы побывать в американском городе Беркли. Здесь, в радиационной лаборатории Калифорнийского университета уже несколько лет действовал изобретенный Эрнестом Лоуренсом циклотрон — ускоритель атомных частиц. Сегодня это небольшое устройство показалось бы физикам чем-то вроде детской игрушки, но в то время первый в мире циклотрон вызывал восхищение и зависть ученых из других лабораторий (в 1939 году за его создание Э. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии).

Незаметно подошел к концу срок пребывания Сегре в США. Трудно ему было расставаться с циклотроном — о подобном оборудовании он не мог тогда и мечтать. Незадолго до отъезда ученому пришла в голову интересная мысль: захватить с собой в Италию пластинку молибдена, на которую в течение нескольких месяцев обрушивался мощный поток ускоренных на циклотроне дейтронов — ядер тяжелого водорода (дейтерия). Лоуренс охотно пошел навстречу своему коллеге, и тот вернулся в Палермо с несколькими образцами невзрачного на вид, но драгоценного молибдена.

Зачем же они понадобились Сегре? «У нас были веские основания думать, писал он впоследствии, — что молибден после бомбардировки его дейтронами должен превратиться в элемент с номером 43…» В самом деле, ведь атом молибдена имеет в своем ядре 42 протона. Если дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, сумеет проникнуть в ядро атома молибдена, то в нем окажется уже 43 протона, т. е. как раз столько, сколько должно быть в ядре элемента № 43.

Казалось бы, все просто, но попробуй докажи это экспериментальным путем. Как бы то ни было, в январе 1937 года Сегре и его помощник минералог Карло Перье засучили рукава и приступили к делу.

Прежде всего они выяснили, что заокеанский молибден излучает бета-частицы — быстрые ядерные электроны. Значит, в нем действительно «сидит» радиоактивный изотоп, но какой именно? Это может быть изотоп как самого молибдена, так и других элементов, например циркония, ниобия, рутения или искомого «сорок третьего».

В результате скрупулезного химического «расследования» все элементы, кроме последнего, сумели доказать свою полную непричастность к бета-излучению. После их удаления ученые получили, наконец, долгожданный «эка-марганец». Правда, получили — пожалуй, слишком громко сказано: как выяснилось несколько позднее, они имели дело всего с 0,0000000001 грамма нового вещества. Впрочем, для физиков одна десятимиллиардная доля грамма — не так уж и мало: открытие менделевия (№ 101) было зарегистрировано, когда удалось «добыть» всего 17 атомов этого элемента. Для наглядности приведем такой пример: если все атомы железа, содержащиеся в крохотной булавочной головке, равномерно распределить по поверхности земного шара, то на каждом квадратном метре «обоснуется» добрый десяток миллионов(!) атомов.

Но мы несколько отвлеклись от главных событий, которым посвящен наш рассказ. Итак, в июне 1937 года искусственным путем ученым удалось воссоздать первый из «вымерших» на Земле химических элементов. Не мудрствуя лукаво, Э. Сегре и К. Перье назвали сорок третий элемент технецием, что в переводе с греческого («техникос») значит искусственный.

Хотя технеция в руках ученых было, скажем прямо, не густо, они все же сумели определить некоторые свойства нового элемента и убедились, что он родственник рения, причем довольно близкий, а не «седьмая вода на киселе».

Вполне понятно, как велико было желание химиков и физиков всего мира узнать побольше подробностей об искусственном новоселе таблицы Менделеева. Но чтобы изучать технеций, нужно было его иметь. Все понимали, что на облученный молибден рассчитывать не приходилось: слишком беден он был технецием. Требовалось подыскать более подходящую кандидатуру на роль поставщика этого элемента.

Поиски продолжались недолго: уже в 1940 году все тот же Сегре и его ассистентка By Цзянь-сюн обнаружили, что один из самых долгоживущих изотопов технеция в довольно солидных количествах присутствует в так называемых «осколках», образующихся при делении урана в результате облучения его нейтронами (этот процесс лежит в основе работы ядерных реакторов). На один килограмм «осколков» приходится несколько граммов технеция — тут уже есть о чем поговорить всерьез. Неудивительно, что ядерные реакторы стали по совместительству своеобразными «фабриками», производящими технеций.

Поначалу продукция этих «фабрик» — тяжелый тугоплавкий серебристо-белый металл — стоила, прямо скажем, дороговато — в тысячи раз дороже золота. Но атомная энергетика развивалась весьма энергично (на то она и энергетика!). С каждым годом «сжигалось» все больше ядерного топлива, и урановые «осколки» постепенно становились не столь дефицитным товаром, как прежде. Цена на технеций начала резко падать. Однако процесс извлечения его из радиоактивных «осколков» очень и очень сложен, поэтому еще в 1965 году каждый грамм «синтетического» металла оценивался на мировом рынке в 90 долларов. Но производство его определялось уже не долями миллиграмма, а десятками и сотнями килограммов, и ученые могли теперь всесторонне изучить его свойства, попытаться определить возможные сферы его будущей деятельности.

Важнейшая профессия технеция определилась довольно быстро: борьба с коррозией. Эта коварная «хищница» наносит человечеству огромный ущерб, безжалостно съедая каждый год десятки миллионов тонн стали. Металлурги, правда, умеют варить нержавеющую сталь — «блюдо», которое коррозии не по зубам. Но, во-первых, такая сталь значительно дороже обычной; во-вторых, стали всякие нужны, а сделать металл одновременно и нержавеющим, и, например, износостойким не всегда возможно; наконец, в-третьих, просто не напастись столько хрома и никеля, без которых «нержавейку» не сваришь, как не приготовишь уху без рыбы. Металловеды, химики, физики постоянно ищут способы умерить аппетит коррозии, сделать ее менее прожорливой.

Решить антикоррозионную проблему не так-то просто, но успехов на этом поприще уже немало. Ученые обнаружили, в частности, что некоторые вещества обладают ценнейшими свойствами: они делают поверхность металла химически пассивной и, таким образом, надежно предохраняют изделия от коррозии. Эти вещества получили название ингибиторов (от латинского слова «ингибире» тормозить, удерживать). Самым способным из них оказался технеций: он обладает наибольшим ингибирующим эффектом. Если стальную деталь обработать раствором, в котором присутствуют едва уловимые количества пертехнатов (солей технециевой кислоты) — всего стотысячные доли процента, то она окажется неприступной крепостью для ржавчины. Даже значительный нагрев (до 250 °C) не в силах при этом помочь «агрессору».

Немалый интерес представляет еще одно ценное свойство технеция. Известно, что вблизи абсолютного температурного нуля (-273,16 °C) многие металлы становятся сверхпроводниками, т. е. практически перестают оказывать какое бы то ни было сопротивление прохождению электрического тока. Чем выше точка перехода в сверхпроводящее состояние (так называемая критическая температура), тем большие перспективы сулит это свойство технике. В этом отношении у технеция нет конкурентов: он совершенно беспрепятственно проводит ток при 8,24 К (-264,92 °C), в то время как другим металлам для этого нужно еще немного «поостыть».