О редких и рассеянных. Рассказы о металлах - Сергей Венецкий

В 1979 году с борта ракет, запущенных со шведского полигона в Кируне, в космическое пространство были также выброшены струи бария. Под действием солнечных лучей барий легко ионизировался и создал свечение, которое можно регистрировать на большом расстоянии с помощью сверхчувствительных телевизионных установок. Бариевое облако должно было пролить свет на некоторые процессы, связанные с полярным сиянием. Изучение характера движения облака позволит, в частности, судить об электрических полях, встречающихся на пути небесных скитальцев — ионов бария. Интересно, какие роли ждут барий завтра?

«ЖИЛ ЭЛЕМЕНТ РАССЕЯННЫЙ»… (ГАФНИЙ)

Кому повезло? — Частица Святого Носа. — Мыльные пузыри. — Бушуют споры. Во славу древних племен. — Открытие Мозли. — На чашах весов. — В поддержку «земляков». — Не судьба… — Где живут рассеянные? — Кое-что о близнецах. Препоны и рогатки. — Карьера под угрозой. — Гамлетовский вопрос. — Взгляды приходится пересмотреть. — Реактор или атомная бомба? — Хуже яда. — На вес золота. — Чудо-смолы. — Список претендентов. — Сапфир или фианит? — Можете завидовать.

Даже при беглом взгляде на таблицу химических элементов на ней нетрудно заметить явный географический налет: многие ее обитатели получили свои имена в честь различных городов, стран, континентов. Разумеется, «повезло» далеко не всем географическим названиям. Так, из материков лишь у Европы и Америки есть химические «тезки». А вот Азия, например, оказалась менее удачливой, чем ее соседки по глобусу, хотя была весьма «близка к успеху». Вы сами в этом убедитесь, если ознакомитесь с событиями, которые произошли в начале нашего века в Петербурге.

Незадолго до первой мировой войны один из работников Минералогической лаборатории привез в Петербург из Забайкалья с полуострова Святой Нос минерал ортит. В эти годы внимание многих ученых было приковано к проблеме радиоактивности. Поскольку имелись основания предполагать, что в ортите содержится один из наиболее интересных радиоактивных элементов — торий, минерал решили подвергнуть химическому анализу. Возглавлявший лабораторию замечательный геохимик академик В. И. Вернадский поручил эту работу своему ученику К. А. Ненадкевичу. Вскоре тому действительно удалось извлечь из ортита крупицы предполагаемого тория, но ученый не был уверен, что выделил именно торий.

По совету Вернадского Ненадкевич определил атомный вес этого элемента. Оказалось, что он равен 178 с десятыми долями, в то время как атомный вес тория 232. Это означало, что в соответствии с периодическим законом выделенный из ортита элемент должен находиться в таблице Д. И. Менделеева между лютецием и танталом — в клетке № 72, которая в то время еще пустовала. Ненадкевич торжественно объявил Вернадскому: «Мы открыли новый элемент, Владимир Иванович!»

Как ни велико было желание оповестить об этом открытии научный мир, Вернадский все же счел нужным предупредить своего взволнованного ученика: «Подождите радоваться. Это надо сто раз проверить, прежде чем объявлять…» Но тут же спросил: «Откуда ортит?» — «Из Забайкалья». — «Значит, родом из Азии. Так и назовем его азием».

Но, видимо, судьбе было неугодно, чтобы самый большой материк «породнился» с простым химическим элементом. Начавшаяся вскоре первая мировая война, революция, гражданская война отодвигали вопрос об исследовании нового элемента все дальше и дальше, вплоть до того дня, когда… Впрочем, не будем забегать вперед, а расскажем вам о других событиях, имевших самое прямое отношение к описываемому элементу.

Когда Менделеев «расселил» в таблице все известные химические элементы, то клетка № 72 осталась незанятой. Можно было лишь предположить, что атомный вес ее будущего обитателя близок к 180, а сам он, располагаясь под цирконием, должен иметь сходные с ним свойства и в природе находиться в компании с ним.

О том, что в циркониевых рудах присутствует какая-то неизвестная примесь, многие химики подозревали и раньше. В XIX веке было опубликовано немало сообщений о якобы открытом в минералах циркония новом элементе. Названия этого элемента менялись — остраний, норий, яргоний, нигрий, эвксений, но все они жили чуть дольше мыльных пузырей, потому что тщательная научная проверка каждый раз опровергала выводы авторов этих «открытий».

Выяснение личности «семьдесят второго» в значительной мере осложнялось тем, что к этой клетке таблицы примыкало слева «густонаселенное общежитие», где проживало редкоземельное семейство во главе с лантаном. Никто тогда толком не знал, сколько же «редких земель» существует на свете. Вокруг элемента № 72 разбушевались споры. Одни ученые продолжали считать, что он должен быть химическим родственником циркония, другие с ними не соглашались, утверждая, что претендент на эту вакансию должен иметь редкоземельное «происхождение».

В 1895 году датчанин Юлиус Томсен выступил с теоретическим обоснованием первой точки зрения, однако противники и не думали складывать оружие. В начале XX века стало широко известно имя французского химика Жоржа Урбена. Он внес немалый вклад в изучение редкоземельных металлов, зато элемент № 72 вправе предъявить ему серьезные претензии. И вот почему.

В 1907 году Урбен открыл лютеций-тот, что занимает в таблице клетку № 71 и замыкает правый фланг в строю лантаноидов. Сам же Урбен считал, что за лютецием должен располагаться еще один редкоземельный элемент. В 1911 году химик заявил, что в рудах редких земель им открыт этот последний представитель семейства лантана, который якобы вправе занять пустующее «помещение» № 72. В честь древних племен кельтов, некогда населявших территорию Франции, Урбен назвал его кельтием.

Спустя два года молодой английский физик Генри Мозли совершил чрезвычайно важное открытие: он установил, что заряд атомного ядра, или, иными словами, порядковый номер элемента, можно определить опытным путем — на основе исследования его рентгеновских спектров. Когда Мозли подверг рентгеноспектральному анализу образец кельтия, он не обнаружил тех линий, которые должен был бы дать спектру элемент № 72. Мозли сделал вывод: «Нет никакого кельтия! Элемент Урбена — всего лишь смесь известных редких земель».

Однако Урбен не хотел примириться с потерей кельтия и поспешил объяснить малоприятные для него результаты опытов Мозли несовершенством приборов, которыми тот пользовался. А поскольку осенью 1915 года, сражаясь в рядах британского экспедиционного корпуса на Галлипольском полуострове вблизи пролива Дарданеллы, Генри Мозли погиб, возразить Урбену он уже не мог. Более того, когда в 1922 году соотечественник Урбена физик А. Довилье провел по его просьбе тщательное исследование и заметил в спектре смеси лантаноидов две едва различимые линии, характерные для элемента № 72, кельтий вновь обрел «права гражданства».

Но радость Урбена была недолгой, и «помог» ему в этом знаменитый датский физик Нильс Бор. К этому времени электронная теория строения атомов, разработанная Бором, уже вполне позволяла создать модель атома любого элемента. Согласно этой теории, атом элемента № 72 никак не мог походить на атомы редких земель, а, напротив, должен был походить на атомы элементов четвертой группы — титана и циркония.

Итак, на одной чаше весов оказались опыты и рассуждения Урбена, подкрепленные экспериментом Довилье, на другой — мнение Менделеева, рассуждения Томсена и расчеты Бора, пока еще не подтвержденные практическими работами. Так кто же прав?

Вскоре ответ был получен. Дали его венгерский химик Дьердь Хевеши и голландский физик Дирк Костер. Всецело доверяя авторитету Нильса Бора, они предприняли попытку найти элемент № 72 в минералах циркония. В 1923 году им удалось обнаружить новый элемент в норвежской циркониевой руде, а рентгеноспектральный анализ показал, что заряд его атомного ядра равен 72. По химическим же свойствам он, как и полагали Менделеев, Томсен и Бор, оказался близким аналогом циркония. Поскольку научная аргументация открытия была безупречной, в периодической системе появилось новое название — гафний. Хевеши и Костер дали ему это имя в честь древнелатинского названия Копенгагена (Гафния), где состоялось его рождение.

Ошибочность взглядов Урбена и Довилье не вызывала уже сомнений, и кельтию был вынесен приговор: «Из таблицы элементов исключить. Оставить лишь в анналах истории химии». И хотя приговор был окончательный и обжалованию не подлежал, ученые Франции, пытаясь отстоять приоритет своих соотечественников, еще четверть века именовали элемент № 72 «кельтием». Лишь в 1949 году 15-я конференция Международного союза чистой и прикладной химии навсегда «похоронила» это название.

Итак, чаша весов склонилась в пользу теории: периодический закон Менделеева и электронная модель строения атома Бора торжествовали победу. Но в таком случае, что за слабые линии видел в спектре смеси лантаноидов Довилье? Неужели, чтобы доказать явно предвзятую точку зрения Урбена, ученый пошел на сделку с совестью? Ничего подобного. Довилье действительно видел эти линии, и они действительно принадлежали элементу № 72: ведь иногда в природе гафний встречается совместно с редкоземельными металлами. Это и ввело в заблуждение французского физика.