Мир, созданный химиками. От философского камня до графена - Петр Образцов

В последние годы в ОИЯИ под руководством академика Юрия Оганесяна уже получены элементы № 113–116 и № 118. Об истории получения элемента № 117 стоит рассказать подробнее, как и о самом «острове стабильности».

Как мы уже видели, при переходе от № 92 урана к № 102 нобелию период полураспада элементов уменьшается на 16 порядков — от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. Считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, то есть обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60-х годов прошлого века теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер, причем время жизни элементов с номерами 110–120 должно было бы заметно возрастать. Таким образом, ученые предсказывали «остров стабильности» сверхтяжелых элементов.

Остров везения

Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, где удалось полностью изменить подход к синтезу сверхтяжелых элементов. В ОИЯИ обстреливали мишени из элемента № 97 берклия «снарядами» из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция № 20 с массой 48. При слиянии ядер получается элемент № 117 (97 + 20 = 117). Эффект был поразительный, в течение каких-то пяти лет впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. Ученые ОИЯИ показали (а через несколько лет их результаты были получены и в других лабораториях мира), что эти элементы живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.

Очень интересно, как в ОИЯИ появился искусственный элемент берклий, ведь в Дубне его не получали. Дело в том, что период полураспада нужного изотопа составляет всего 320 дней, поэтому из-за такого короткого времени жизни наработку берклия в нужном количестве (20–30 миллиграммов) надо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов, а такой реактор есть только в Национальной лаборатории США в Оук-Ридже (кстати, именно здесь был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы). Поскольку с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней, при доставке элемента в Дубну необходимо было все делать очень быстро: быстро пройти американские и российские формальности, связанные с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее. Достойно приключенческой повести!

В конце концов в начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Дубнинские умельцы изготовили мишень в виде тончайшего слоя берклия, нанесенного на титановую фольгу. Уже при первом облучении мишени детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, который в свою очередь превращался в 113-й, а тот переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе это огромное время!

Никакого практического значения получение этого элемента, конечно, не имеет, однако представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Ведь если будут синтезированы элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе. Эксперименты по их поиску уже ведутся, в глубине Альпийских гор стоит специальная установка по регистрации таких элементов.

Как элемент назовешь, так он и заживет

Кстати, а как вообще у элементов появились названия? Прежде всего напомним, что химический элемент — это отдельный вид атомов с определенным зарядом ядра. Номер элемента в Таблице Менделеева — это и есть заряд ядра. Несколько элементов известны с глубокой древности и тогда же получили свои названия, как правило, связанные с внешним видом или каким-либо физическим свойством. Например, «золото» и «ртуть» происходят от индоевропейских корней, означающих соответственно «желтый» и «бежать»: золото — металл желтого цвета, а капли пролитой ртути действительно так разбегаются во все стороны, что собрать их довольно трудно. Другие элементы, такие как серебро и железо, медь и сера, углерод и цинк, были известны еще в Древнем Египте.

В Средние века алхимики открыли мышьяк, висмут и фосфор (последний — из человеческой мочи). Алхимик Бранд выделил не тот красный фосфор, который содержится в намазке спичечной коробки, а фосфор белый, который окисляется на воздухе и светится. Вот почему этот элемент и назвали «фосфор» — от греческого «светоносец».

В XVIII и XIX веках химики открыли множество элементов. Их называли в честь планет Солнечной системы (уран, плутоний) или мифологических героев (торий — от скандинавского бога грома Тора), по внешнему виду (хлор — от греческого «зеленый») или по имени родины первооткрывателя (рутений — от латинского «Рутения», то есть Россия). Все эти элементы существуют в природе. Любопытно, что многие из них названы в честь государств или географических названий — тот же рутений, германий, франций, европий, америций, полоний, дубний, галлий, скандий (в честь Скандинавии). И только в одном случае вышло наоборот: Аргентина получила свое имя в честь серебра (от латинского argentum), да и то по ошибке. Испанские конкистадоры были уверены, что в этой части Южной Америки огромные залежи серебра, но надежды их не оправдались. Да и с какой стати испанцы решили, что эти залежи здесь должны быть, — совершенно непонятно. Приводятся какие-то легенды, неразборчивые предания неграмотных аборигенов, но истины сейчас уже не найти.

Забавно происхождение названия другого элемента — платины, которое также связано с элементом серебро. С платиной конкистадорам как раз повезло: они нашли и месторождения этого самородного металла, и некоторое количество платиновых изделий, созданных индейцами на территории будущей Колумбии. Однако своего везения испанцы не поняли и пренебрежительно назвали этот похожий на серебро, но очень тугоплавкий металл серебришком от испанского названия серебра — plata. Платина плавится при гораздо более высокой температуре, чем серебро, поэтому металл казался малоперспективным для использования в ювелирном или монетном деле и оценивался в два раза дешевле самого серебра. Сейчас благородный металл платина стоит заметно дороже золота и в 50 (!) раз дороже серебра. В России платину обнаружили на Урале и вначале использовали для производства ружейной дроби. Нетрудно догадаться, что выстрел из дробовика с платиновой дробью стоит во множество раз больше, чем подстреленная утка или глухарь.

В первой трети и середине XX века получили свои названия радиоактивные элементы, которые быстро распадаются, в природе не существуют и могут быть получены только искусственным путем. Хотя традиция использовать географические названия сохранилась (америций, берклий, калифорний, наш дубний, как уже упоминалось, в честь Дубны), новым элементам стали давать названия преимущественно в честь великих ученых. Так в нижней строчке Таблицы Менделеева появились фермий и эйнштейний, кюрий и резерфордий, нобелий и менделевий. Раньше и правильнее у нас элемент называли «менделеевий», но постепенно смирились с англоязычным наименованием, тем более что и открыли, и назвали этот элемент № 101 американцы.

Кстати, с теми же американцами связана и история двойного наименования элемента ниобия № 41. Этот элемент был выделен из минерала колумбита в 1801 году. Его первооткрыватель англичанин Ч. Хатчет назвал элемент «колумбием». Сам минерал был обнаружен в канадской части бассейна реки Колумбия, а англичанин оказался в Канаде просто потому, что в те годы эта огромная часть Североамериканского континента принадлежала Великобритании. Однако в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, не имея на то никаких прав, взял да и переименовал колумбий в ниобий в честь Ниобы, дочери героя древнегреческого мифа Тантала. Некоторые основания для такого переименования были, а именно большое сходство химических свойств этих двух элементов, находящихся в одной и той же V группе Таблицы Менделеева, причем ниобий стоит прямо над танталом. Однако ни англичане, ни солидаризировавшиеся с ними американцы (река Колумбия протекает в основном по территории США) не согласились с этим переименованием и упрямо помещали в клетку № 41 значок Cb. И сейчас можно встретить колумбий в американской химической литературе, несмотря на принятое в 1950 году решение ИЮПАК об использовании исключительно названия «ниобий». Похожая история произошла и с вольфрамом. Этот элемент был впервые выделен из минерала вольфрамита, который часто сопутствует оловянным рудам и мешает выплавке олова, переводя олово в шлаковую пену. За это он и был назван «волчьей пеной» — wolf rahm по-немецки. Однако в Великобритании, США и Франции этот элемент и самый тугоплавкий металл называют не вольфрамом, а тунгстеном. Путаница происходит оттого, что вольфрам-тунгстен почти одновременно открыли два испанских химика и великий швед Карл Вильгельм Шееле. Испанцы присвоили элементу № 74 имя вольфрам, а Шееле — тунгстен по аналогичному названию минерала тунгстена, из которого он этот металл выделил. Тот же ИЮПАК требует использовать только символ W и название «вольфрам», но эта организация не в состоянии запретить химикам использовать название «тунгстен» и символ Tu.