Радиоактивные элементы

В 1890-е годы с помощью спектрального анализа был открыт еще ряд элементов. Определяя плотность азота, английский ученый Дж. Рэлей обнаружил, что азот, выделенный при перегонке жидкого воздуха, всегда был тяжелее азота, полученного, например, из нитрита аммония. Он сообщил об этом коллеге и соотечественнику У. Рамзаю, и оба решили выяснить причину расхождения. Они обнаружили, что после отделения из жидкого воздуха азота и кислорода остается еще какой-то газ. (Это еще за 100 лет до них наблюдал Кавендиш.) Неизвестный газ имел большую плотность, а в спектре его наблюдался ряд красных и зеленых линий, которые не соответствовали ни одному из известных до сих пор элементов. Из-за отсутствия способности у этого газа к образованию соединений с другими элементами он был назван аргоном. Позднее аргон был обнаружен в минеральных водах и метеоритах. В 1894 г. Рэлей и Рамзай установили, что в атмосферном воздухе на долю аргона приходится 0,93 % (по объему).

Уильям Рамзай родился в 1852 г. в Глазго в семье инженера. В четырнадцатилетнем возрасте он начал изучать в университете литературу, но вскоре заинтересовался математикой, а затем химией. В 1870 г. для продолжения образования Рамзай поехал в Гейдельберг к Бунзену, а потом в Тюбинген к Фиттигу. В 1872 г. он стал ассистентом технической химии в Глазго, а через два года — ассистентом-преподавателем и должен был заниматься главным образом медициной. В 1880 г. Рамзай получил кафедру химии в Бристольском университете, в 1887 г.— в Лондонском университете. Работы, которые привели к открытию инертных газов, он начал в 1894 г. Двумя годами позже Рамзай посетил французского физика А. Беккереля в Париже. После того как супруги Кюри открыли радий, Рамзай занялся исследованием радиоактивности. Он открыл эманацию радия и обнаружил ее превращение в гелий. Занимаясь исследованием возможности использования радия для лечения раковых заболеваний, Рамзай сам заболел раком и умер в 1916 г.

В 1867 г. спектроскоп был применен для исследования хромосферы. При этом были обнаружены новые линии, которые не могли быть отнесены ни к одному из найденных на Земле элементов. Э. Франкленд и Дж. Локьер назвали элемент гелием.

В 1895 г. американский исследователь У. Гиллебранд обнаружил в редко встречающемся минерале клевеите газ и передал его для изучения Рамзаю. Поначалу Рамзай решил, что имеет дело с аргоном, однако в спектре этого газа он обнаружил ярко-желтые линии, такие же, как были зафиксированы в солнечном спектре и идентифицированы как линии гелия. Позднее гелий был открыт также и в других минералах, обычно в тех, которые содержали уран. После открытия радиоактивности причина этого стала ясна: гелий был продуктом распада радиоактивных элементов.

Ни для аргона, ни для гелия в периодической системе не было предусмотрено места. Поэтому по поводу их существования у ученых было много сомнений, однако Рамзай считал эти сомнения необоснованными и предложил поместить эти элементы в дополнительную, восьмую группу.

Сравнивая их атомные массы с положением в системе, он нашел, что должны существовать еще три инертных газа: один, с атомной массой 20, должен находиться между гелием и аргоном, а два других, с атомными массами 82 и 129,— после аргона.

Совместно со своим другом М. Траверсом Рамзай занялся поисками предполагаемых элементов. В 1896−1898 гг. их усилия увенчались успехом: они открыли неон (атомная масса 20,19), криптон (атомная масса 82,9) и ксенон (атомная масса 130,2).

Из-за неспособности инертных газов образовывать химические соединения их объединили в особую, нулевую группу периодической системы. Д. И. Менделеев в 1905 г. приветствовал такое расширение периодической системы. Еще в 1869 г. он говорил о том, что число элементов, стоящих вблизи водорода, может быть увеличено.

Конец XIX в. ознаменовался открытием элементов, отличавшихся от всех прежде известных тем, что они обладали способностью испускать особые лучи. Это было совершенно необычное явление (названное по предложению М. Скло-довской-Кюри радиоактивностью). Поэтому, когда супруги Кюри сообщили о существовании двух неизвестных радиоактивных элементов, большинство ученых не поверили им.

В 1895 г. В. Рентген открыл Х-лучи, названные впоследствии его именем (рентгеновские лучи). Год спустя А. Беккерель доказал, что соли урана также испускают подобные лучи: они вызывали потемнение фотопластинок, завернутых в черную бумагу, и разряжали электроскоп. Этим «урановым излучением» заинтересовалась Мария Склодовская-Кюри и занялась более детальным его исследованием.

Мария Склодовская-Кюри родилась в 1867 г. в Варшаве в семье преподавателя гимназии. После окончания гимназии изучала физику и химию в Париже. Там же познакомилась с Пьером Кюри и вышла за него замуж. Пьер Кюри родился в 1859 г. в Париже и ко времени их женитьбы был преподавателем Высшей физической школы. Для эксперимента с радием в распоряжение супругов Кюри руководство Школы предоставило помещение бывшего анатомического театра. Все попытки супругов Кюри в течение четырех лет заинтересовать своей работой университет или академию оказывались безуспешными, поскольку официальные представители науки не были сторонниками идей Марии и Пьера Кюри. Однако супруги Кюри не падали духом: ни отсутствие денег, ни болезни не могли отвлечь их от задуманной работы.

Изучая радиоактивность, Мария и Пьер Кюри использовали созданный ранее Пьером Кюри и его братом электроскоп. Их интересовало, существуют ли помимо урана другие радиоактивные элементы, и вскоре они обнаружили такой элемент: им оказался торий. Продолжая исследования, супруги Кюри обнаружили, что настуран (урановая смолка) и халколит обладают более сильной радиоактивностью, чем можно было ожидать в соответствии с содержанием в этих рудах урана и тория. Отсюда ученые сделали смелый вывод о том, что такая более сильная радиоактивность должна быть вызвана наличием какого-то еще неизвестного элемента.

При разделении урановой руды были получены две фракции; одна содержала висмут, другая — барий, причем обе были более радиоактивными, чем уран. Из этого Мария и Пьер Кюри в 1898 г. сделали вывод о существовании еще неизвестных радиоактивных элементов. Поскольку бариевая фракция была особенно радиоактивна, то ученые пришли к выводу, что именно в ней следует искать предполагаемые элементы. Так супруги Кюри обнаружили полоний и радий.

Исходным материалом для их исследований послужила урановая руда. Кюри обрабатывали эту руду кипящим концентрированным содовым раствором. Нерастворившийся при этом остаток они промывали водой и обрабатывали соляной кислотой. Остаток, содержащий радий, они обрабатывали подобным же образом еще много раз. Из солянокислого раствора при действии серной кислоты осаждались сульфаты радия и бария. Для очистки радия Кюри переводили сульфаты в хлориды, которые потом разделяли путем фракционной кристаллизации. Из насыщенного раствора смеси в первую очередь выделялся более трудно растворимый хлорид радия. В результате более чем четырехлетней работы (около 10 000 дробных кристаллизации провели они, чтобы отделить сопутствующие элементы от радия) супруги Кюри из нескольких тонн урановой руды получили 0,1 г хлорида радия. 28 марта 1902 г. Кюри опубликовали сообщение об определении относительной атомной массы радия, равной 225,9. Спустя восемь лет М. Кюри со своим сотрудником А. Дебьёрном провела электролиз хлорида радия и получила металлический радий.

Способность испускать лучи стала признанным способом доказательства радиоактивности вещества. В 1899 г. Дебьёрн обнаружил еще один радиоактивный элемент — актиний.

Проблема радиоактивности заинтересовала и английских ученых Э. Резерфорда и Ф. Содди. Они решили выяснить, не сопровождается ли это излучение какими-либо еще процессами. Им удалось доказать, что при этом образуется эманация, позднее получившая название радон. При этом ученые обнаружили, что эманация сама превращается в гелий.

Этими открытиями закончился период «классической химии» и начался новый период, который часто называют веком атома. Возможно, последующие поколения будут рассматривать период классической химии как переходный.

Заканчивая обзор истории открытия элементов, следует добавить, что в 1905−1907 гг. Ж. Урбен и А. Вельсбах открыли редкоземельный металл лютеций. В 1918 г. О. Ган и Л. Майтнер открыли протактиний, обнаруженный незадолго до них также Ф. Содди и Д. Кранстоном. В 1923 г. Г. Хевеши и Д. Костер, применив новый метод рентгеноскопии, открыли гафний. Спустя 3 года немецкие ученые В. Ноддак, И. Такке, О. Берг предсказали существование рения, а в 1925 г. он был с достоверностью обнаружен экспериментально Вальтером и Идой Ноддаками. Элемент с порядковым номером 87 был найден в 1939 г. М. Переем и получил название «франций». Двумя годами ранее был обнаружен элемент под номером 43 — технеций, а в 1945 г.— элемент 61 — прометий. Последние два элемента были получены искусственным путем в виде радиоактивных изотопов.