Кикоин А. К.

«Недостающие» элементыКикоин А. К. «Недостающие» элементы // Квант. — 1991. — № 5. — С. 43‍—‍45.‍‍

Когда в 1871 году Д. И. Менделеев предложил свою периодическую систему, химикам были известны 63 химических элемента. Менделеев предсказал существование ещё 11 и даже отважился описать их свойства. В последующие шесть десятилетий, до 1925 года, было открыто и изучено 25 новых элементов, в их числе 8 из предугаданных Менделеевым. К этому времени стало известно, что между водородом и ураном должно разместиться 92 элемента и что место каждого из них определяется атомным номером. Остались незаполненными 4 места в таблице с номерами 43, 61, 85 и 87. Три из ещё не обнаруженных элементов были описаны Менделеевым: элемент 43 (для краткости будем опускать слово «с номером») должен быть аналогом марганца («экамарганец» по Менделееву), элемент 85 — аналогом йода («экайод») и 87 — цезия («экацезий»).

В поисках этих «недостающих» элементов химики не жалели усилий, совершенствуя технику поисков и методов распознавания (идентификации). То и дело появлялись сообщения о новых открытиях. Так, в 1925 году было объявлено об открытии элемента 43, получившего и имя — мазурий. В 1931 году появились публикации об открытии элемента 85, которому один из открывателей дал название алабамий, другой — гельвеций. Сообщили и об открытии элемента 87 — виргиния. Не был забыт и элемент 61 — в разное время различные исследователи заявляли об открытии этого представителя группы редких земель, называли его и иллинием, и флоренцием, и циклонием. Оказалось, однако, что всё это были открытия мнимые, ошибочные, не находившие подтверждения.

Казалось, природа, создавшая в ходе эволюции Вселенной 88 химических элементов, не «сумела» создать ещё четыре, которые заполнили бы пустые места в таблице Менделеева. Почему?

Химики, безуспешно охотившиеся за неуловимыми элементами, не могли объяснить этот каприз природы. На помощь пришла физика, точнее, очень молодой тогда её раздел — физика атомного ядра. Один из основных фактов ядерной физики таков: ядра атомов элементов в конце таблицы Менделеева, начиная с номера 84, радиоактивны, т. е. нестабильны. Объясняется это тем, что эти ядра содержат большое число протонов (атомный номер — это и есть число протонов в ядре), которые отталкиваются друг от друга. Правда, между всеми ядерными частицами существует так называемое сильное взаимодействие, имеющее характер притяжения, более сильного, чем электростатическое отталкивание. Но при большом числе протонов их взаимное отталкивание, противостоящее притяжению, делает ядро нестабильным.

Элементы 85 и 87 безусловно относятся к элементам нестабильным. Может быть, в этом именно и состоит причина отсутствия их в природе? А почему же тогда существуют семь других элементов из тех, что «за 84»? Ведь известно более 40 их радиоактивных изотопов.

Почему в природе нет элементов 85 и 87? Упомянутые 40 изотопов входят в состав трёх так называемых радиоактивных семейств, начинающихся с трёх радиоактивных элементов с очень большим периодом полураспада: $_{\hphantom092}^{238}\mathrm{U}$‍‍ ($T=4{,}5\cdot10^9~\text{лет}$‍),‍ $_{\hphantom092}^{235}\mathrm{U}$‍‍ ($T=8\cdot10^8~\text{лет}$‍)‍ и $_{\hphantom090}^{232}\mathrm{Th}$‍‍ ($T=1{,}4\cdot10^{10}~\text{лет}$‍).‍ Ни уран, ни торий не успели распасться и исчезнуть за время существования Земли (около $4\cdot10^9~\text{лет}$‍),‍ поэтому сохранились и их «потомки».

Кроме этих трёх радиоактивных рядов, могло бы существовать и четвёртое семейство. Могло бы, если бы его «родоначальник» имел достаточно большой период полураспада. Однако, как выяснилось, четвёртое семейство начинается с изотопа нептуния $_{\hphantom093}^{237}\mathrm{Np}$‍,‍ у которого $T$‍‍ «всего» около 2 миллионов лет. Это значит, что он практически исчез с лица Земли. Исчезли и все его «потомки», среди которых значатся элементы 85 и 87.

А почему в природе нет элементов 43 и 61? Быть может, эти элементы тоже радиоактивны и потому не дожили до наших дней? Известны ведь радиоактивные элементы с номерами, меньшими 84, например — изотоп калия $_{19}^{40}\textrm{K}$‍,‍ рения $_{\hphantom175}^{187}\mathrm{Re}$‍‍ и некоторые другие. Правда, у них очень большие периоды полураспада: у калия $T=1{,}4\cdot10^9~\text{лет}$‍,‍ у рения $T=4\cdot10^{10}~\text{лет}$‍,‍ что и обеспечивает «сохранность» их в земной коре. Но и у калия, и у рения есть и стабильные изотопы. Элементам же 43 и 61 «не повезло». Почему?

Чёт и нечёт в ядерной физике. Известно, что стабильность или нестабильность ядра зависит от соотношения между числом протонов и числом нейтронов в нём. Но не только от этого. Оказывается, ядро прочнее, стабильнее, если протоны или нейтроны, или и те и другие образуют в ядре па́ры. Для этого число протонов или нейтронов, или тех и других вместе должно быть чётным. Наиболее стабильными ядрами являются те, у которых чётное число и протонов, и нейтронов, как говорят, чётно-чётные ядра (например, $_2^4\mathrm{He}$‍,‍ $_{\hphantom18}^{16}\mathrm{O}$‍).‍ Менее стабильны ядра с чётным числом протонов и нечётным нейтронов (чётно-нечётные ядра) или наоборот (нечётно-чётные ядра). Самыми нестабильными являются ядра с нечётным числом и протонов, и нейтронов (нечётно-нечётные ядра), среди них всего четыре стабильных ядра: $_1^2\mathrm{H}$‍,‍ $_3^6\mathrm{Li}$‍,‍ $_{\hphantom15}^{10}\mathrm{B}$‍‍ и $_{\hphantom17}^{14}\mathrm{N}$‍.‍

Это же соотношение между числом протонов и числом нейтронов в ядре определяет количество стабильных изотопов. У элементов с нечётными атомными номерами не бывает более двух стабильных изотопов. У элементов же с чётными номерами стабильных изотопов может быть много. Олово, например, имеет десять стабильных изотопов, рубидий — семь и т. п.

Игра в «чёт и нечёт» приводит ещё к одному следствию — не могут существовать два соседних стабильных изотопа с одинаковыми массовыми числами. А соседи элементов 43 и 61 имеют чётные номера, и стабильных изотопов у них много. На долю заключённых между ними нечётных элементов стабильных «мест» просто не остаётся. Эти элементы могут быть только радиоактивными. И если периоды полураспада у них малые, то они и не сохранились в природе. Вот почему поиски химиков были тщетными.

Значит ли это, что четырём клеткам в таблице Менделеева самой природой суждено оставаться пустыми? Оказалось, нет. Физики сумели вдохнуть в эти элементы-тени жизнь. Вот как это произошло.

Элемент 43. Впервые этот элемент был получен облучением молибдена дейтронами (ядрами тяжёлого водорода $_1^2\mathrm{H}$‍).‍ Честь открытия принадлежит К. Перрье и Э. Сегре (Италия, 1937 г.). Они дали ему и имя — технеций (Tc). Молибден — чётный элемент, и он имеет много изотопов, так что при облучении должно было получиться и несколько изотопов технеция. Например: $$ _{42}^{96}\mathrm{Mo}+{}_1^2\mathrm{H}\to{}_{43}^{97}\mathrm{Tc}+{}_0^1n. $$ Это был первый искусственно полученный элемент, отсюда и название: от греческого technẽtós — искусственный. Вскоре изотоп технеция $_{43}^{99}\mathrm{Tc}$‍‍ обнаружили, и притом в изобилии, среди продуктов деления урана в ядерных реакторах. Период полураспада у него составляет $2{,}12\cdot10^5~\text{лет}$‍,‍ так что получать его можно килограммами. Технеций хорошо изучен и даже нашёл практическое применение как замедлитель процессов коррозии. Известно большое число изотопов технеция. Самый долгоживущий — $_{43}^{97}\mathrm{Tc}$‍‍ с периодом полураспада $2{,}6\cdot10^~\text{лет}$‍.‍

Элемент 61. Среди многих десятков осколков деления урана в ядерных реакторах нашёлся и элемент 61. В 1946 году Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Корриелл выделили два изотопа элемента 61, которому они присвоили название прометий (Pm) — от имени Прометей. Изотопы эти — $_{\hphantom061}^{147}\mathrm{Pm}$‍‍ с $T=2{,}6~\text{года}$‍‍ и $_{\hphantom061}^{149}\mathrm{Pm}$‍‍ с $T=2{,}2~\text{дня}$‍.‍ Сейчас известны и другие изотопы. Самое большое значение $T$‍‍ у изотопа $_{\hphantom061}^{145}\mathrm{Pm}$‍‍ — около 18 лет.

Элемент 85. Этот элемент впервые был получен в 1940 году при облучении висмута альфа-частицами (ядрами $_2^4\mathrm{He}$‍)‍ и из-за нестабильности назван астатом (At) от греческого ástatos — неустойчивый: $$ _{\hphantom083}^{209}\mathrm{Bi}+{}_2^4\mathrm{He}\to {}_{\hphantom185}^{211}\mathrm{At}+2\,{}_0^1n. $$ Период полураспада у него 7,5 часов. Из более чем 20 известных теперь изотопов астата наибольшее значение $T$‍‍ у изотопа $_{\hphantom185}^{210}\mathrm{At}$‍‍ — 8,3 часа.

Элемент 87. Один из изотопов этого элемента с некоторой натяжкой можно назвать природным. О его открытии. было впервые сообщено в 1939 году в работе М. Пере, давшей ему имя своего отечества — франций (Fr). «Нашла» она его среди продуктов распада одного из членов радиоактивного семейства $_{\hphantom092}^{235}\mathrm{U}$‍‍ — изотопа актиния $_{\hphantom089}^{227}\mathrm{Ac}$‍.‍ Обычно это бета-радиоактивный изотоп: испуская бета-частицу, он превращается в торий. Но 1% его ядер испускает альфа-частицы и превращается во франций: $$ _{\hphantom089}^{227}\mathrm{Ac}\to{}_{\hphantom087}^{223}\mathrm{Fr}+ {}_4^2\mathrm{He}. $$ Этот-то 1% и сумела «поймать» Пере. Период полураспада $_{\hphantom087}^{223}\mathrm{Fr}$‍‍ $T=22~\text{минуты}$‍.‍ Простой расчёт показывает, что во всей земной коре содержится... около 500 грамм франция. (Для сравнения заметим, что урана в земной коре — тысячи миллиардов тонн.) В дальнейшем серией прямых опытов было показано, что франций и астат входят в состав радиоактивного семейства нептуния ($_{\hphantom187}^{221}\mathrm{Fr}$‍,‍ испуская альфа-частицу, превращается в $_{\hphantom185}^{217}\mathrm{At}$‍).‍ Позже было получено и много других изотопов франция, но у всех у них периоды полураспада меньше 22 минут.