Итак, наряду со многими преимуществами, даваемыми применением технеция и его изотопов, мы имеем риск поражения тканей и органов в-излучением.



4. Прометий, Pm

Прометий, Pm - радиоактивный элемент, 3-й группы, цериевая подгруппа лантаноидов (относится к редкоземельным элементам, а следовательно к побочной подгруппе), 6-го периода Периодической системы. Порядковый номер - 61. Простое вещество прометий - светло-серый радиоактивный металл (см. рисунок 9).

Ш Один из четырех искусственных нетрансурановых элементов.

Ш Единственный среди лантаноидов не был найден в земной коре.

4.1 «Прометий принадлежит к лантаноидам…» Что это значит?

Как мы уже сказали, радиоактивный элемент № 61 принадлежит к цериевой подгруппе лантаноидов… А что вообще из себя представляют лантаноиды, на какие группы между собой разделяются, почему, наконец, они вообще составляют целую группу, то есть что их объединяет? Прежде чем говорить об элементе № 61 необходимо ответить на эти вопросы и сделать выводы.

Лантаноиды (от лантан и греческого еidos -- образ, вид) - семейство из 14 химических элементов с атомным номером от 58 до 71, расположенных в 6-м периоде системы Менделеева вслед за лантаном. Лантаноиды (и, кстати, сходные с ними элементы скандий, иттрий и лантан) образуют группу редкоземельных элементов (в литературе её обозначают сокращённо РЗЭ). Такое название объясняется тем, что все эти элементы встречаются редко и дают тугоплавкие, нерастворимые в воде окислы, по старинной терминологии, -- «земли». Редкоземельные элементы входят в побочную подгруппу III группы периодической системы.

Как и подразумевалось, по химическим свойствам лантаноиды сходны между собой. Чем это объясняется? Это объясняется строением электронных оболочек их атомов:

ь по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, т.к. происходит заполнение электронами 3-й снаружи оболочки -- глубоколежащего 4f-уровня. Максимально возможное число электронов на f-уровне равно 14, что определяет число элементов семейства лантаноидов.

Лантаноиды подразделяются на 2 подгруппы:

Ш цериевую, включающую церий Се, празеодим Pr, неодим Nd, прометий Pm, самарий Sm, европий Eu.

Ш иттриевую, включающую гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Но, эрбий Ег, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu.

Это деление обусловлено периодичностью изменения некоторых свойств внутри семейства лантаноидов.

Итак:

прометий принадлежит к семейству редкоземельных элементов - лантаноидов. Это значит, что он, как и они, дает тугоплавкие, нерастворимые в воде окислы.

Также, как мы выяснили, что сходство свойств лантаноидов сходны между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов… И чуть позже мы рассмотрим строение атома технеция.



4.2 История радиоактивного лантаноида. Происхождение названия

История открытия прометия интересна тем, что он единственный среди лантаноидов не был найден в земной коре (об этом мы говорили раньше). В 1907 г. после открытия среди редких земель иттербия (лантаноид, порядковый номер 70) и лютеция (лантаноид, 71) казалось, что ряд полностью завершен и нельзя рассчитывать на его дальнейшее пополнение… Однако, некоторые видные исследователи редких земель, в частности Б. Браунер, полагали, что в серии редких земель между неодимом и самарием должен существовать ещё один элемент, так как разница в атомной массе этих двух элементов была аномально высока. Лишь после того, как английский физик Генри Мозли открыл свой закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента с его порядковым номером, стало очевидным отсутствие среди редкоземельных элемента № 61.

Кстати, что такое спектральная линия?

ь Спектр (лат. spectrum «видение») в физике -- распределение значений физической величины.

ь Спектральная линия -- особенность участка спектра, выражающаяся в локальном повышении (светлые, эмиссионные линии, спектральные максимумы) или понижении (тёмные линии, линии поглощения, спектральные минимумы) уровня сигнала.

Его поиски к 1947 г. увенчались успехом. Он оказался единственным радиоактивным лантаноидом и одним из четырех искусственных нетрансурановых (т. е. легче, чем уран) элементов:

Ш технеций

Ш прометий

Ш франций

Ш астат

Элемент № 61 американские химики Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл выделили из продуктов деления урана в ядерном реакторе и назвали в честь древнегреческо­го героя Прометея, похитившего огонь с божественного Олимпа и передавшего эту драгоценность людям.

Усилия и средства, затраченные на поиск прометия, не пропали впустую.

Ш Во-первых, с теоретической точки зрения, была доказана незыблемость таких законов, как периодический закон Д. И. Менделеева и закон Г. Мозли.

Ш Во-вторых, найденный элемент благодаря своим радиоактивным свойствам (затруднявшим его поиск) выдвинулся в разряд наиболее перспективных. Дело в том, что его радиоактивные долгоживущие изотопы испускают мягкие гамма- и бета-излучения, а некоторые обладают только мягким в-излучением. Оно легко задерживается слоем вещества и металла толщиной не более 1 мм, а это делает безопасным атомные батарейки на основе прометия…

4.3 Каково строение атома прометия?

Раньше, в главе, посвящённой технецию, мы привели те факторы, которые подразумевают строения атома химического элемента. Теперь имея все материалы, нам осталось только систематизировать данные.

4.3.1 Электроны, протоны, нейтроны в атоме прометия и заряд ядра атома

Посмотрим на Периодическую таблицу уважаемого Дмитрия Ивановича Менделеева. Порядковый номер прометия в ней - 61. Находится в 6-м периоде.

1) Число электронов, а следовательно и протонов - 61, заряд ядра - + 61. Вокруг ядра атома прометия 61 электрон с общим отрицательным зарядом - 61.

2) Найдём число нейтронов: массовое число атомов - 145. Это общее число частиц в ядре, А. Число протонов, Z - 61.

N=A - Z.

N=145 - 61=84.

Число нейтронов - 84.

4.3.2 Электронная конфигурация и количество энергетических уровней

Технеций находится в 6-м периоде, следовательно, в атоме прометия 6 энергетических уровней. Представим электронную схему атома прометия, вспомня об орбиталях и распределении электронов:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f55s25p66s2

Строение атома проиллюстрируем на рисунке 10. Также там обозначено количество электронов на каждом уровне:

На 1-м, 2-м и 3-м: 2, 8, и 18 соответственно. На 4-м 23, на 5-м 8 электронов, а на 6-м 2 электрона.

4.4 Получение прометия. Нахождение в природе

В ходе работы уже было упомянуто, что прометий единственный из лантаноидов (обратим внимание: только из лантаноидов) сначала не был найден в земной коре. Обнаружить прометий в земной коре удалось лишь после того, как он был получен искусственным путем.

В природе этот элемент образуется в результате радиоактивного распада ядер тяжелых элементов. Настуран (уранинит) и другие минералы урана содержат следы прометия (рисунок 11).

Сейчас известно 15 изотопов прометия. Все они радиоактивны. Самый долгоживущий из них - прометий-145 с периодом полураспада около 18 лет. Практически наиболее важен прометий-147 (период полураспада 2,64 года).

Прометий, состоящий главным образом из изотопа 147Pm, получают из осколков деления 235U, образующихся при работе ядерных реакторов. В крупных реакторах за год работы накапливается несколько сот граммов прометия.

4.5 Применение элемента № 61

Чуть раньше мы уже сказали об одном доказательстве перспективы применения прометия, а именно, что его радиоактивные изотопы испускают мягкие гамма- и бета-излучения, и некоторые обладают только мягким в-излучением. Оно легко задерживается слоем вещества и металла толщиной не более 1 мм, а это делает безопасным атомные батарейки на основе прометия (прометия-147), в этих батарейках энергия бета-излучения преобразуется в электрическую. Внешне батарейка имеет вид диска, не превышающего размерами шляпку ... канцелярской кнопки! Исключительная миниатюрность батарейки, безотказность ее работы на протяжении ряда лет (до 5), независимость от внешних факторов (температура, давление и т. д.) безгранично расширяют область практического применения прометиевых батарей. Портативные приемники и многообразная аппаратура, начиная с управляемых на расстоянии тяжелых механизмов и кончая миниатюрными слуховыми "трубками" для тугоухих, вот диапазон, в котором находит применение атомная батарейка на прометии-147. Сейчас скажем о других аспектах применения прометия:

Ш прометий применяют для приготовления светосоставов длительного действия.

ь Светосостав - химический состав, обладающий способностью светиться в темноте.

Ш при помощи b-излучения 147Pm можно измерять толщину различных материалов, поэтому прометий используют в радиоизотопных толщиномерах.

4.6 Какую опасность прометий представляет?

А теперь, как в случае с технецием и с другими радиоактивными элементами, которые нам предстоит рассмотреть, необходимо уделить один подпункт той радиационной опасности, которую могут представлять некоторые изотопы прометия.

Изотоп 147Pm, имеющий широкое применение в технике, является долгоживущим отравляющим веществом, образующимся при взрыве атомной бомбы.

В организме 147Pm в значительных количествах концентрируется в печени (47,9%) и скелете (20%). Только 10% введённого 147Pm исчезает в течение 20-ти суток.

Интрахеальное введение крысам доз 147Pm (14,8 - 7,4)Ч105 Бк/г вызывает гибель животных в сроки от 2-х до 8-ми суток.

Через 6-12 месяцев после интрахеального введения 147Pm в количестве (9,3 - 18,5)Ч104 Бк/г в 60-75% случаев развивается ороговевающий рак лёгких. При введении (1,85 -12,58)Ч104 Бк/г

147Pm у крыс развивается хроническое лучевое поражение. Преобладают хронические гепатиты, циррозы печени. Отмечаются доброкачественные и злокачественные опухоли мягких тканей и костей. Тут, как всегда мы приходим к нашему любимому выводу:

Любое применение радиации должно быть безопасным.



5. Полоний, Po

Полоний, Po - радиоактивный элемент, 6-ой группы, 6-го периода, А-подгруппы Периодической системы Менделеева, атомный номер 84. Простое вещество полоний - мягкий серебристый металл (см. рисунок 12).

Ш Полоний -- первый элемент, открытый по радиоактивным свойствам П. Кюри и М. Склодовской-Кюри (первый элемент, вписанный в таблицу Менделеева после открытия радиоактивности).

Ш Первый (по порядку атомных номеров) и самый легкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов.

Ш Он же один из первых радиоактивных элементов, примененных в космических исследованиях.

В то же время элемент №84, пожалуй, один из наименее известных, наименее популярных радиоактивных элементов. Вначале он оставался в тени, оттесненный на второй план славой радия. Позже его не слишком афишировали, как почти все материалы атомных и космических исследований.

5.1 Как открыли полоний. История. Имя

История открытия элемента №84 достаточно хорошо известна. Его открыли Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри (замечательные учёные, о которых мы говорили раньше). В лабораторном журнале супругов Кюри символ «Po» (вписанный рукой Пьера) впервые появляется 13 июля 1898 г.

Спустя несколько лет после смерти Пьера Кюри его жена и соавтор двух самых ярких его открытий написала книгу «Пьер Кюри». Благодаря этой книге мы «из первых рук» узнаем историю открытия полония и радия, знакомимся с особенностями и принципами работы двух выдающихся ученых. Вот отрывок из этой книги: «...Рудой, избранной нами, была смоляная обманка, урановая руда, которая в чистом виде приблизительно в четыре раза активнее окиси урана... Метод, примененный нами, - это новый метод химического анализа, основанный на радиоактивности. Он заключается в разделении обычными средствами химического анализа и в измерении, в надлежащих условиях, радиоактивности всех выделенных продуктов. Таким способом можно составить себе представление о химических свойствах искомого радиоактивного элемента; последний концентрируется в тех фракциях, радиоактивность которых становится все больше и больше по мере продолжающегося разделения. Вскоре мы смогли определить, что радиоактивность концентрируется преимущественно в двух различных химических фракциях, и мы пришли к выводу, что в смоляной обманке присутствуют по крайней мере два новых радиоэлемента: полоний и радий. Мы сообщили о существовании элемента полония в июле 1898 г. и о радии в декабре того же года...»

Первое сообщение о полонии датировано 18 июля. Оно написано в высшей степени сдержанно и корректно. Есть там такая фраза: «Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас».

ь По-латыни Polonia - Польша.

«Полоний» - не первое «географическое» название элемента. К тому времени уже были открыты и германий, и рутений, и галлий, и скандий. Тем не менее это название особое, его можно рассматривать как название-протест: самостоятельного польского государства в то время не существовало. Польша была раздроблена, поделена между Австрийской, Германской и Российской империями...

В известной книге «Мария Кюри», написанной младшей дочерью супругов Кюри Евой, сделан такой вывод: «Выбор этого названия показывает, что Мари, став французским физиком, не отреклась от своей родины. Об этом же говорит и то, что прежде, чем заметка «О новом радиоактивном веществе в составе уранинита» появилась в «Докладах Академии наук», Мари послала рукопись на родину, к Иосифу Богусскому, руководителю той лаборатории Музея промышленности и сельского хозяйства, где начались ее первые научные опыты. Сообщение было опубликовано в «Swialto», ежемесячном иллюстрированном обозрении, почти одновременно с опубликованием в Париже».

5.1.1 Почему радий, а не полоний?

Вы наверняка спросите, почему радий, а не полоний принес супругам Кюри всемирную славу? Ведь первым элементом, открытым ими, был элемент №84.

После года работы у них не было сомнений, что в урановой смолке присутствуют два новых элемента. Но эти элементы давали знать о себе только радиоактивностью, а чтобы убедить всех, и прежде всего химиков, в том, что открытия действительно произошли, нужно было эти активности выделить, получить новые элементы хотя бы в виде индивидуальных соединений. излучение радионуклид атом электрон

Все радиоактивные элементы и изотопы, как известно, сейчас объединены в семейства: распадаясь, ядро радиоактивного атома превращается в атомное ядро другого, дочернего элемента. Все элементы радиоактивных семейств находятся между собой в определенном равновесии. Измерено, что в урановых рудах равновесное отношение урана к полонию составляет 1,9Ч1010, а в равновесии с граммом радия находятся 0,2 мг полония. Это значит, что в урановых минералах радия почти в 20 миллиардов раз меньше, чем урана, а полония еще в 5 тысяч раз меньше.

Супруги Кюри, конечно, не знали этих точных цифр. Тем не менее, поняв, какая титаническая работа по выделению новых элементов предстоит, они приняли единственно правильное решение. В уже цитированной нами книге о Пьере Кюри сказано: «Результаты, полученные после года работы, ясно показали, что радий легче выделить, чем полоний; поэтому усилия были сконцентрированы на радии».

5.2 Атом полония

Составим характеристику атома полония. Для этого приведём предварительные данные:

1) Атомный номер полония - 84.

2) Находится в 6-м периоде.

3) Атомная масса - 209.

5.2.1 Количество электронов, нейтронов и протонов. Заряд ядра

1) Количество электронов - з - 84, заряд ядра - + 84. Вокруг ядра атома находится 84 электрона с общим отрицательным зарядом -84.

2) Общее количество частиц (А) - 209, количество - p - протонов (Z) - 84.

Найдём количество нейтронов: N=A - Z.

N=209 - 84=125.

Количество нейтронов - n - 125.

5.2.2 Энергетические уровни и электронная конфигурация атома полония

Количество энергетических уровней - 6. Представим электронную конфигурацию:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p4.

Строение атома мы можем наблюдать на рисунке 13.

На 1-м, 2-м и 3-м уровнях: 2, 8, 18 электронов соответственно. На 4-м, 5-м и 6-м: 32, 18 и 6 электронов.

5.3 Добыча полония

Здесь вполне уместен вопрос: если полоний действительно ультраредкий и сверхтруднодоступный элемент, то во что же обходится добыча полония в наше время?

Точными цифрами мы не располагаем, однако сегодня элемент №84 не менее доступен, чем радий. Получить его из руды действительно сложно, но есть другой путь - ядерный синтез.

Сегодня полоний получают двумя способами, причем исходным сырьем в обоих случаях служит висмут-209. В атомных реакторах его облучают потоками нейтронов, и тогда по сравнительно несложной цепочке ядерных превращений образуется самый важный сегодня изотоп элемента №84 - полоний-210.

А если тот же изотоп висмута поместить в другую важнейшую машину ядерного синтеза - циклотрон и там обстрелять потоками протонов, то по реакции образуется самый долгоживущий изотоп элемента №84 (209Po).

Первая реакция важнее: полоний-210 - значительно более интересный для техники изотоп, чем полоний-209. (О причинах - ниже.) К тому же по второй реакции одновременно с полонием образуется свинец-209 - одна из самых трудноудаляемых примесей к полонию.

А вообще очистка полония и выделение его из смеси с другими металлами для современной техники не представляют особо трудной задачи. Существуют разные способы выделения полония, в частности электрохимический, когда металлический полоний выделяют на платиновом или золотом катоде, а затем отделяют возгонкой.

Полоний - металл легкоплавкий и сравнительно низкокипящий; температуры его плавления и кипения соответственно 254 и 962°C.

5.4 Основы химии

Вполне очевидно, что существующие ныне совершенные методы получения и выделения полония стали возможны лишь после досконального изучения этого редкого радиоактивного металла. И его соединений, разумеется.

Основы химии полония заложены его первооткрывателями. В одной из лабораторных тетрадей супругов Кюри есть запись, сделанная в 1898 г.: «После первой обработки смоляной обманки серной кислотой полоний осаждается не полностью и может быть частично извлечен путем промывания разбавленной SO4H2 (здесь и ниже сохранена химическая индексация оригинала). В противоположность этому две обработки остатка смоляной обманки и одна обработка остатка немецкой [руды] карбонатами дают карбонаты, причем из карбоната, растворенного в уксусной кислоте, SO4H2 полностью осаждает активное вещество».

Позже об этом элементе узнали значительно больше. Узнали, в частности, что элементарный полоний - металл серебристо-белого цвета - существует в двух аллотропных модификациях.

ь Аллотропия (от др.-греческого бллпт -- «другой», фспрпт -- «поворот, свойство») -- существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам -- так называемых аллотропических (аллотропных) модификаций или форм.

Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую решетку, а другой - высокотемпературной - ромбическую.

Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36°C, однако при комнатной температуре полоний находится в высокотемпературной форме. Его подогревает собственное радиоактивное излучение.

По внешнему виду полоний похож на любой самый обыкновенный металл. По легкоплавкости - на свинец и висмут. По электрохимическим свойствам - на благородные металлы. По оптическому и рентгеновскому спектрам - только на самого себя. А по поведению в растворах - на все другие радиоактивные элементы: благодаря ионизирующему излучению в растворах, содержащих полоний, постоянно образуются и разлагаются озон и перекись водорода.

По химическим свойствам полоний - прямой аналог серы, селена и теллура. Он проявляет валентности 2-, 2+, 4+ и 6+, что естественно для элемента этой группы. Известны и достаточно хорошо изучены многочисленные соединения полония, начиная от простого окисла PoO2, растворимого в воде, и кончая сложными комплексными соединениями.

Последнее не должно удивлять. Склонность к комплексообразованию - удел большинства тяжелых металлов, а полоний относится к их числу. Кстати, его плотность - 9,4 г/см3 - чуть меньше, чем у свинца.

Очень важное для радиохимии в целом исследование свойств полония было проведено в 1925 - 1928 гг. в ленинградском Радиевом институте. Было принципиально важно выяснить, могут ли радиоактивные элементы, находящиеся в растворах в исчезающе малых количествах, образовывать собственные коллоидные соединения.

ь Коллоидными растворами называются гетерогенные дисперсные системы, в которых частицы «растворенного» вещества обладают ультрамикроскопической (коллоидной) степенью дробления.

Ответ на этот вопрос - ответ положительный - был дан в работе «К вопросу о коллоидных свойствах полония». Ее автором был И.Е. Старик, впоследствии известный радиохимик, член-корреспондент Академии наук СССР.

5.4.1 Полоний на Земле и в космосе. Применение

Людям, далеким от радиохимии и ядерной физики, следующее утверждение покажется странным: сегодня полоний - значительно более важный элемент, чем радий. Исторические заслуги последнего бесспорны, но это прошлое. Полоний же - элемент сегодняшнего и завтрашнего дня. Прежде всего это относится к изотопу полоний-210.

Всего известно 27 изотопов полония с массовыми числами от 192 до 218.

ь Это один из самых многоизотопных, если можно так выразиться, элементов.

Период полураспада самого долгоживущего изотопа - полония-209 - 103 года. Поэтому, естественно, в земной коре есть только радиогенный полоний, и его там исключительно мало. У нескольких изотопов полония, существующих в природе, есть собственные имена и символы, определяющие место этих изотопов в радиоактивных рядах. Так, полоний-210 еще называют радием F (RaF), 211Po - AcC', 212Po - ThC', 214Po - PaC', 215Po - AcA, 216Po - ThA и 218Po - RaA.

Каждое из этих названий имеет свою историю; все они связаны с «родительскими» изотопами той или иной атомной разновидности полония, так что правильнее было бы назвать их не «именами», а «отчествами». С появлением современной системы обозначения изотопов перечисленные старые названия постепенно почти вышли из употребления.

Наиболее важный изотоп полоний-210 - чистый альфа-излучатель. Испускаемые им частицы тормозятся в металле и, пробегая в нем всего несколько микрометров, растрачивают при этом свою энергию. Атомную энергию, между прочим. Но энергия не появляется и не исчезает. Энергия альфа-частиц полония превращается в тепло, которое можно использовать, скажем, для обогрева и которое не так уж сложно превратить в электричество.

ь Эту энергию уже используют и на Земле, и в космосе. Изотоп 210Po применен в энергетических установках некоторых искусственных спутников. В частности, он слетал за пределы Земли на советских спутниках «Космос-84» и «Космос-90».

Чистые альфа-излучатели, и полоний-210 в первую очередь, имеют перед другими источниками излучения несколько очевидных преимуществ:

Ш во-первых, альфа-частица достаточно массивна и, следовательно, несет много энергии.

Ш во-вторых, такие излучатели практически не требуют специальных мер защиты: проникающая способность и длина пробега альфа-частиц минимальны.

Ш Есть и в-третьих, и в-четвертых, и в-пятых, но эти два преимущества - главные…

В принципе для работы на космических станциях в качестве источников энергии приемлемы плутоний-238, полоний-210, стронций-90, церий-144 и кюрий-244. Но у полония-210 есть важное преимущество перед остальными изотопами-конкурентами - самая высокая удельная мощность, 1210 Вт/см3. Он выделяет так много тепловой энергии, что это тепло способно расплавить образец. Чтобы этого не случилось, полоний помещают в свинцовую матрицу. Образующийся сплав полония и свинца имеет температуру плавления около 600°C - намного больше, чем у каждого из составляющих металлов. Мощность, правда, при этом уменьшается, но она остается достаточно большой - около 150 Вт/см3.

У. Корлисс и Д. Харви, авторы книги «Источники энергии на радиоактивных изотопах» (на русском языке эта книга вышла в 1967 г.), пишут: «Как показывают новейшие исследования, 210Po может быть использован в пилотируемых космических кораблях». В качестве еще одного достоинства полония-210 они упоминают доступность этого изотопа. В той же книге говорится, что висмут и получаемый из него полоний легко разделяются методом ионного обмена. Так что космическая служба полония, видимо, только начинается.

А начало положено хорошее. Радиоактивный изотоп полоний-210 служил топливом «печки», установленной на «Луноходе-2» (рисунок 14).

Ночи на Луне очень долги и холодны. В течение 14,5 земных суток луноход находился при температуре ниже -130°C. Но в приборном контейнере все это время должна была сохраняться температура, приемлемая для сложной научной аппаратуры.

Полониевый источник тепла был размещен вне приборного контейнера. Полоний излучал тепло непрерывно; но только тогда, когда температура в приборном отсеке опускалась ниже необходимого предела, газ-теплоноситель, подогреваемый полонием, начинал поступать в контейнер. В остальное время избыточное тепло рассеивалось в космическое пространство.

Атомную печку «Лунохода-2» отличали полная автономность и абсолютная надежность.

Есть, правда, у полония-210 и ограничение. Относительно малый период его полураспада - всего 138 дней - ставит естественный предел срока службы радиоизотопных источников с полонием.

Подобные же устройства используют и на Земле. Кроме них, важны полоний-бериллиевые и полоний-борные источники нейтронов. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Поток нейтронов из ядра атома бора или бериллия порождают альфа-частицы, испускаемые полонием.

Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе, очень надежны. Латунная ампула диаметром 2 см и высотой 4 см - советский полоний-бериллиевый источник нейтронов - ежесекундно дает до 90 млн нейтронов.

Среди прочих земных дел элемента №84, вероятно, следует упомянуть его применение в стандартных электродных сплавах. Эти сплавы нужны для запальных свечей двигателей внутреннего сгорания. Излучаемые полонием-210 альфа-частицы понижают напряжение, необходимое для образования искры, и, следовательно, облегчают включение двигателя.

5.5 Чем опасен полоний? Техника безопасности

При работе с полонием приходится соблюдать особую осторожность.

ь Пожалуй, это один из самых опасных радиоэлементов.

Обратите внимание: его активность настолько велика, что, хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы.

ь Элемент №84 опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц.

Он способен быстро переходить в аэрозольное состояние и заражать воздух. Поэтому работают с полонием лишь в герметичных боксах, а то обстоятельство, что от излучения полония защититься несложно, чрезвычайно благоприятно для всех, кто имеет дело с этим элементом.

Внимательный читатель, вероятно, уже заметил, что в этой главе везде, где говорится о практическом применении полония, фигурирует лишь один изотоп - с массовым числом 210. Действительно, другие изотопы элемента №84, в том числе и самый долгоживущий полоний-209, пока не вышли за пределы лабораторий.

Правда, многие ученые считают, что для космических источников энергии перспективен и полоний-208, тоже чистый альфа-излучатель. Период полураспада у него значительно больше, чем у полония-210 - 2,9 года. Но пока этот изотоп почти недоступен.

А сколько времени ходить ему только в перспективных, покажет будущее.



6. Астат, At

Астат, At -- радиоактивный элемент А-подгруппы 7-й группы, 6-го периода, с атомным номером 85. Простое вещество астат нестабильные кристаллы тёмно-синего цвета (см. рисунок 15).

Ш Астат - пятый галоген - наименее распространенный элемент на нашей планете.

6.1 Откуда такое название?

Приблизительный расчет показывает, что во всей земной коре содержится лишь около 30 г астата, и эта оценка - самая оптимистическая. У элемента №85 стабильных изотопов нет, а самый долгоживущий радиоактивный изотоп имеет период полураспада 8,3 часа, т.е. от полученного утром астата к вечеру не остается и половины.

ь Таким образом, в названии астата - а по-гречески буфбфпт значит «неустойчивый» - удачно отражена природа этого элемента.

Чем же тогда может быть интересен астат и стоит ли заниматься его изучением? Стоит, ибо астат (так же, как прометий, технеций и франций) в полном смысле слова создан человеком, и изучение этого элемента дает много поучительного - прежде всего для познания закономерностей в изменении свойств элементов периодической системы.

Проявляя в одних случаях металлические свойства, а в других - неметаллические, астат представляет собой один из наиболее своеобразных элементов.

До 1962 г. в русской химической литературе этот элемент называли астатином, а теперь за ним закрепилось название «астат», и это, видимо, правильно: ни в греческом, ни в латинском названии этого элемента (по-латыни astatium) нет суффикса «ин».



6.2 Поиски экаиода

Д. И, Менделеев именовал последний галоген не только экаиодом, но и галоидом X. Он писал в 1898 году: «Можно, например, сказать, что при открытии галоида X с атомным весом, большим, чем иод, он все же будет образовывать KX, KXO3 и т.п., что его водородное соединение будет газообразной, очень непрочной кислотой, что атомный весь будет... около 215».

В 1920 г. немецкий химик Э. Вагнер вновь привлек внимание к все еще гипотетическому пятому члену группы галогенов, утверждая, что этот элемент должен быть радиоактивным.

Тогда и начались интенсивные поиски элемента №85 в природных объектах.

В предположениях о свойствах 85-го элемента химики исходили из местоположения его в Периодической системе и из данных о свойствах соседей этого элемента по таблице Менделеева. Рассматривая свойства других членов группы галогенов, легко заметить следующую закономерность:

1) фтор и хлор - газы

2) бром - уже жидкость

3) иод - твердое вещество, проявляющее, хотя и в малой степени, свойства металлов.

Экаиод - самый тяжелый галоген. Очевидно, он должен быть еще более металлоподобен, нежели иод, и, обладая многими свойствами галогенов, так или иначе похож и на своего соседа слева - известный нам полоний...

Вместе с другими галогенами экаиод, по-видимому, должен находиться в воде морей, океанов, буровых скважин. Его пытались, подобно иоду, искать в морских водорослях, рассолах и т.п. Английский химик И. Фриенд пытался найти нынешние астат и франций в водах Мертвого моря, в которых, как было известно, и галогенов, и щелочных металлов более чем достаточно. Для извлечения экаиода из раствора хлоридов осаждалось хлористое серебро; Фриенд полагал, что осадок увлечет за собой и следы 85-го элемента. Однако ни рентгеноспектральный анализ, ни масс-спектрометрия не дали положительного результата.

В 1932 году Химики Политехнического института штата Алабама (США) во главе с Фредом Аллисоном сообщили, что ими из монацитового песка выделен продукт, в котором содержится около 0,000002 г одного из соединений элемента №85. В честь своего штата они назвали его «алабамий» и описали даже его соединение с водородом и кислородсодержащие кислоты.

Название «алабамий» для 85-го элемента фигурировало в учебниках и справочниках по химии до 1947 г.

Однако уже вскоре после этого сообщения у нескольких ученых возникли сомнения в достоверности открытия Аллисона. Свойства алабамия резко расходились с предсказаниями периодического закона. Кроме того, к этому времени стало ясно, что все элементы тяжелее висмута не имеют стабильных изотопов. Допустив же стабильность элемента №85, наука оказалась бы перед необъяснимой аномалией. Ну, а если элемент №85 не стабилен, тогда на Земле его можно обнаружить лишь в двух случаях:

Ш если у него есть изотоп с периодом полураспада больше возраста Земли

Ш если его изотопы образуются при распаде долгоживущих радиоактивных элементов

Предположение, что элемент №85 может быть продуктом радиоактивного распада других элементов, стало отправной точкой для другой большой группы исследователей, занимавшихся поисками экаиода. Первым в этой группе следует назвать известного немецкого радиохимика Отто Гана, который еще в 1926 г. предположил возможность образования изотопов 85-го элемента при бета-распаде полония.

За 19 лет, с 1925 по 1943 г., в периодической печати появилось по меньшей мере полдюжины сообщений об открытии экаиода. Ему приписывали определенные химические свойства, присваивали звучные названия:

Ш гельвеций (в честь Швейцарии)

Ш англогельвеций (в честь Англии и Швейцарии)

Ш дакин (от названия древней страны даков в Средней Европе)

Ш лептин (в переводе с греческого «слабый», «шаткий», «обездоленный») и т.д.

Однако первое достоверное сообщение об открытии и идентификации элемента №85 сделали физики, занятые синтезом новых элементов.

На циклотроне Калифорнийского университета Д. Корсон, К. Мак-Кензи и уже знакомый нам Э. Сегре облучили альфа-частицами мишень из висмута. Энергия частиц составляла 21 МэВ (мегаэлектронвольт), и ядерная реакция получения элемента №85 была такова:

20983Bi + 42He > 21185At + 2 10n.

Новый синтетический элемент получил название лишь после войны, в 1947 г. Но еще раньше, в 1943 г., было доказано, что изотопы астата образуются во всех трех рядах радиоактивного распада.

Следовательно, астат есть в природе.



6.3 Астат в природе

Астат в природе первыми нашли австрийские химики Б. Карлик и Т. Бернерт. Изучая радиоактивность дочерних продуктов радона, они обнаружили, что незначительная часть радия-А (так называли тогда, да и сейчас еще называют, изотоп 218Po) распадается двояко (так называемая радиоактивная вилка), см рисунок 16.

В свежевыделенном образце RaA наряду с альфа-частицами, порождаемыми полонием-218, были зарегистрированы и альфа-частицы с иными характеристиками. Как раз такие частицы могли, по теоретическим оценкам, испускать ядра изотопа 21885.

Позже в других опытах были обнаружены короткоживущие изотопы:

Ш 215At

Ш 216At

Ш 217At.

А в 1953 г. американские радиохимики Э. Хайд и А. Гиорсо химическим путем выделили изотоп 219At из франция-223. Это единственный случай химической идентификации изотопа астата из имеющегося в природе изотопа. Намного проще и удобней получать астат искусственным путем.

6.4 Обнаружить, выделить, узнать



Приведенную выше реакцию облучения висмута альфа-частицами (рисунок 16) можно использовать и для синтеза других изотопов астата. Достаточно повысить энергию бомбардирующих частиц до 30 МэВ (мегаэлектронвольт), как пойдет реакция с вылетом трех нейтронов и вместо астата-211 образуется астат-210. Чем выше энергия альфа-частиц, тем больше образуется вторичных нейтронов и тем меньше, следовательно, массовое число образующегося изотопа. В качестве мишеней для облучения используют металлический висмут или его окись, которые наплавляют или напыляют на алюминиевую или медную подложку.

Зависимость между энергией испускаемых альфа-частиц и массовым числом (или числом нейтронов в ядре) изотопов астата представлена на рисунке 17.

Ш Другой метод синтеза астата состоит в облучении ускоренными ионами углерода мишени из золота. В этом случае происходит, в частности, такая реакция:

19779Au + 126C > 20585At + 4 10n.

Для выделения образующегося астата из висмутовых или золотых мишеней используют достаточно высокую летучесть астата - он же все-таки галоген! Дистилляция происходит в токе азота или в вакууме при нагревании мишени до 300...600°C. Астат конденсируется на поверхности стеклянной ловушки, охлаждаемой жидким азотом или сухим льдом.

Ш Еще один способ получения астата основан на реакциях расщепления ядер урана или тория при облучении их альфа-частицами или протонами высоких энергий. Так, например, при облучении 1 г металлического тория протонами с энергией 680 МэВ на синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований в Дубне получается около 20 микрокюри (иначе 3Ч1013 атомов) астата. Однако в этом случае гораздо труднее выделить астат из сложной смеси элементов. Эту нелегкую проблему сумела решить группа радиохимиков из Дубны во главе с В.А. Халкиным.

Сейчас известно уже 20 изотопов астата с массовыми числами от 200 до 219.

ь Самый долгоживущий из них - изотоп 210At (период полураспада 8,3 часа), а самый короткоживущий - 214At (2Ч10-6 секунды).

Поскольку астат не может быть получен в весомых количествах, его физические и химические свойства изучены неполно, а физико-химические константы чаще всего рассчитываются по аналогии с более доступными соседями по периодической системе. В частности, вычислены температуры плавления и кипения астата - 411 и 299°C, т.е. астат, как и иод, должен легче возгоняться, чем плавиться.

Все исследования по химии астата проводились с ультрамалыми количествами этого элемента, порядка 10-9...10-13 г на литр растворителя. И дело даже не в том, что нельзя получить более концентрированные растворы. Если бы их и удалось получить, работать с ними было бы крайне сложно. Альфа-излучение астата приводит к радиолизу растворов, сильному их разогреву и образованию больших количеств побочных продуктов.

И все же, несмотря на все эти трудности, несмотря на то, что количество атомов астата в растворе сравнимо со случайными (хотя и тщательно избегаемыми) загрязнениями, в изучении химических свойств астата достигнуты определенные успехи. Установлено, что астат может существовать в шести валентных состояниях - от 1 - до 7+. В этом он проявляет себя как типичный аналог иода. Как и иод, он хорошо растворяется в большинстве органических растворителей, но зато легче, чем иод, приобретает положительный электрический заряд.

Получены и изучены свойства ряда межгалогенных соединений астата, например AtBr, AtI, CsAtI2.

6.5 Характеристика атома астата

А теперь, после того, как мы разобрались в истории, распространённости и получении астата настало время поговорить об атоме химического элемента № 85.

Приведём для этого необходимые данные:

1) Порядковый номер - 85.

2) Находится в 6-м периоде.

3) Атомная масса - 210.

6.5.1 Электроны, протоны, нейтроны. Заряд ядра

1) Число электронов в атоме - 85. Заряд ядра +85.

2) Найдём количество нейтронов. Общее количество частиц в атоме - 210. Количество протонов - 85.

N=A - Z=210 - 85 =125.

p - 85

n - 125

з - 85.

6.5.2 Количество энергетических уровней, электронная конфигурация

Химический элемент астат находится в 6-м периоде Периодической системы. Следовательно, в атоме астата 6 энергетических уровней.

Электронная конфигурация атома:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p5.

И, как всегда, проиллюстрируем строение атома (см. рисунок 18).

Количество электронов на последних трёх уровнях: 32, 18 и 7 соответственно.



6.6 Попытка с годными средствами

Первые попытки применить астат на практике были предприняты еще в 1940 г., сразу же после получения этого элемента. Группа сотрудников Калифорнийского университета установила, что астат, подобно иоду, селективно концентрируется в щитовидной железе.

ь Опыты показали, что использовать 211At для лечения заболеваний щитовидной железы более выгодно, чем радиоактивный 131I.

Астат-211 испускает лишь альфа-лучи - весьма энергичные на небольших расстояниях, но не способные уйти далеко. В итоге они действуют лишь на щитовидную железу, не затрагивая соседнюю - паращитовидную (о «конкретном попадании» астата в организм мы поговорим чуть позже). Радиобиологическое действие альфа-частиц астата на щитовидную железу в 2,8 раза сильнее, чем бета-частиц, излучаемых иодом-131. Это говорит о том, что в качестве терапевтического средства при лечении щитовидной железы астат весьма перспективен.

ь Найдено и надежное средство выведения астата из организма.

Роданид-ион (тиоцианаты неорганические (неорганические роданиды), соли тиоциановой кислоты) блокирует накопление астата в щитовидной железе, образуя с ним прочный комплекс. Так что элемент №85 уже нельзя назвать практически бесполезным.



6.7 Чем опасен астат?

По уже заведённой у нас традиции, в конце повествования о каждом радиоактивном элементе, мы говорим о той опасности, которую он может нести.

Итак, выяснилось, что при случайном попадании большого количества в организм, астат концентрируется в печени. Астат способен накапливаться в щитовидной железе. Вы спросите: почему, ведь мы уже говорили о том, что астат используется для лечения щитовидной железы? Вот именно, что такое может произойти при неосторожном его использовании. Альфа-излучение астата может поражать близлежащие ткани, привести к нарушению их функции и в перспективе - к образованию опухолей. Но мы уже сказали, что роданид-ион блокирует накопление астата в щитовидной железе, поэтому из положения можно найти выход.



7. Радон, Rn

Радон, Rn -- радиоактивный элемент А-подгруппы 8-й группы, 6-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер 86. Простое вещество радон при нормальных условиях -- бесцветный инертный газ. Свечение радона мы можем наблюдать на рисунке 19.

Ш Единственный из радиоактивных инертный газ.

Ш Применительно к радону эпитет «самый» можно повторять несколько раз:

ь самый тяжелый

ь самый дорогой из всех существующих на Земле газов и др.

7.1 «Благородный Радиоактивный Радон…» О чем это говорит?

Вспомните, когда мы говорили о прометии, Pm, принадлежащем к лантаноидам, мы непременно узнали, что представляет та группа, к которой принадлежит исследоваемый нами радиоактивный элемент.

Выше мы упомянули, что радон, Rn, принадлежит к группе инертных газов, то есть он инертен. Да не обвинит нас читающий в том, что мы отступаем от темы, ведь не зная, что такое инертные газы, мы не можем приступить к исследованию инертного радона.



Инертные газы, или благородные газы, редкие газы - химические элементы, образующие А-подгруппу 8-й группы периодической системы Менделеева:

1) Гелий, Не (атомный номер 2)

2) Неон, Ne (10)

3) Аргон, Ar (18)

4) Криптон, Kr (36)

5) Ксенон, Xe (54)

6) Радон, Rn (86).

ь Радон, Rn, один единственный из всех инертных газов не имеет стабильных изотопов и представляет собой радиоактивный химический элемент.

Название «инертные газы» отражает химическую инертность элементов этой подгруппы, то есть крайне ограниченную способность вступать в химические реакции. Благородными их называют и по аналогии с благородным металлом золотом, Au, который ранее тоже не хотел вступать в химические реакции. Неспособность инертных газов вступать в химические реакции объясняется наличием у атомов этих газов устойчивой внешней электронной оболочки, на которой у Не находится 2 электрона, а у остальных инертных газов по 8 электронов. Удаление электронов с такой оболочки требует больших затрат энергии в соответствии с высокими потенциалами ионизации атомов инертных газов.

Из-за химической инертности инертные газы долгое время не удавалось обнаружить, и они были открыты только во 2-й половине XIX в. К открытию первого инертного газа -- гелия -- привело проведённое в 1868 французом Ж. Жансеном и англичанином Н. Локьером спектроскопическое исследование солнечных протуберанцев. Остальные инертные газы были открыты в 1892--1908.

Инертные газы постоянно присутствуют в свободном виде в воздухе. 1 м3 воздуха при нормальных условиях содержит около 9,4 л инертных газов, главным образом аргона. Кроме воздуха, инертные газы присутствуют в растворённом виде в воде, содержатся в некоторых минералах и горных породах. Гелий входит в состав подземных газов и газов минеральных источников. Остальные стабильные инертные газы получают из воздуха в процессе его разделения. Источником радона служат радиоактивные препараты урана, радия и др. После использования стабильные инертные газы вновь возвращаются в атмосферу и поэтому их запасы (кроме лёгкого Не, который постепенно рассеивается из атмосферы в космическом пространстве) не уменьшаются.

Молекулы инертных газов одноатомны. Все инертные газы не имеют цвета, запаха и вкуса; бесцветны они в твёрдом и жидком состоянии. Наличие заполненной внешней электронной оболочки обусловливает не только высокую химическую инертность инертных газов, но и трудности получения их в жидком и твёрдом состояниях.

Итак, полагается сделать вывод. Какую информацию мы получили о радоне, когда узнали об инертных газах?

Ш Радон - инертный газ, следовательно не вступает ни в какие химические реакции, поскольку имеет устойчивую внешнюю оболочку атома (о строении атома поговорим позже).

Ш Присутствует в воздухе.

Ш Как и у всех благородных газов, молекула радона одноатомна.

Ш Кроме того, мы узнали, что радон один единственный из всех инертных газов не имеет стабильных изотопов.

7.2 Обращаемся к истории

Осенью 1969 г. редакция журнала «Химия и жизнь» получила такое письмо:

«Работая над рефератом об элементе радоне, я столкнулась с противоречивыми объяснениями по поводу открытия этого элемента. В Детской энциклопедии (издание 1966 года) говорится, что радон открыл в 1900 г. английский ученый Резерфорд. Малая Советская Энциклопедия утверждает, что радон открыл французский ученый Дебьерн, а в некоторых учебниках по химии честь открытия этого элемента приписывается Рамзаю. Кому же верить?»

Письмо было опубликовано в журнале вместе с подробным ответом-консультацией, суть которого можно свести к казуистической формулировке: оба правы... Не оба даже, а многие.

7.2.1 Открывали изотопы

Радон действительно открывали неоднократно, и в отличие от других подобных историй каждое новое открытие не опровергало, а лишь дополняло предыдущие. Дело в том, что никто из ученых не имел дела с элементом радоном - элементом в обычном для нас понимании этого слова. Одно из нынешних определений элемента - «совокупность атомов с общим числом протонов в ядре», т.е. разница может быть лишь в числе нейтронов. По существу элемент - совокупность изотопов.

Но в первые годы нашего века еще не были открыты протон и нейтрон, не существовало самого понятия об изотопии.

Резерфорд и Оуэнс, Рамзай и Содди, Дорн, Дебьерн независимо друг от друга и практически одновременно (1900...1904 гг.) находили изотопы одного и того же элемента - элемента №86. Все эти открытия были продолжением работ супругов Кюри (с которыми мы свами уже знакомы) в области радиоактивности. В каждом из этих исследований, как считали их авторы, был обнаружен свой, новый радиоактивный газ, новый элемент. Да и не могли они считать иначе: происхождение вновь открытых газов, их главная радиоактивная характеристика - период полураспада - были далеко не одинаковыми.

Ш Резерфордовскую эманацию (название происходит от латинского emanatio - «истечение») порождал торий.