Как были открыты химические элементы

В статье, датированной 5 сентября 1925 г., В. Ноддак, И. Такке и О. Берг объявили, что вместе с элементом № 75 — рением ими открыт также и его более легкий аналог по седьмой группе периодической системы — мазурий с порядковым номером 43. Два новых символа Ма и Re появились в таблице Д. И. Менделеева, появились на страницах учебников, замелькали в многочисленных научных журналах. Авторы открытия не видели ничего удивительного в том, что мазурий и рений не удалось обнаружить раньше. По мнению ученых, эти элементы отнюдь не были самыми редкими в земной коре. Дело заключалось в другом. Геохимики выделяют обширную группу рассеянных элементов. Это те, которые почти или совсем не образуют своих собственных минералов, а рассеяны в разных количествах по чужим, словно природа разбрызгала их по горным породам из гигантского пульверизатора. Именно благодаря своей рассеянности мазурий и рений так долго скрывались. И только всевидящий глаз рентгеноспектрального анализа как будто бы разглядел присутствие новых элементов на обширном фоне посторонних веществ. Существует древняя пословица: «Если двое делают одно и то же, это не значит, что получится одно и то же». Если двое начинают свой путь одновременно, то судьбы их обычно складываются по-разному. Из одной точки потянулись две биографии — сорок третьего и семьдесят пятого элементов, но одна из них переросла в широкий торный проселок, а другая затерялась в буреломе недоразумений, противоречий и загадок. Это была тропа мазурия.

В. Прандтль отнесся к судьбе пробелов в седьмой группе таблицы небезучастно. Он попытался взглянуть на проблему с другой стороны и высказал оригинальное мнение по поводу устройства периодической системы. В. Прандтль не предложил нового варианта таблицы. В его построении редкоземельные элементы размещались каждый в одной группе, хотя от такого варианта большинство химиков к тому времени уже отказались. И вот что ученый обнаружил: при такой структуре таблицы в седьмой группе под марганцем появляются сразу четыре пробела, которые соответствуют еще не открытым (это было в 1924 г.) элементам с порядковыми номерами 43, 61, 75 и 93. Прандтль считал, что это не случайно. Видимо, существует какая-то общая причина, которая объясняет отсутствие четырех элементов. Немецкий ученый сгустил краски. Его вариант таблицы оказался слишком искусственным, чтобы завоевать право на существование. Окончательное открытие рения внесло первое опровержение в его идею, а об элементе № 93, первом трансуране, в то время мало кто думал. Но в одном интуиция не подвела В. Прандтля: он верно предчувствовал, что сорок третий и шестьдесят первый чем-то тесно связаны друг с другом.

Чем дальше, тем меньше верили ученые в существование мазурия. Упорствовали лишь авторы открытия. Уже в начале 30-х годов И. Ноддак продолжала утверждать, что со временем сорок третий элемент можно будет приобретать у химических фирм без особого труда, так же как стало возможным покупать рений. Но время шло и, какие бы образцы земных пород ни подвергали химики испытаниям на мазурий, они убеждались, что И. Ноддак была права лишь наполовину, только лишь в отношении рения. Искать мазурий пытались в самых что ни на есть редкостных образцах. Более того, говорили, что мазурий образует свои, совершенно неведомые, свойственные лишь ему природные соединения. И это вызывало протест со стороны геохимиков. Фантазия шла дальше, и возникало предположение о радиоактивности мазурия. Эта фантазия встречала скептическое отношение. Но именно она и оказалась реальностью.

Обратимся к некоторым важным понятиям ядерной физики. Наряду с термином «изотопы» существует термин «изобары». В переводе с греческого он означает «равнотяжелые», т. е. «имеющие одинаковую массу». Изобарами будут два изотопа различных химических элементов с различными зарядами ядер, но с одинаковыми массовыми числами. Например, калий-40 и аргон-40. Их заряды ядер отличаются (соответственно 19 и 20). Но у этих разновидностей атомов одно и то же массовое число. В их ядрах содержится разное число протонов и нейтронов, а сумма их одинакова: у калия 19 протонов и 21 нейтрон, а у аргона по 20 протонов и нейтронов.

Так вот понятие «изобары» в конечном счете оказалось неожиданным ключом к решению проблемы мазурия.

Когда у большинства стабильных химических элементов были экспериментально обнаружены изотопы, причем у некоторых до десяти различных разновидностей атомов, ученые начали поиск закономерностей, царящих в мире изотопов. Одну из подобных закономерностей в начале 30-х годов подметил немецкий физик-теоретик И. Маттаух[16]. Если заряды ядер двух изобаров, считал ученый, различаются на единицу, то один из них обязательно должен быть радиоактивным. Вот, например, в паре изобаров ⁴⁰K–⁴⁰Ar первый проявляет слабую естественную радиоактивность, испытывает так называемый K-захват, превращаясь при этом во второй.

Далее И. Маттаух сопоставил друг с другом массовые числа изотопов элементов, соседних с мазурием, т. е. молибдена (Z=42) и рутения (Z=44).