Химия единичных атомов

Были времена, когда горько сетовали химики: дескать, трудно изучить свойства нового элемента, если приходится иметь дело с миллиграммами вещества.

Потом «критерий малости» не раз пересматривался. В 1937 году итальянские ученые Перье и Сегре неплохо изучили свойства только что искусственно полученного элемента номер 43 – технеция. В руках исследователей была всего лишь… одна десятимиллиардная доля грамма нового представителя менделеевской таблицы.

Опыт пошел впрок. Работая с трансуранами, химики начисто забыли, что есть такие единицы веса: граммы, миллиграммы, микрограммы. «Невесомые, невидимые количества» – вот какие термины фигурировали на страницах научных статей, посвященных трансурановым элементам. Чем дальше продвигались исследователи в этой области периодической системы, тем большие трудности вставали перед ними.

Наконец дошла очередь до сто первого элемента, которому дали название менделеевий, в честь великого русского химика.

Коль скоро новый трансуран получил имя, то, следовательно, ученые были твердо убеждены в том, что его действительно удалось получить.

Сравнительно просто было рассчитать условия, при которых можно надеяться на успех синтеза элемента номер 101. Не составило особого труда написать уравнение соответствующей ядерной реакции. Удавалось предвидеть, какой изотоп нового трансурана должен образоваться.

Такова была теория. То, что получалось на практике, требовало подтверждения. Доказательств, что изотопы именно сто первого элемента, а никакого другого образовались в результате ядерного процесса.

Дальше начиналась фантастика. «В ходе одного эксперимента по синтезу сто первого нельзя рассчитывать на получение более чем одного атома нового элемента», – утверждали строгие физико‑математические выкладки. Так оказалось и на деле. Один атом, единственный атом, неизвестный атом заявлял о своем рождении. Но был ли то атом элемента сто один?

Чуткие радиометрические приборы позволили определить период полураспада атома. Но не его химическую природу.

Да и вообще: можно ли изучить хотя бы основные химические свойства одного‑единственного атома?

На помощь пришла хроматография.

Проследите за цепочкой наших рассуждений: сто первый элемент должен относиться к семейству актиноидов. Актиноиды во многих своих особенностях подобны элементам другого аналогичного семейства элементов – лантаноидам. Разделение лантаноидов было успешно произведено с помощью ионообменной хроматографии: при этой сортировке отдельные лантаноиды выделялись из смеси в строго определенной последовательности. Сначала тяжелые, затем – легкие.

Сто первый элемент в ряду актиноидов должен был следовать после эйнштейния (№ 99) и фермия (№ 100). Если бы мы захотели хроматографическим методом разделить эйнштейний, фермий и элемент номер 101, то в первых каплях жидкости, вытекающей из хроматографической колонки, должен был обнаружиться именно менделеевий.

Семнадцать раз подряд ставили ученые эксперименты по синтезу менделеевия. Семнадцать раз применяли ионообменную хроматографию, чтобы выяснить химическую сущность нового, созданного по воле людей, атома. И в каждом случае атом менделеевия появлялся именно в той капле раствора, где ему надлежало появляться по теории. Прежде там выходили из колонки фермий и эйнштейний.

Значит, порядковый номер менделеевия 101, и он по свойствам типичный актиноид.

Есть ли предел?

Все на свете имеет свой конец, кроме вселенной, которая не имела начала и не будет иметь конца. Так что, вообще говоря, и предел анализу есть, безусловно. Если мы научимся определять химическую природу отдельных атомов элементов или молекул химического вещества, на этом можно поставить точку.

Однако здесь пойдет речь не совсем об этом. Еще в начале 40‑х годов нашего века, каких‑нибудь двадцать пять лет назад, химики могли анализировать большинство примесей, если их содержание в основном веществе составляло 0,01–0,001 процента, и почти всех это устраивало. Но наука и техника в наше время движутся поистине семимильными шагами. К началу 60‑х годов запросы уже лежали в области одной тысячемиллиардной доли процента примеси (10^–12), и к тому времени по возможностям определения отдельных элементов мы лишь приближались к таким цифрам. Что же, сейчас некоторые элементы и их соединения мы можем определять в таких количествах. И здесь в первую очередь помогают методы активационного анализа, газовой хроматографии и масс‑спектрометрии, которые позволяют ученым определять такие «мелочи».

Требования к анализу примесей будут неуклонно повышаться. Известный советский ученый, академик Иван Павлович Алимарин считает, что требования к чистоте материалов стремятся к такому пределу, когда будет необходимо определять единичные атомы примеси, то есть количества вещества порядка 10^–23 грамма. Эта нелегкая задача будет решаться совместными усилиями физиков и химиков. Она ныне решена для атомов радиоактивных. Радиоактивные атомы некоторых химических элементов мы уже сейчас можем определять в единичных экземплярах. Однако чувствительность определения стабильных атомов и их соединений еще далека от предела. И здесь методы анализа ждут тех, кто сумеет «закрасить» это «белое пятно».