[Blind-Unlimited] полоний
Полоний
84
Po
6 18 32 18 8 2
ПОЛОНИЙ
(209)
6s26p4
Элемент ?84 - полоний - первый элемент, вписанный в таблицу Менделеева после
открытия радиоактивности. Он же первый (по порядку атомных номеров) и самый
легкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов. 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.
Открытие, имя
История открытия элемента ?84 достаточно хорошо известна. Его открыли
Пьер Кюри
и
Мария Склодовская-Кюри.
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
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>.
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>.
* Минерал урана, его состав UO2. Супруги Кюри исследовали разные урансодержащие
минералы.
Почему радий, а не полоний?
В самом деле, 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.
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 1,91010, а в равновесии с граммом радия находятся
0,2 мг полония. Это значит, что в урановых минералах радия почти в 20 млрд
раз меньше, чем урана, а полония еще в 5 тыс. 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>.
Искусственный полоний
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.
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 962C.
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. Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую
решетку, а другой - высокотемпературной - ромбическую.
Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36C, 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.
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.
Полоний на Земле и в космосе
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. 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
- 210-14%. 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.
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. Во-первых, альфа-частица
достаточно массивна и, следовательно, несет много энергии. Во-вторых, такие излучатели
практически не требуют специальных мер защиты: проникающая способность
и длина пробега альфа-частиц минимальны. 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, долоний-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 600C - 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>.
Ночи на Луне очень долги и холодны. В течение 14,5 земных суток луноход находился
при температуре ниже -130C. 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.
Техника безопасности
При работе с полонием приходится соблюдать особую осторожность. Пожалуй, это
один из самых опасных радиоэлементов. 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. 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 статье 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. Сколько времени ходить ему только в перспективных, покажет будущее.
подписчиков на данный момент 90
