Сергей Венецкий - О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

«Поправка к закону» может быть использована для очистки многих металлов и сплавов от примесей висмута, свинца и других «нарушителей порядка». Для этого металлическую заготовку, которую нужно подвергнуть рафинированию, вводят в электролит в качестве катода. Начинается электролиз, и ненужные примеси, расставшись с основной массой металла, перебазируются на анод. Этот экономичный способ назван катодной очисткой.

Как известно, все металлы, да и вообще большинство твердых тел, имеют кристаллическую структуру, при которой их атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строго определенном порядке. Другое дело — жидкости или газы. Взять хотя бы обычную воду. Что она собой представляет? Совершенно хаотическое скопление молекул «ашдвао». Но стоит охладить воду до нуля, как ее замерзающие молекулы стремятся занять уже не случайное положение, а лишь то, что соответствует кристаллической решетке льда. Так неприметная капелька дождя превращается в красавицу-снежинку. В результате этой перестройки существенно меняются не только «внешние данные», но и многие физико-химические свойства вещества.

Однако не все твердые тела «признают» кристаллическую структуру. Таково, например, стекло — оно аморфно и в жидком, и в твердом состоянии. А нельзя ли аморфные металлические расплавы заставить переходить в твердое, но тоже аморфное состояние, т. е. получать «металлические стекла»? Эта смелая задача была продиктована не праздным любопытством ученых: ведь у новых материалов могли оказаться совершенно неожиданные свойства. Но как же решить задачу?

Обычно процесс кристаллизации вещества протекает во времени, и молекулы поэтому имеют возможность «поразмыслить» над тем, как им себя вести в ходе перестройки. А что если осуществить мгновенное затвердевание и, следовательно, не дать молекулам времени на «размышление»?

На помощь пришлось призвать глубокий вакуум и адский холод. Именно они помогли создать такие условия, оказавшись в которых, молекулы вынуждены были, как при знакомой всем игре моментально подчиняться команде: «Замри!». В ходе многочисленных опытов удалось установить, что если на переохлажденную металлическую пластинку, находящуюся в камере, где обеспечены указанные условия, нанести пары какого-либо металла, то на пластинке тут же образуется «стеклянная» пленка. Подобный эксперимент, в частности, был проделан с висмутом. Оказалось, что пленка из висмутового «стекла» толщиной всего в несколько микрон обладает буквально сказочными магнитными и сверхпроводящими свойствами. Даже при обычной температуре ее сопротивление электрическому току во много раз ниже, чем у того же висмута в кристаллическом состоянии.

Магнетизм и сверхпроводимость — это едва ли не важнейшие качества материалов, без которых немыслимо развитие многих направлений современной техники. И, надо полагать, металлические «стекла» (или, если хотите, «стеклянные» металлы) скажут по этому поводу свое веское слово.

Висмут — последний практически не радиоактивный элемент периодической системы. Именно практически, так как тонкие эксперименты показали, что ядра атомов его основного природного изотопа висмута-209 все же подвержены радиоактивным превращениям, но период полураспада этого изотопа в сотни миллионов раз превышает возраст Земли. Поэтому его с полным основанием можно характеризовать как стабильный, чего не скажешь о других 19 изотопах висмута период полураспада любого из них не превышает нескольких суток.

Совсем недавно висмут помог советским физикам синтезировать ядра 107-го элемента периодической системы. Помещенная в ускоритель висмутовая мишень подверглась ожесточенной бомбардировке ионами хрома. Более двух месяцев непрерывно работал ускоритель, сопоставлялись и анализировались результаты десятков тончайших экспериментов, и вот, наконец, можно было с уверенностью заявить, что при слиянии иона хрома с ядром висмута образуются ядра 107-го элемента, период полураспада которых всего около двухтысячных долей секунды.

Спрос на висмут растет из года в год. За последние 40 лет цена на него на мировом рынке подскочила в шесть раз. По запасам в земной коре висмут занимает весьма скромное место в восьмом десятке, позади большинства редких и рассеянных элементов. В то же время минералов этого металла не так уж мало-более 70. Правда, скоплений они не образуют, и добывать висмут приходится как попутный продукт при производстве свинца, меди, серебра и других распространенных металлов, руды которых содержат порой всего 0,0001 % висмута. Самые известные висмутовые месторождения находятся в Боливии, на острове Тасмания и в Перу.

В нашей стране поиски месторождений этого металла начались в годы первой мировой войны, когда резко возросла потребность в лечебных и антисептических средствах. Висмутовые препараты, используемые для медицинских целей, ввозили в царскую Россию из Германии. С началом военных действий на старого торгового «партнера» рассчитывать не приходилось, и Управление верховного начальника санитарной и эвакуационной части обратилось в Академию наук с просьбой указать, есть ли в России руды висмута и можно ли выплавлять из них этот металл.

Просьба была передана крупнейшему геологу академику В. И. Вернадскому, который в те годы возглавлял Комиссию по изучению естественных производительных сил России. Исследовав образцы Минералогического музея академии, ученый пришел к выводу, что поисковые работы следует вести в Забайкалье, и вскоре туда отправился один из его учеников К. А. Ненадкевич (впоследствии член-корреспондент АН СССР). Спустя некоторое время он нашел в Шерловой горе новый минерал, названный им базобисмутитом. Минерал содержал довольно много висмута и мог быть отличным сырьем для его производства. В дальнейшем геолог нашел еще ряд висмутовых месторождений, а уже в 1918 году из руд одного из них — Букукинского — им были выплавлены первые десятки килограммов отечественного висмута.

Говорят, нет правил без исключений. И если посчитать правилом тот факт, что история открытия химических элементов связана прежде всего с представителями сильной половины человечества, то приятным исключением будут три женских имени, которыми вправе гордиться слабый пол: Мария Склодовская-Кюри — первооткрыватель полония и радия, Ида Ноддак (Такке), открывшая рений, и Маргерит Перэ, которой суждено было открыть франций. Нисколько не умаляя огромных заслуг Марии Склодовской-Кюри и Иды Ноддак, заметим, что научный успех они делили со своими мужьями Пьером Кюри и Вальтером Ноддаком, в то время как Маргерит Перэ при «рождении» Франция обошлась «без посторонней помощи».