Лев Власов - Занимательно о химии

Драгоценные волоски, надежно упрятанные в алюминиевый цилиндрик, исследователь поместил на несколько часов в урановый реактор.

Когда волоски извлекли и провели соответствующие измерения, выяснилось: да, Наполеон погиб от мышьяка. Мышьяка в его волосах было в тринадцать раз больше обычного. Притом давали императору мышьяк постепенно, малыми дозами.

Каким же образом удалось ученым выяснить истинную причину смерти Бонапарта? Обнаружить мышьяк, не применяя никаких, абсолютно никаких химических методов?

Природный мышьяк — элемент чрезвычайно устойчивый. Во всяком случае, никто из ученых не наблюдал у него хотя бы исчезающе слабой радиоактивности.

Есть у мышьяка и еще одна особенность. Он, как говорят, элемент-одиночка. Многие другие представляют собой смесь двух, трех, а то и более изотопов. Как, скажем, олово, у которого насчитывается десять разновидностей атомов. И все они встречаются в природе.

Мышьяк же одинок. В его ядрах содержится 33 протона и 42 нейтрона, и такая комбинация очень прочна.

Но если в это ядро каким-нибудь способом добавить лишний нейтрон, от былой устойчивости не останется и следа. Образуется другой, радиоактивный изотоп мышьяка. И чтобы его обнаружить, химические методы вовсе не нужны. Достаточно применить специальные приборы, регистрирующие радиоактивные излучения. Чем больше активного мышьяка, тем интенсивнее эти излучения.

В этом и заключается принцип простого, но поистине великого метода — радиоактивационного анализа. Он позволяет определять совершенно ничтожные количества веществ, доли грамма, измеряемые числами, где после запятой стоит 10–12 нулей. Для этого нужно лишь облучить анализируемый объект потоком нейтронов и затем измерить интенсивность излучения, испускаемого образовавшимися радиоактивными изотопами.

Вот каким способом узнали историки обстоятельства смерти Наполеона Бонапарта. Не правда ли, великолепный пример помощи со стороны точных наук!

Для современных аналитиков радиоактивационный анализ — всевидящий глаз. Он легко видит то, чего не в силах разглядеть почти все другие аналитические методы.

Все знают, что чистый германий — великолепнейший полупроводник. Но представьте, что в нем случайно оказалась примесь атомов другого элемента, скажем сурьмы. Примесь не ахти какая: на тысячу миллиардов атомов германия… один-единственный атом сурьмы. И это ничтожнейшее количество сводит на нет полупроводниковые свойства германия.

А потому германий нужно очень тщательно проверять на чистоту.

Это можно сделать только с помощью радиоактивационного анализа.

И вот нейтроны устремляются к германиевой пластинке. Химики знают, что в ней содержится какое-то количество сурьмы. Может, столь малое, что на него и не стоит обращать внимания. А может, слишком большое, и «чистый» германий придется забраковать.

Ядра атомов германия и сурьмы к нейтронам относятся по-разному. Первые их равнодушно пропускают мимо себя, вторые, напротив, поглощают с жадностью. А поэтому образуются лишь радиоактивные изотопы сурьмы. Теперь дело за счетчиками радиоизлучений. Они скажут наверняка: много или мало сурьмы в германии.

Много ли это — 500 микрограммов? Давайте посчитаем. Один микрограмм — тысячная доля миллиграмма, или миллионная доля грамма. Отсюда 500 микрограммов — пять десятитысячных грамма, или половина миллиграмма. Если у нас есть 500 микрограммов воды, то это половина кубического миллиметра, примерно втрое меньше булавочной головки. А если наше вещество раз в десять тяжелее? Значит и объем его раз в десять меньше. Такое количество вещества и разглядеть-то трудно. Казалось бы, что с ним можно сделать? Разве посмотреть под микроскопом, вот и все.

500 микрограммов плутония — и не более — было в руках американских ученых в 1942 году. Но на этом поистине невесомом количестве они сумели изучить основные свойства элемента. Притом с такой полнотой, что спустя год удалось приступить к проектированию большого завода по производству плутония.

Но ведь в ходе всевозможных химических операций химикам многократно приходилось прибегать к взвешиванию…

Казалось бы, что сложного в весах? Весы и есть весы. Даже аналитические микровесы, позволяющие взвешивать с точностью в одну сотую миллиграмма, довольно просты по своей конструкции. Однако такая чувствительность уже давно не устраивала ученых. И в начале нашего века были созданы весы, позволявшие проводить взвешивание с точностью до одной десятитысячной доли миллиграмма. Кстати, именно с помощью таких весов английский химик Вильям Рамзай взвесил около 0,16 кубического сантиметра радона и подтвердил гипотезу Резерфорда о механизме радиоактивного распада радия.

Но и эти весы не были пределом. Несколько позже шведский химик Ганс Петтерсон сконструировал весы, позволявшие проводить взвешивание с точностью до шести десятитысячных долей микрограмма, то есть 6 · 10 –10грамма! Представить себе такую точность крайне трудно. На современных ультрамикровесах можно взвесить массу вещества, в два миллиона раз большую, чем та, которую они ощущают.

Сверхточное взвешивание, взвешивание невесомого — это одно из достижений новой науки, ультрамикрохимии. Есть и другие, не менее важные.

Разработаны методы, позволяющие проводить различные химические операции с исключительно малыми объемами вещества: до одной десятитысячной доли миллилитра (кубического сантиметра), причем точность в ряде случаев достигает величины примерно в одну десятитысячную микролитра (1 · 10 –10литра).

Ультрамикрохимические методы находят широкое применение не только в биологических и биохимических исследованиях, но в особенности при изучении искусственных трансурановых элементов.

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.