В. В. Станцо
Полоний

Элемент № 84, полоний — первый элемент, вписанный в таблицу Менделеева после открытия радиоактивности. Он же первый (по порядку атомных номеров) и самый лёгкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов. Он же один из первых радиоактивных элементов, применённых в космических исследованиях.

Элемент № 84, полонийВ то же время элемент № 84, пожалуй, один из наименее известных, наименее популярных радиоактивных элементов. Вначале он остался в тени, оттеснённый 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 „Ро“ (вписанный рукой Пьера) впервые появляется 13 июля 1898 года.

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 рук“ знаем историю открытия полония и радия, особенности и принципы работы двух выдающихся учёных. 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, применённый 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 всё 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 сдержано 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 её 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 принёс 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 определённом равновесии. Измерено, что в урановых рудах равновесное отношение урана к полонию составляет 1,9×1010, а в равновесии с граммом радия находятся 0,2 миллиграмма полония. Это значит, что в урановых минералах полония почти в двадцать миллиардов раз меньше, чем урана, и в пять тысяч раз меньше, чем радия.

Супруги Кюри, конечно, не знали этих точных цифр. Тем не менее, поняв, какая титаническая работа по выделению новых элементов предстоит, они приняли единственное 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 так, если полоний действительно ультраредкий и сверхтруднодоступный элемент, то во что же обходится добыча полония в наше время? (статья опубликована в 1973 году — П. З.)

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, причём исходным сырьём 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:

формула 1

А если тот же изотоп висмута поместить в другую важнейшую машину ядерного синтеза — циклотрон и там обстрелять потоками протонов, то по реакции;

формула 2

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 представляет 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 962°С.

Основы химии

Совершенно 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 году:

„После первой обработки смоляной обманки серной кислотой полоний осаждается не полностью и может быть частично извлечён путём промывания разбавленной SO4H2 (здесь и ниже сохранена химическая индексация оригинала. — В. С.). В противоположность этому две обработки остатка смоляной обманки и одна обработка остатка немецкой [руды] карбонатами дают карбонаты, причём из карбоната, растворённого в уксусной кисл., 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 решётку, а другой — высокотемпературной — ромбическую.

Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36°С, однако при комнатной температуре полоний находится в высокотемпературной форме. Его подогревает собственное радиоактивное излучение.

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 РоО2, растворимого в воде, и кончая сложными комплексными соединениями.

Последнее не должно удивлять. Склонность к комплексообразованию — удел большинства тяжёлых металлов, а полоний относится к их числу. Кстати, его плотность — 9,4 г/см 3 чуть меньше, чем у свинца…

Очень важное для радиохимии в целом исследование свойств полония было проведено в 1925–1928 гг. ленинградским Радиевым институтом. 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“. Её автором был И.Е. Старик, впоследствии известный радиохимик, член-корреспондент Академии наук СССР.

Полоний на Земле и в космосе

Людям, далёким 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.

Этот изотоп — чистый альфа-излучатель. Испускаемые им частицы тормозятся в металле и, пробегая в нём всего несколько микрон, 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 210Ро применён в энергетических установках некоторых искусственных спутников. В частности, он слетал за пределы Земли на советских спутниках „Космос-84и „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, несёт 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, полоний-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/см 3. 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 600°С — намного больше, чем у каждого из составляющих металлов. Мощность, правда, при этом уменьшается, но она остаётся достаточно большой — около 150 вт/см 3.

У. Корлисс и Д. Харви, авторы книги „Источники энергии на радиоактивных изоюпах“ (на русском языке эта книга вышла в 1967 году), пишут: „Как показывают новейшие исследования, 210Ро может быть использован в пилотируемых космических кораблях“. В качестве ещё 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.

Есть, правда, и ограничение. Относительно малый период полураспада полония-210 — 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 надёжны. Латунная ампула диаметром в два и высотой в четыре сантиметра — советский полоний-бериллиевый источник нейтронов — ежесекундно даёт до 90 миллионов 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…

Внимательный читатель, вероятно, уже заметил, что везде в этой статье, 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 учёные 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 слишком недоступен. Сколько времени ходить ему только в перспективных, покажет будущее.

 

Что вы знаете и чего не знаете о полонии и его соединениях

На что полоний похож

По внешнему виду — на любой самый обыкновенный металл. По химическим свойствам — на соседей по группе (селен, теллур) и на соседа слева — висмут. По легкоплавкости — на свинец и, опять же, на висмут. По электрохимическим свойствам — на благородные металлы. По оптическому и рентгеновскому спектрам — только на самого себя. А по поведению в растворах — иа все другие радиоактивные элементы: благодаря ионизирующему излучению в растворах, содержащих полоний, постоянно образуются и разлагаются озон и перекись водорода.

Чуть подробней об изотопах

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 — 2×10 –14 %. У нескольких изотопов полония, существующих в природе, есть собственные имена и символы, определяющие место этих изотопов в радиоактивных рядах. Так, полоний-210, ещё называют раднем F (RaF), 211Po — АсС', 215Ро — ThC', 214Po — PaC', 215Ро — AcA, 216Po — ThA и 218Po — РаА.

Каждое из этих названий имеет свою историю; все они связаны с „родительскими“ изотопами той или иной атомной разновидностя полония, так что правильнее было бы называть их не „именами“, а „отчествами“. С появлением современной системы обозначения изотопов перечисленные старые названия постепенно почти вышли нз употребления.

Техника безопасности

При работе с полонием приходится соблюдать особую осторожность. Пожалуй, это одни 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. Необходимо помнить, что полоний не только радиоактивен, но и токсичен, как почти все тяжёлые металлы. К тому же он трудно выводится нз организма, а локализуется в нём в таких жизненно важных областях, как селезёнка, лимфатические узлы, костный мозг. Попавший в организм полоний выделяется медленно и неполностью. Вывести его помогают некоторые вещества-комплексообразователи, в частности некоторые производные диэтнлднтиокарбамата натрия. Однако главное в борьбе с вредностями полония — это, конечно, профилактика и строжайшее соблюдение правил техники безопасности.

„Химия и жизнь“

Статьи близкой тематики:
Полоний: что нового?  И. А. Леенсон.
Откуда твоё имя?  И.А. Леенсон.
Современная форма таблицы Менделеева.  Р. Сайфуллин, А. Сайфуллин.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования