Прометий: факты и фактики
Чем знаменит прометий? Тем, что его открывали и закрывали столько раз, что он может претендовать на звание чемпиона неопределимости. История начинается с того, что химики достаточно неожиданно открыли за XIX век целую вселенную — мир редкоземельных элементов, оксиды которых составили всевозможные «земли». Свойства этих элементов были близки, разделять их оказалось совсем не просто, одна история с элементами под номерами 59 и 60 чего стоит. Они побывали и одним элементом дидимом, и смесью дидима с самарием (ныне элемент номер 62), пока наконец не выяснилось, что это празеодим и неодим (см. «Химию и жизнь» 2013 №1). Но вот в руках химиков оказались эти три родственных элемента, и, глядя на них, Богуслав Браунер из Пражского университета, ранее предположивший, что дидим — смесь элементов, высказал мысль: есть еще четвертый — уж слишком велико различие атомных масс неодима и самария. Сделал он это в 1902 году в докладе на конференции Богемской академии и на основании идей, которые зародились в ходе длительной переписки с Д.И. Менделеевым. Однако проверить эту мысль никак не удавалось, пока не наступили времена новой физики, связанной с открытием Х-лучей и радиоактивности.
В 1913 году Генри Мозли, работавший в лаборатории Резерфорда обнаружил, что можно идентифицировать элементы по спектру рентгеновских лучей. Спустя тринадцать лет американцы из иллинойского университета объявили, что этим методом они сумели-таки опознать неуловимый элемент номер 61, и назвали его иллинием. «Нет, — воскликнули итальянские коллеги, — все не так! Это мы открыли новый элемент 61 и уже назвали его флоренцием в честь нашей прекрасной Флоренции!» Конец спору положил Вильгельм Прандтль из Берлинского института физической химии и электрохимии им. кайзера Вильгельма, который показал: найденные линии не имеют никакого отношения к элементу 61. Коллеги ему не поверили на слово и стали переделывать американские и итальянские опыты, но чем тщательнее они их ставили, тем яснее становилась справедливость слов Прандтля. В конце концов работавшие в Берлинском технологическом университете Ида и Вальтер Ноддаки, перелопатив за восемь лет более ста килограммов редких земель, тщательнейшим образом разделили их на фракции, выделили неодимовую и самариевую землю и не нашли ничего нового. Точность же их опыта была такова, что будь 61-го элемента в образцах хоть в миллион раз меньше, чем неодима или самария, его бы удалось заметить.
Загадка-61 увлекла многие умы. Были выдвинуты разнообразные гипотезы. Одни считали, что искать его надо не там и не так, как это делают. Другие отмечали, что, видимо, волею судеб, этот элемент просто-напросто самый редкий во вселенной. Но вот Ида Ноддак, недаром ведущий радиохимик Германии, нашла истинную причину — этот элемент радиоактивен, и у него нет долгоживущих изотопов. В начале 30-х годов такая точка зрения показалась коллегам несколько сумасбродной: ну откуда почти в центре периодической системы может взяться радиоактивность элемента, это же участь тяжелых элементов, тех, что стоят за ураном. Однако в 1932 году у самария, а в 1934-м у неодима нашли слабую радиоактивность. Последнее открытие прямо означало, что гипотеза Ноддак верна. Ведь неодим, испуская бета-электрон, неизбежно становится элементом 61. А раз тот не накапливается в неодимовой земле, значит, быстро распадается.
Тогда в бой пошли физики и решили создать новый элемент искусственно — бомбардируя быстрыми частицами неодимовую мишень. Начали с бомбардировки ядрами дейтерия, но успеха не достигли. В 1941–1945 годах, по мере совершенствования ускорителей и понимания ядерных реакций, надежды обрести элемент 61 переросли в уверенность, и ему даже придумали имя — циклоний, поскольку главным инструментом получения оказался циклотрон. Однако успех пришел совсем из другой области.
Джейкоб Маринский, Лоуренс Гленденин и Чарльз Кориэлл из Окриджской национальной лаборатории, анализируя осколки от деления урана-235, нашли более полусотни изотопов редкоземельных элементов. И два оказались изотопами 61-го элемента: 2,6% от всех осколков пришлось на изотоп с массой 147, а 1,4% — с массой 149. Новый элемент назвали клинтонием в честь лаборатории авторов открытия. Почему не окриджием? Потому, что в 40-х годах эту лабораторию, где располагалось производство оружейного урана, называли по имени расположенного в 12 км севернее городка Клинтон; видимо, чтобы запутать вероятного противника. Двадцать восьмого июня 1948 года участникам конгресса Американского химического общества было торжественно продемонстрировано по три миллиграмма солей клинтония — розового хлорида и желтого нитрида. Однако название не прижилось. Жена Кориэлла предложила назвать элемент в честь Прометея. Тут было и упоминание об огне и вообще о технологиях, которые титан передал людям, и намек на то, что ядерный огонь, оказавшись в неумелых руках, может принести чудовищные страдания, выпавшие на долю Ррометея. Химическое сообщество приняло это предложение. Так почти в центре таблицы появился необычный, практически призрачный элемент — прометий. Потом выяснилось, что у прометия два долгоживущих изотопа. Это прометий-145 с периодом полураспада 17,7 года и прометий-147 с периодом 2,4 года. У него есть еще много нестабильных изотопов, причем те, что легче 146, становятся предыдущим элементом, неодимом, а те, что тяжелее, — следующим, самарием. Изредка, раз в миллиарды лет, атом прометия-145 может стать празеодимом, испустив альфа-частицу.
Умеют ли люди получать прометий в промышленных количествах? Да, его по сей день выделяют из отработанного радиоактивного топлива или облученной нейтронами урановой мишени. До 80-х годов это делали и советские, и американские ядерщики, но потом американцы прекратили производство, и сейчас прометий в небольших количествах для исследовательских целей извлекают лишь на предприятиях Росатома. Американцы, впрочем, не теряли надежды и в 2010 году начали опыты по получению прометия-147 в результате облучения мишени из неодима-146 мощным потоком тепловых нейтронов. Для этого используют расположенную в Окридже специальную установку — изотопный реактор с большим нейтронным потоком (High Flux Isotope Reactor).
Годовое производство реакторного прометия в лучшие годы достигало нескольких сотен граммов в год. А во всей земной коре единовременно находится не более 560 граммов прометия, образующегося в результате спонтанного деления ядер урана.
Используют ли где-нибудь прометий? Сейчас практически нет, но так было не всегда. У изотопа прометия-147 есть два замечательных свойства. Во-первых, его период полураспада не маленький и не большой, а такой, какой нужно для длительного использования. А во-вторых, он чистый бета-излучатель; при его распаде образуются только бета-электроны, причем они летят с небольшой скорость и при торможении не порождают мощных квантов гамма-излучения. То есть он безопасен для человека. В то же время их энергия достаточно велика, чтобы ее имело смысл преобразовывать в электричество. Поэтому прометий оказался прекрасным источником энергии для надежных и безвредных радиоактивных батареек. В 60-х годах прометиевые батарейки использовали для питания кардиостимуляторов, однако эта история продолжалась недолго: на смену им пришли литиевые батарейки. А в космосе для навигационных приборов и прочих объектов, где требуется источник электричества пусть не очень мощный, но работающий годами (у прометиевой батарейки ресурс — пять лет), этот элемент прослужил гораздо больше. Другое использование — люминофор для подсветки различных надписей без расхода энергии. После открытия радиоактивности в таком качестве выступал радий, но потом выяснилось, что он вреден. Безвредными радиоактивными люминофорами оказались прометий и тритий. Однако тритий как компонент термоядерной бомбы подпадает под жесткие ограничения режима нераспространения ядерного оружия. Поэтому прометий нашел свое место в светящихся красках. Например, его использовали для подсветки приборов в посадочных модулях «Аполлонов», летавших на Луну. Медики пытаются использовать прометиевый люминофор для разработки противораковых препаратов. Например, есть мнение, что актиний-225 отлично убивает опухоль, поскольку цепочка его распадов дает четыре альфа-частицы и две бета-частицы. Надо только научиться привязывать его к веществу, которое надежно свяжется с раковыми клетками. Однако работа с этим актинием, очевидно, требует серьезных мер безопасности. При лечении, когда составлен протокол процедуры, их можно обеспечить, а вот исследовать такой препарат трудно. Прометий по своим химическим свойствам очень похож на актиний, а прометий-149 имеет близкий к актинию-225 период полураспада: 2,21 и 10 дней. Вот медики и пробуют заменить им актиний, тем более что прометий дает прекрасную флуоресцирующую метку, с помощью которой можно проверить — прицепился препарат к переродившейся клетке или нет («Biomedicines»). Возможно, прометий таким образом поможет создать эффективный препарат для борьбы с этой зловредной болезнью.
Откуда прометий в звездах? Этот вопрос уже не первое десятилетие составляет самую главную загадку прометия, и над ней безуспешно бьются многие астрофизики и астрохимики. Пока что ответа не найдено. Более того, злая судьба, преследующая прометий, который то появляется в руках исследователей, то исчезает, не обошла стороной и космическую историю, подробности которой — в следующей статье.