Технеций. Именно так по легенде звали одного из древнеримских императоров. И звали потому, что любил этот бодрый дядька возиться с разнообразной техникой. Именно он придумал первые микроволновые печи и электромясорубки. Выйдет, бывало, утром на крыльцо своего Колизея, достанет айфон, закинет в него спичечный коробок верблюжьего кизяка и всё звонит, звонит кому-то… Но всегда зря. Потому что сотовые вышки тогда еще не придумали… (шутка).
Сегодняшняя статья будет немного химической. С плавным переходом в астрономическую. И речь в ней пойдёт о химическом элементе под весьма брутальным названием технеций. Большинство из простых граждан мало что знают об этом чудесном металле. Что не удивительно. Но грустно.
Неуловимый технеций
Технеций имеет зарядовое число атомного ядра (атомный номер) 43. И с самых древних времён он производил неприятное впечатление на химиков, физиков и бродячих музыкантов. Просто потому, что его никто и никогда не видел. И когда в XIX веке Дмитрий Иванович Менделеев создал всем известную систему химических элементов, в ней оставался пробел. Химический элемент с атомным номером 42, молибден, был известен каждой домохозяйке средней полосы (с прошедшим праздником, кстати, дорогие наши женщины!). Элемент с атомным номером 44 тоже был всеми известен. Это рутений. Да, да, тот самый, который лежит в каждом дворе в виде огромных матовых катушек. И вот только элемента под номером 43 никто не видел. Было очевидно лишь одно – он должен существовать! Потому что атомный номер — это вам не это. А количество протонов, которое имеет соответствующее атомное ядро!
Всем неравнодушным обывателям было очевидно: раз молибден имеет 42 протона в атомном ядре, а ядро рутения состоит из 44 протонов, должны же существовать атомные ядра с 43 протонами! Значит что? Правильно! Его нужно найти, этот элемент!
Правительства разных стран отправляли экспедиции на поиски технеция (тогда он еще не имел такого названия) в самые разные уголки мира. Это были конные экспедиции и походы в заснеженную тундру на собачьих упряжках. И даже верблюдов иногда использовали для этих целей, если речь шла о засушливых районах Средней Азии. Но нигде, совершенно нигде ни один местный житель ничего не мог толком сказать по поводу картинки с 43 шариками внутри атомного ядра. Все эти люди (лиловые негры, худые эскимосы и даже великаны-пигмеи) просто пожимали плечами и продолжали грустно стирать хозяйственным мылом свои нехитрые вещи в ближайшей мутной реке…
Наука забила тревогу. Получалось, что один из химических элементов просто не существовал! Это ставило под сомнение правильность таблицы Менделеева. Который, кстати, от досады и неопределённости принялся усиленно тестировать новый перспективный раствор воды со спиртом (который оказался коварен, кстати!).
Технеций не нашли? Давайте сделаем его!
И только в 1937 году учёные Эмилио Сегре и Карло Перрье из Университета Палермо совершили прорыв. Устав ждать у моря погоды они вдруг решили, что нужно попробовать создать технеций своими руками. Потому что дальше ждать было нельзя. Весь мир находился в напряжении. И нужно было как-то разрядить обстановку.
Исследователи взяли в подвале ненужный, оставшийся после пивной вечеринки тонкий лист молибдена, поставили к стене, хорошо прицелились и выстрелили в него из рогатки атомами водорода. Логика их смелого поступка была такова: молибден имеет 42 протона. Так? Так. Водород имеет один протон. Верно? Верно. А всё вместе это будет… 43 протона!
Конечно, на самом деле этот процесс намного сложнее. Ведь атомные ядра не так-то и просто «склеить» между собой. Это вам не козявки из носа, в конце концов. Но не будем вдаваться в детали. Отметим лишь тот факт, что «потерянный» химический элемент был получен. И его существование было-таки подтверждено в ходе гениального эксперимента. Народ ликовал. А Сегре и Перрье сразу же, пока не забыли, дали название новому элементу. Он стал именоваться «Технеций». От греческого слова «искусственный». Потому что в природе он не встречается, и его нужно было производить самостоятельно.
Детальное изучение элемента дало ответы на все вопросы. Практически сразу же выяснилось, почему технеций нельзя было найти в дикой природе. Оказалось, что он является крайне радиоактивным! А его ядро очень нестабильно. И очень быстро превращалось во всякие разные химические элементы. И в этом смысле технеций был очень интересен.
Нестабильные изотопы
Да, многие элементы тоже радиоактивны. Например, углерод. Но не «обычный» углерод, то есть тот, которого в нас, людях, как силоса за баней. Радиоактивен только один изотоп углерода. Это такой вариант атома, в котором ядро имеет такое же количество протонов, как и у обычного углерода. Однако оно содержит другое количество нейтронов. В ядре обычного углерода 6 протонов и 6 нейтронов. И если поместить в это ядро еще два нейтрона, то всё равно получится углерод. Потому что химические свойства атома зависят, в основном, от содержащихся в нём протонов.
Однако есть нюанс: с двумя дополнительными нейтронами ядро углерода будет как-бы «разбалансировано». И не сможет долго быть единым целым. И этот вариант углерода, называемый С14, будет радиоактивным. То есть будет быстро распадаться.
Существуют также и различные изотопы технеция. Но вот только в отличие от углерода любой из них радиоактивен. И постоянно стабильного варианта атома технеция просто не существует. Некоторые его изотопы распадаются всего за несколько часов. Некоторым требуется для этого более 4 миллионов лет. Но не более. И в этом отношении технеций вовсе не уникален.
Есть и другие элементы, которые тоже не имеют стабильных изотопов. Радий, например. Этот химический элемент был открыт Марией и Пьером Кюри. И именно на его примере стала ясна вся эта штука с радиоактивностью. Радий распадается гораздо быстрее технеция. Самые долгоживущие его изотопы «живут» всего несколько тысяч лет.
Тот факт, что Кюри все же смогли открыть его, объясняется лишь тем, что природа постоянно «пополняет» его запасы. Например, это происходит в результате распада урана. Который тоже радиоактивен. И при распаде превращается, в том числе, и в радий. А поскольку для полураспада урана требуется очень много времени (238 изотоп – 4,4 млрд лет), сегодня все еще существует достаточное его количество. И он может в ходе распада превращаться в радий. Который долго не живёт.
Нет на Земле
Однако в случае с технецием всё по-другому. Хотя, на самом деле, существуют радиоактивные процессы, которые могут его производить. Но только в бесконечно малых количествах. И поскольку технеций распадается через очень короткое время, его практически нельзя найти в горных породах. И даже если бы технеций присутствовал при формировании планеты 4,5 миллиарда лет назад (чего, на самом деле, не было) сегодня его попросту не осталось бы. Весь технеций, который сегодня есть на Земле, происходит из радиоактивных остатков испытаний ядерного оружия. Или был произведён искусственно.
Итак, настало время ответить на вопрос, который, несомненно, мучает моего пытливого читателя: почему сегодня речь идёт о каком-то химическом элементе? Который, конечно же, очень интересен. Но фактически его не существует. И он может быть получен только искусственным путём. Ведь здесь говорят в основном о космосе (и еще иногда немного о лунной «афере» США)!
Сейчас поясню. Дело в том, что технеций может производиться не только в лабораториях. А на самых обычных кухнях коммунальных квартир! (шутка).
В 1952 году американский астроном Пол Меррил опубликовал весьма занятную статью. С довольно невзрачным названием «Спектроскопическое исследование звёзд S-класса». И в ней речь шла вовсе не об особенностях нанесения знаков о сбитых старушках на капоты «Мерседесов». А о звёздах, находящихся в конце своей жизни. О так называемых красных гигантах.
Технеций внутри звёзд!
Меррил тщательно исследовал их спектры. То есть разделял свет звёзд на составляющие. Он использовал эту технологию для определения их химического состава. И то, что Меррил обнаружил в составе красных гигантов, повергло его в шок – там присутствовал, в том числе, технеций!
И это была сенсация. Потому что технеций, как мы выяснили ранее, «живёт» максимум всего несколько миллионов лет! И в природе почти не встречается. Получалась какая-то ерунда. Ведь если он присутствует в звёздах, то выходит, что Вселенной всего несколько миллионов лет! И все элементы, включая технеций, образовались одновременно с ней!
Но, во-первых, уже в 1952 году было ясно, что Вселенной не менее нескольких миллиардов лет. А во-вторых, если технеций действительно был создан вместе со всеми остальными элементами во время Большого взрыва и часть его сохранилась до наших дней, то его можно было бы без труда найти и на Земле. А его нет!
Оставалась только такая возможность: технеций «производится» внутри самих звёзд. Да, эта идея не была совершенно новой в начале 1950-х годов. Но определённо была еще очень свежа. Ведь изначально учёные предполагали, что все химические элементы были созданы непосредственно во время Большого Взрыва. Однако со временем появлялось все больше доказательств, что это вовсе не так. И что во время Большого взрыва образовались только водород и гелий. Это два простейших элемента с простейшими атомными ядрами. Все остальное должно было взяться откуда-то еще. И это могли быть только звезды.
Оболочки
Внутри этих объектов чрезвычайно жарко. Настолько жарко, что атомные ядра могут там сливаться, образуя новые, более тяжёлые элементы. Но в те времена еще отсутствовало последовательное и функциональное описание того, как именно это должно происходить. И какие атомы могут сливаться с какими другими атомами, при каких условиях и так далее.
«Рецепт», который можно было бы использовать для объяснения того, как сделать остальную часть таблицы Менделеева из гелия и водорода, ещё отсутствовал. Убедительных доказательств того, что элементы действительно формируются внутри звёзд в результате ядерного синтеза, тогда просто не существовало.
И Меррил представил это доказательство, обнаружив технеций в красных гигантах. А в 1957 году Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл опубликовали в журнале статью, в которой говорилось о том, как именно технеций появляется в звёздах.
Выглядит это, если говорить очень простым языком, примерно так: сначала в звезде, подобной нашему Солнцу, происходит обычное слияние водорода с образованием гелия. Однако в какой-то момент водород заканчивается, и звезда начнёт превращать гелий, например, в углерод или кислород. Это происходит при гораздо более высоких температурах. Поэтому звезда расширяется. И становится красным гигантом.
Эти звезды состоят из неких «оболочек». В самом ядре такой звезды уже не происходит синтез гелия из водорода. Там «сгорают» и синтезируются уже более тяжёлые элементы.
А вот дальше находятся оболочки, в которых водород продолжает превращаться в гелий. А гелий в углерод. Короче говоря, по всей звезде происходят различные реакции ядерного синтеза. В ходе некоторых из этих реакций нейтроны высвобождаются и проходят через неё. Они могут быть захвачены атомными ядрами. Дополнительные нейтроны делают эти атомные ядра более тяжёлыми. А иногда и нестабильными, то есть радиоактивными.
Звёздная бетономешалка
Именно таким образом красным гигантам и удаётся производить технеций. Однако для того, чтобы его можно было обнаружить в спектрах звёзд, он должен быть перенесён из внутренних слоёв во внешние. Из которых звёздный свет и уходит в космос.
И это происходит только в особых, очень коротких фазах жизни гигантской звезды, когда начинаются или заканчиваются определённые термоядерные реакции. Например, когда в звезде начинает «плавиться» гелий. В этот момент температуры в звезде меняются. И её вещество начинает перемешиваться. Тот материал, который был глубоко внутри звезды, может подняться наверх. Именно так технеций попадает на поверхность. Где Меррил (и многие другие учёные после него) смогли его обнаружить.
В какой-то момент жизнь любой звезды заканчивается. И термоядерный синтез замирает. Звезда сбрасывает в космос все оставшиеся у неё слои газа. Эти слои содержат все синтезированные химические элементы. Из них-то и формируются потом новые звезды или планеты. Набор этих элементов достаточно богат. Здесь есть всё. Кроме технеция. Поскольку к тому времени, когда произойдёт описанный выше процесс, он уже давно распался.
Да, технеций можно найти только внутри красных гигантских звёзд. То есть только в космосе. Его нет здесь, на Земле. Тем не менее мы можем наблюдать за ним и узнавать его свойства, изучая то, как работают звезды.
_____________________________________________________________________________________
Дорогие друзья! В тексте статьи присутствуют так называемые «пасхалки» – отсылки к каким-то произведениям литературы, музыки, кинематографа, встроенные в контекст, но по смыслу к теме статьи не относящиеся. Тот, кто первый найдет секрет, получит приз: вечную ссылку в этой статье на канале Дзен Живой Космос на Ваш блог, сайт и т.д. Удачи в поисках! Пишите свой ответ в комментариях!