Цезий - Две голубые незнакомки
С.И. Венецкий
История - "разборчивая невеста": добиться ее благосклонности - попасть на самые почетные страницы - удается далеко не каждому. В мире химических элементов (как, пожалуй, и в жизни) такой чести удостаиваются лишь те счастливцы, которые сумели в чем-либо превзойти или опередить конкурентов. Что ж, в этом есть своя логика. Разве не вправе рассчитывать на особое место в истории, например, технеций - первый искусственно созданный элемент, или гелий - единственный обитатель периодической таблицы, сначала обнаруженный на Солнце, а уж потом найденный на Земле?
К числу баловней судьбы с полным основанием можно отнести цезий, который голубыми буквами вписал свое имя в историю спектрального анализа. Впрочем, истина требует точности: вписал не цезий, а сделали это немецкие ученые Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф. Что же касается цвета букв, то они неспроста названы голубыми - в этом вы вскоре убедитесь.
В начале 50-х годов прошлого века профессор химии Гейдельбергского университета Р. Бунзен обратил внимание на малозначительное, казалось бы, для науки явление: если в пламя газовой горелки вводили соли металлов, оно окрашивалось в разные цвета. Возможно, это обстоятельство было подмечено кем-нибудь и раньше, но только Бунзен заинтересовался им всерьез. Ученый подносил к горелке крупицы различных веществ и всякий раз язычок пламени, словно хамелеон, менял свою окраску, становясь то желтым, то фиолетовым, то розовым. В этих экспериментах отчетливо выявлялись две закономерности: во-первых, каждый из "подопытных" металлов придавал пламени определенный цвет, а во-вторых, этот цвет не зависел от того, в каком виде металл "приговаривался к сожжению". Так, все соединения бария делали пламя зеленоватым, а кальций, попадая в огонь, заставлял его краснеть как бы в отместку за свои муки.
Напрашивалась мысль: нельзя ли воспользоваться подмеченными закономерностями, чтобы просто и быстро устанавливать, какие элементы присутствуют в исследуемом веществе? Такое открытие означало бы поистине революционный переворот в химическом анализе. К сожалению, заманчивую на первый взгляд идею трудно было претворить в жизнь. Дело в том, что любое вещество содержит, как правило, несколько компонентов, не говоря уже о примесях, которые обычно не желают оставаться незамеченными. И вот, когда вся эта "компания" оказывается в огне, попробуй различить в "хоре" цветов отдельные голоса: ярко-желтый "бас" натрия, например, без труда забьет довольно слабенький розовато-лиловый "тенорок" калия. Один цвет смешивается с другим, оттенки и полутона теряются на фоне более сочных красок - в таких условиях не приходится рассчитывать на успешный анализ.
Так что же: идея, едва успев появиться на свет, должна была бесславно кануть в Лету? В сказках при безвыходных ситуациях обычно появляется добрый принц - события принимают нужный оборот и неизбежно наступает счастливый конец. Нечто подобное произошло и в стенах Гейдельбергского университета: в роли принца выступил друг и коллега Р. Бунзена профессор физики Г. Кирхгоф, который уже был известен своими работами, в частности в области оптики. В тот период Кирхгофа более всего интересовало изучение спектров раскаленных твердых и жидких тел.
Он-то и сумел оживить идею Бунзена, предложив рассматривать не само пламя горелки, а его спектр, поскольку в нем все цвета и оттенки видны гораздо отчетливее. Из двух подзорных труб, стеклянных призм и ящика из-под сигар Кирхгоф соорудил спектроскоп - прибор, позволявший как бы разлагать пламя на составные части. Если раньше информация о пламени воспринималась невооруженным глазом ученого, то теперь луч света от горелки проходил через несколько линз и призму, превращаясь в красочную полоску с многочисленными вертикальными линиями.
Когда Бунзен поместил в пламя кристаллик поваренной соли, Кирхгоф, смотревший в прибор, увидел на фоне черной полосы две яркие желтые линии. Были "преданы огню" другие соединения натрия - сода, селитра, сульфат натрия, но всегда в одном и том же месте спектра возникала неразлучная ярко-желтая пара. Сомнений не было: такова "визитная карточка" натрия. Другой металл "рисовал" линии другого цвета, в другом месте спектра.
Дни складывались в недели, недели - в месяцы. Постепенно огонь, призму и подзорные трубы прошли сотни различных веществ, и ученые уже были убеждены в том, что каждому элементу присущи свои спектральные линии, по которым его всегда можно найти, как преступника по отпечаткам пальцев. От взора ученого, вооруженного спектроскопом, не могли ускользнуть самые крохотные примеси любого элемента. Волшебное око прибора способно было заметить в веществе тот или иной компонент, даже если его количество измерялось миллионными долями миллиграмма.
Бунзен и Кирхгоф тщательно изучили спектры всех известных тогда науке химических элементов и каждому из них дали точную спектральную характеристику. Это ознаменовало рождение нового метода анализа - спектрального. С помощью его можно не только обнаружить элемент, но и определить по интенсивности линий его количество. Однако возможности спектрального анализа этим не исчерпывались.
Однажды, а точнее в 1860 году, в лабораторию Бунзена пришла посылка с минеральной водой из знаменитых шварцвальдских источников. Врачи, приславшие воду, просили выяснить ее состав: им хотелось узнать, чему она обязана своими целебными свойствами. Почему не удовлетворить их любопытство? Бунзен выпарил воду, получил сгущенный раствор и внес каплю его в пламя газовой горелки. Глядя в окуляр спектроскопа, он наметанным глазом заметил линии натрия, калия, кальция, стронция, лития...
Но что это за две голубые незнакомки? Стронций? Нет, он сигнализирует о себе одной линией. Снова и снова ученый рассматривает спектр и сравнивает его с известными эталонами, но среди них нет ничего похожего. В этом же убеждается и Кирхгоф. Значит, открыт новый химический элемент, а называться он будет цезием: ведь в переводе с латинского это - "небесно-голубой".
Итак, цезий стал первым элементом, открытым не химическим путем, как десятки его старших "братьев" и "сестер", а методом спектрального анализа. Пройдут годы, радужные картины спектроскопа познакомят науку с рубидием, таллием, индием, галлием, самарием, но пальма первенства среди "рожденных спектром" всегда будет принадлежать цезию.
Спустя несколько лет цезий сумел пролить свет на довольно темную историю. Речь идет о пропаже, которая долгие годы не давала покоя химикам, хотя вряд ли заинтересовала бы Шерлока Холмса или комиссара Мэгре.
Еще в 1846 году немецкий ученый К. Платтнер занялся исследованием полуцита-минерала, найденного на острове Эльба. Выполнить полный химический анализ минерала было делом не хитрым, но вот загвоздка: как ни складывал Платтнер полученные им результаты, сумма всех составляющих оказывалась равной 93%. Куда же могли подеваться остальные 7%?
Почти два десятка лет никто не мог ответить на этот вопрос. И лишь в 1864 году итальянец Пизани представил неопровержимые доказательства того, что виновником "недовеса" был цезий, ошибочно принятый Платтнером за калий - эти элементы состоят в довольно близком химическом родстве, однако цезий в два с лишним раза тяжелее.
Цезий - один из редчайших элементов, но все же следы его можно найти во многих горных породах, в морской воде, а его "связи" с минеральной водой вам уже известны (правда, чтобы получить несколько граммов цезиевых солей, Бунзену пришлось выпарить "всего-навсего" 40 тонн целебного напитка). Любопытно, что "крохи" цезия обнаружены в сахарной свекле, зернах кофе, чайных листьях. Знаком с ним и каждый курильщик: об этом свидетельствуют две голубые линии в спектре табачного пепла.
Если бы металлы, подобно спортсменам, могли рассчитывать на приз "За активность", то судейская коллегия из самых авторитетных химиков без колебаний присудила бы его цезию. И дело не только в том, что этот элемент занимает самое "металлическое" место в периодической системе (если не считать франция, которого практически нет в природе), но и в том, что он полностью оправдывает свое "особое положение".
Действительно, чистый цезий чрезвычайно активный металл. Оказавшись на воздухе, он немедленно воспламеняется и сгорает. Попадая в компанию с серой или фосфором (не говоря уже об "идейных противниках" всех металлов-галогенах), он тут же начинает бурно "возмущаться", и это всегда приводит к взрыву. Общение цезия с водой также чревато конфликтной ситуацией, сопровождающейся взрывом и пожаром - горит выделяющийся в ходе реакции водород.
Даже скромный и смирный (в химическом отношении) лед, который весьма индифферентен к окружающей действительности, не выдерживает нападок цезия и вступает с ним в шумную "перепалку", причем разнять их не может и лютый холод (до -116 °С) - известный "укротитель" химических реакций.
Немудрено, что при таком буйном нраве цезия получить его в чистом виде очень сложно. Впервые эту задачу сумел решить электролитическим путем шведский химик К. Сеттерберг в 1882 году. Сейчас для этой цели используют обычно способ, предложенный еще в 1911 году французским химиком А. Акспилем: цезий вытесняется из его хлорида металлическим кальцием в вакууме при температуре около 700 °С (как видно, кальций - не из робкого десятка).
Но вот чистый цезий получен. А как его хранить? Вопрос этот, как вы понимаете, далеко не праздный, а ответ на него - просто парадоксален: чистый цезий нужно... загрязнить, т. е. сплавить с другими металлами. Сплавы цезия не столь "задиристы", как он сам, и хранятся тихо и спокойно, сколько требуется. Выделить же из них цезий помогает отгонка в вакууме.
"Свежеприготовленный" цезий - блестящий светлый металл с бледно-золотистым оттенком; он мягкий, как воск, и легкий, как магний или бериллий. Всем известно, что самый легкоплавкий металл - ртуть; в этом отношении у нее нет соперников. Но из всех прочих металлов наиболее "покладист" цезий: он легко переходит в жидкое состояние, так как температура плавления его всего 28,5 °С.
Чтобы он растаял, достаточно теплоты человеческих ладоней (надеемся, что помня об опасном характере этого металла, вы не будете проводить такой эксперимент, поскольку он может иметь печальные последствия).
Само собой разумеется, изготовлять из цезия детали или изделия, которые должны подвергаться механическим нагрузкам, работать в жарких условиях или находиться в контакте с химическими "агрессорами", занятие, мягко выражаясь, неблагодарное. Так, может быть, этот недотрога "голубых кровей" вообще ни на что не пригоден и представляет интерес лишь сугубо с научной точки зрения? Железу, титану, алюминию он и впрямь не конкурент, зато у него есть такие свойства, какими, кроме него, не обладает ни один металл. А чтобы стало понятно, о чем идет речь, снова совершим небольшой экскурс в прошлый век.
В 1887 году известный немецкий физик Генрих Герц открыл явление внешнего фотоэффекта, т. е. "испарения" электронов с поверхности металлов под действием света. Вскоре профессор Московского университета А. Г. Столетов, заинтересовавшийся этим явлением, провел ряд опытов и на их основе сформулировал теоретические законы фотоэффекта. В чем же его суть? Оказывается, невесомый луч несет с собой энергию, вполне достаточную для того, чтобы выбить из атомов некоторых металлов наиболее удаленный от ядра электрон. Если в разрыв электрической цепи направить вереницу вырвавшихся на волю "узников", то их поток способен замкнуть цепь и в ней появится ток.
Говорят, сколько людей - столько мнений. Так и у каждого металла есть свое "мнение" в отношении фотоэффекта. Одни не считают нужным идти на поводу у света: их хоть прожектором "обстреливай", но электронов из них не выбьешь.
Другие, напротив, без сожаления расстаются с ними, как только на них попадает едва заметный луч. Самый щедрый на электроны металл - цезий, и эта щедрость отнюдь не случайна. У всех щелочных металлов, а цезий - их типичный представитель, на внешней орбите "разгуливает" всего один электрон. Но один в поле не воин, и свет расправляется с ним без особого труда. У цезия к тому же этот одинокий скиталец находится дальше от ядра, чем у его родственников по "щелочной линии". Поэтому работа выхода электрона (так называется тот "труд", который должен затратить световой луч, чтобы отнять у атома электрон) у цезия минимальна, а это значит, что он - самый подходящий материал для фотоэлементов - приборов, превращающих лучи света в электрический ток. Службу в фотоэлементах цезий несет не в одиночку, а, например, в сплаве с сурьмой, причем толщина светочувствительного слоя настолько мала, что одним граммом сплава можно покрыть поверхность примерно в 10 квадратных метров.
Все, кто пользуется услугами метрополитена, каждый день проходят мимо фотоэлементов. Они вмонтированы в контрольные турникеты, устроенные очень просто: с одной стороны - фотоэлемент, с другой - источник света, направляющий луч на своего "визави". Стоит вам, не опустив предварительно пятака, пересечь луч, фотоэлемент включит механизм рычагов и они с грозным лязгом преградят вам путь. Если же вы дадите турникету пятикопеечную "взятку", он сделает вид, что вас не заметил: механизм автоматически отключается, и рычаги не срабатывают.
Фотоэлемент - прибор несложный, но очень способный: его можно обучить любой работе. Как только в городе стемнеет, фотоэлемент включает фонари. Если рука рабочего окажется в опасной зоне, этот контролер тут же остановит станок.
Фотоэлемент умеет сортировать сигареты, подсчитывать число деталей, проплывающих мимо него на конвейере, проверять, достаточно ли хорошо отшлифована поверхность шариков для подшипников, читать запись на звуковой дорожке киноленты. Надежнее любого сторожа эти чуткие приборы охраняют ночью магазины, банки, склады.
Без фотоэлементов немыслима была бы сама идея передачи изображения на сотни и тысячи километров. Если вы вчера с интересом смотрели по телевизору хоккейный матч, концерт или очередную "порцию" захватывающего многосерийного фильма, то не грех поблагодарить за это цезий: без него ваш телевизор имел бы не больше шансов на передачу изображения, чем ящик из-под макарон.
С помощью фотоэлементов удалось "снять копию" обратной стороны Луны. А разве можно было бы передать по проводам чертежи, схемы, портреты, письма, если бы фототелеграфная связь не пользовалась услугами не равнодушных к свету электронов? Конечно, нет.
Фотоэлектрические свойства цезия позволили создать интроскоп - прибор, позволяющий заглянуть внутрь непрозрачных тел и заметить в них возможные дефекты. Чувствительность цезия к инфракрасным лучам лежит в основе конструкции "ночезрительных труб" - так М. В. Ломоносов называл приборы, о которых он мог только мечтать. А сегодня оптический "глаз", способный видеть в темноте, помогает человеку ночью вести автомобиль, прицельно стрелять, обнаруживать различные объекты.
До сих пор речь шла о фотоэлектрическом эффекте, но цезий готов поделиться своими электронами "по просьбе" не только света, но и тепла. Благодаря этому свойству он охотнее многих других химических элементов переходит в состояние ионизированного газа - плазмы. Цезиевая плазма представляет огромный научный и практический интерес. В космическом пространстве, например, где степень разрежения очень высока, поток электронов, выделяемых атомами цезия, способен создавать мощную реактивную тягу и придавать ракетам колоссальную скорость - по расчетам некоторых зарубежных ученых, до 44 километров в секунду! Возможно, недалек уже тот час, когда межпланетные корабли на цезиевом "топливе" будут заходить в самые далекие порты и гавани Вселенной.
Но цезиевая плазма не теряет времени даром и уже вовсю трудится на Земле. С ее помощью магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) преобразуют тепловую энергию в электрическую. Одно из многих достоинств этих генераторов - их простота: единственная движущаяся "часть" в них - поток ионизированного газа, как бы исполняющего обязанности вращающегося ротора. Без цезия не обходятся и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП), в которых тепловая энергия ядерного реактора без задержки превращается в электрический ток. Первая мощная установка такого типа - "Топаз" действует в нашей стране.
Цезий отнюдь не обделен вниманием науки: ученые различных стран проводят множество исследований, главный объект которых - цезий. Несколько лет назад физики Билефельдского университета (ФРГ) проделали любопытный эксперимент. Длился он всего десятую долю секунды, а на его подготовку понадобилось... два года. В чем же он заключался? На специальной установке атом цезия был подвергнут бомбардировке сфокусированным импульсом мощного лазера. В результате такого обстрела атом цезия пришел в состояние "крайнего возбуждения": орбиты электронов растянулись и размеры атома увеличились в десятки тысяч раз.
Группа американских физиков из Ок-Риджа (одного из важнейших центров атомной промышленности США) разработала методику, позволяющую пересчитать поштучно атомы некоторых элементов. В основе этой методики также лежит возбуждение атомов с помощью мощных лазерных импульсов. При первой демонстрации нового способа подсчитывались атомы цезия.
Ученые из индийского Института геофизических исследований, изучившие воду 60 горячих источников в Гималаях, пришли к выводу, что высокая концентрация цезия в воде может быть признаком магматической активности недр. Повышенная концентрация радиоактивного изотопа цезия-137 обнаружена в деревьях, сохранившихся в районе знаменитого Тунгусского взрыва, причем химическая аномалия характерна как раз для тех слоев ствола, которые относятся к 1908 году, когда произошло это событие.
Нельзя не упомянуть еще об одном очень важном "амплуа" этого элемента. В 1967 году Международная генеральная конференция по мерам и весам установила: "Секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133".
Коротко и ясно! Хотите отсчитать секунду, так это проще пареной репы: нужно только подождать, пока электрон цезия перепрыгнет с одной своей орбиты на другую указанное число раз.
Конечно, человеку такой подсчет проделать, мягко выражаясь, трудновато, а вот атомные часы на этом принципе уже работают и, надо сказать, неплохо: за три тысячелетия точность их хода может измениться всего на одну секунду. Это возможно благодаря необыкновенной стабильности основных свойств атомов цезия.
О цезии можно рассказывать тысячу и одну ночь: о его каталитических способностях и умении создавать вакуум в радиолампах, о его изотопах, применяемых в медицине, дефектоскопии, измерительной технике, о получении с помощью этого элемента сцинтилляционных монокристаллов, способных светиться холодным голубоватым или зеленоватым светом под действием любого излучения - рентгеновского, ультрафиолетового, радиоактивного. Словом, областям применения цезия, как говорится, несть числа. А перспективы его поистине безграничны!
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.alhimik.ru/