Прометий: факты и фактики

Мотыляев А.
(«ХиЖ», 2019, №1)

pic_2019_01_16.jpg 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», 2016, 4, 1; doi: 10.3390/

biomedicines4010001, полный текст). 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.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 1/2019) на с. 16 — 17.

123

Разные разности

07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>