В 1925 году англичанин И. Фриенд решил отправиться в Палестину, намереваясь изучить воды Мертвого моря, богатые щелочными металлами. «Уже несколько лет назад, — писал он, — мне пришло в голову, что если эка-цезий способен к постоянному существованию, то его можно будет найти в Мертвом море». Что ж, идея эта не лишена была смысла, но сколько ни пытался ученый обнаружить рентгеноспектральным анализом хотя бы следы элемента № 87, желаемых результатов он так и не добился.
К помощи спектроскопа прибегали и многие другие исследователи: ведь именно он помог открыть рубидий и цезий — ближайших родственников элемента № 87 по щелочному семейству. Не только концентраты морских солей, но и крупицы редчайших минералов, зола грибов и пепел сигар, сожженный сахар и кости ископаемых животных — казалось бы, все потенциальные обладатели атомов эка-цезия представали перед объективом спектроскопа, но прибор всякий раз огорчал экспериментаторов.
Однако у ученых, искавших эка-цезий, были не только огорчения, но и радости, часто, правда, преждевременные: некоторые их «открытия», ярко блеснув поначалу, оказывались на поверку ошибочными и потому быстро «закрывались». Так, в 1926 году в печати, появилось сообщение английских химиков Дж. Дрюса и Ф. Лоринга о том, что они якобы наблюдали линии 87-го элемента на рентгенограммах сульфата марганца и дали ему название алкалиний. Через три года американский физик Ф. Аллисон опубликовал данные своих магнитооптических исследований, позволивших ему, как он полагал, обнаружить следы разыскиваемого элемента в редких минералах щелочных металлов — самарските, поллуците и лепидолите. В честь своего родного штата ученый предлагал назвать 87-й виргинием. В 1931 году его соотечественникам Дж. Пэпишу и Э. Вайнеру вроде бы удалось спектроскопическим методом подтвердить наличие линий виргиния в самарските, но вскоре выяснилось, что причиной появления незнакомых линий был дефект кальцитового кристалла, установленного в спектроскопе, которым пользовались ученые.
В 1937 году румынский химик Г. Хулубей заявил, что эка-цезий найден им в поллуците, и предложил именовать новый элемент молдавием. Но ни алкалинию, ни виргинию, ни молдавию не довелось занять вакантную клетку в левом нижнем углу периодической таблицы.
Продолжали поиски и сторонники радиоактивного направления. Еще в 1925 году одесский химик Д. Добросердов высказал на страницах «Украинского химического журнала» соображения о физических и химических свойствах эка-цезия, подчеркнув, в частности, что он «непременно должен быть весьма радиоактивным элементом». Но ученый при этом ошибочно предположил, что радиоактивность калия и рубидия обусловлена примесями 87-го элемента, который он предлагал назвать руссием, если честь открытия выпадет на долю русских ученых.
Годом позже интересные результаты удалось получить известным радиохимикам О. Гану (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия). Тщательное исследование радиоактивных рядов некоторых изотопов актиния показало, что при альфа-распаде одного из них образуется изотоп эка-цезия. правда, из каждого миллиона атомов исходного вещества можно полнить лишь несколько атомов 87-го элемента.
Такова была ситуация в науке к 1938 году, когда в поиски эка-цезия включилась Маргерит Перэ — сотрудница парижского Института радия, ученица Марии Склодовской-Кюри. Прежде всего Перэ решила повторить уже к тому времени давние эксперименты Мейера, Гесса и Панета. Недаром говорят, что часто в науке «новое-это хорошо забытое старое». Подтверждением этого может служить история открытия элемента № 87.
Проделав опыты, Перэ, подобно своим предшественникам, обнаружила присутствие тех же альфа-частиц. Необходимо было доказать, что их источником являются не примеси протактиния, а актиний. Проведя поистине ювелирную очистку актиния от всех возможных примесей и «дочерних продуктов» (т. е. продуктов его радиоактивного распада), а затем исследовав полученный чистейший препарат актиния, Перэ выяснила, что изотоп этого элемента с массовым числом 227 имеет «радиоактивную вилку», или, иначе говоря, способен распадаться по двум направлениям — с излучением бета- и альфа-частиц. Правда, «зубья» у этой вилки оказались далеко не одинаковыми: лишь в 12 случаях из тысячи ядра актиния испускали альфа-частицы, во всех же остальных случаях они излучали бета-частицы (т. е. электроны), превращаясь в ядра изотопа тория. Ну, а что же происходило при альфа-излучении?
Расчет показывал, что, выбросив альфа-частицу (т. е. ядро гелия), ядро изотопа актиния «худело» ровно настолько, чтобы стать не чем иным, как ядром изотопа 87-го элемента. Действительно, в результате опытов появлялся продукт распада актиния со свойствами тяжелого щелочного радиоактивного металла. Это и был никогда прежде не зафиксированный в природе долгожданный эка-цезий, точнее, его изотоп с массовым числом 223. Так в 1939 году был открыт один из последних доурановых элементов. В честь своей родины Перэ назвала его францием.
Почему же так долго франций оставался неуловимым для ученых всего мира? Прежде всего потому, что из всех химических элементов (исключая трансурановые) франций — самый неустойчивый. Период полураспада его наиболее долгоживущего изотопа (который и был обнаружен в опытах Перэ) — всего 22 минуты. Мудрено ли, что при такой «продолжительности жизни» на Земле практически нет не только ощутимых запасов этого элемента, но и мизерных его следов? Впрочем, кое-что все же есть. Пользуясь законом радиоактивного распада, специалисты подсчитали, что из 5976 * 1018 тонн земного вещества на долю франция приходится… чуть больше 500 граммов. Вот почему найти в природе хотя бы крупицу этого элемента неизмеримо сложнее, чем отыскать иголку в стоге сена. И тем не менее сегодня ученым точно известны многие физические и химические свойства франция. Как же удалось их определить?
Для этого нужно искусственным путем получить сколько-нибудь заметные количества элемента, тщательно очистить его от всех примесей и затем в кратчайшее время провести необходимые измерения и опыты.
Первое время для выделения франция применялись различные химические методы, однако они были довольно сложны и далеки от совершенства. Ощутимых успехов удалось достичь, когда на помощь химикам пришла… физика. Создание циклотронов и развитие техники ускорения ионов позволили разработать физические методы получения франция, основанные на бомбардировке ториевых или урановых «мишеней» протонами высоких энергий. Таким путем в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне в результате пятнадцатиминутного «обстрела» одного грамма урана на синхроциклотроне было получено 5 * 10–13 граммов франция.
Всего 5 * 10–13 граммов? Если бы речь шла, допустим, о золоте, то такое его количество не стоило бы в буквальном смысле и ломаного гроша. А триллионные доли грамма Франция представляют для ученых огромную ценность, ибо позволяют заполнить многие графы в характеристике этого элемента. Разумеется, при этом невозможно экспериментально определить плотность металла или выяснить, при каких температурах он плавится и кипит, но собранная исследователями информация позволяет сделать это расчетным путем.
Разработан и другой оригинальный способ получения франция — облучение «мишеней» из свинца, таллия или золота многозарядными ионами соответственно бора, углерода или неона, ускоренными на циклотронах либо линейных ускорителях. Средневековые алхимики схватились бы за голову, узнав, что их потомки вместо того, чтобы заниматься серьезным делом, т. е. получать золото из других веществ, безрассудно «стреляют» в него какими-то частицами, стремясь превратить драгоценный металл в элемент с сомнительными свойствами. Именно эти сомнительные свойства и вынуждают ученых проводить все новые и новые эксперименты, чтобы узнать как можно больше «секретов» франция.
Как же осуществляются «алхимические» процессы XX века? Тончайшую золотую фольгу (толщиной всего несколько микрон), помещенную в кассету, облучают ускоренными ионами неона — происходит ядерная реакция, в результате чего образуется изотоп франция с массовым числом 212. После получасовой «артподготовки» кассету с фольгой доставляют в лабораторию, где в защитном шкафу с помощью манипулятора облученное золото извлекают из кассеты. Внешне фольга выглядит так же, как до опыта; на самом же деле она содержит десятки тысяч атомов франция. Скажем прямо, не густо, но современным ученым зачастую приходится иметь дело буквально с несколькими атомами вещества. Так, элемент № 101 (впоследствии названный менделевием) был открыт американскими учеными, когда у них «в руках» побывало всего 17 атомов, да и то не одновременно, а в результате примерно дюжины экспериментов (по 1–2 в каждом). Так что десятки тысяч атомов — это целый клад.