Энергия Полония

Полоний

	Po	84			Полоний
					to кип. (oС)	962	Степ.окис.	+6 +4 +2 -2
		[209]			to плав.(oС)	254	Плотность	9320
	6s26p4				ОЭО	1,76	в зем. коре	0,00000000000002 %

Элемент № 84 — полоний — первый элемент, вписанный в таблицу Менделеева после открытия радиоактивности. Он же первый (по порядку атомных номеров) и самый легкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов. Он же один из первых радиоактивных элементов, примененных в космических исследованиях.

В то же время элемент .№ 84, пожалуй, один из наименее известных, наименее популярных радиоактивных элементов. Вначале он оставался в тени, оттесненный на второй план славой радия. Позже его не слишком афишировали, как почти все материалы атомных и космических исследований.

Открытие, имя

История открытия элемента ,№ 84 достаточно хорошо известна. Его открыли Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. В лабораторном журнале супругов Кюри символ «Ро» (вписанный рукой Пьера) впервые появляется 13 июля 1898 года.

Спустя несколько лет после смерти Пьера Кюри его жена и соавтор двух самых ярких его открытий написала книгу «Пьер Кюри». Благодаря этой книге мы «из первыхрук» узнаем историю открытия полония и радия, знакомимся с особенностями и принципами работы двух выдающихся ученых. Вот отрывок из этой книги: «...Рудой, избранной нами, была смоляная обманка, урановая руда, которая в чистом виде приблизительно в четыре раза активнее окиси урана... Метод, примененный нами, — это новый метод химического анализа, основанный на радиоактивности. Он заключается в разделении обычными средствами химического анализа и в измерении, в надлежащих условиях, радиоактивности всех выделенных продуктов. Таким способом можно составить себе представление о химических свойствах искомого радиоактивного элемента; последний концентрируется в тех фракциях, радиоактивность которых становится все больше и больше по мере продолжающегося разделения. Вскоре мы смогли определить, что радиоактивность концентрируется преимущественно в двух различных химических фракциях, и мы пришли к выводу, что. в смоляной обманке присутствуют по крайней мере два новых радиоэлемента: полоний и радий. Мы сообщили о существовании элемента полония в июле 1898 г. и о радии в декабре того же года...»

Первое сообщение о полонии датировано 18 июля. Оно написано, в высшей степени сдержанно и корректно. Есть там такая фраза: «Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас».

По-латыни Polonia — Польша. «Полоний» — не первое «географическое» название элемента. К тому времени уже были открыты и германий, и рутений, и галлий, и скандий. Тем не менее это название особое, его можно рассматривать как название-протест: самостоятельного польского государства в то время не существовало. Польша была раздроблена, поделена между Австрийской, Германской и Российской империями...

В известной книге «Мария Кюри», написанной младшей дочерью супругов Кюри Евой, сделан такой вывод: «Выбор этого названия показывает, что Мари, став французским физиком, не отреклась от своей родины. Об этом же говорит и то, что прежде, чем заметка «О новом радиоактивном веществе в составе уранинита» (минерал урана, его состав UO2. Супруги Кюри исследовали разные урансодержащие минералы.) появилась в «Докладах Академии наук», Мари послала рукопись на родину, к Иосифу Богусскому, руководителю той лаборатории Музея промышленности и сельского хозяйства, где начались ее первые научные опыты. Сообщение было Опубликовано в «Swialto», ежемесячном иллюстрированном обозрении, почти одновременно с опубликованием в Париже».

Почему радий, а не полоний?

В самом деле, почему радий, а не полоний принес супругам Кюри всемирную славу? Ведь первым элементом, открытым ими, был элемент № 84.

После года работы у них не было сомнений, что в урановой смолке присутствуют два новых элемента. Но эти элементы давали знать о себе только радиоактивностью, а чтобы убедить всех, и прежде всего химиков, в том, что открытия действительно произошли, нужно было эти активности выделить, получить новые элементы хотя бы в виде индивидуальных соединений.

Все радиоактивные элементы и изотопы, как известно, сейчас объединены в семейства: распадаясь, ядро радиоактивного атома превращается в атомное ядро Другого, дочернего элемента. Все элементы радиоактивных семейств находятся между собой в определенном равновесии. Измерено, что в урановых рудах равновесное отношение урана к полонию составляет 1,9 · 1010, а в равновесии с граммом радия находятся 0,2 миллиграмма полония. Это значит, что в урановых минералах радия почти в двадцать миллиардов раз меньше, чем урана, а полония еще в пять тысяч раз меньше.

Супруги Кюри, конечно, не знали этих точных цифр. Тем не менее, поняв, какая титаническая работа по выделению новых элементов предстоит, они приняли единственно правильное решение. В уже цитированной нами книге о Пьере Кюри сказано: «Результаты, полученные после года работы, ясно показали, что радий легче выделить, чем полоний; поэтому усилия были сконцентрированы на радии».

Искусственный полоний

Здесь вполне уместен вопрос: если полоний действительно ультраредкий и сверхтруднодоступный элемент, то во что же обходится добыча полония в наше время?

Точными цифрами мы не располагаем, однако сегодня элемент №84 не менее доступен, чем радий. Получить его из руды действительно сложно, но есть другой путь — ядерный синтез.

Сегодня полоний получают двумя способами, причем исходным сырьем в обоих случаях служит висмут-209. В атомных реакторах его облучают потоками нейтронов, и тогда по сравнительно несложной цепочке ядерных превращений образуется самый важный сегодня изотоп элемента № 84 — полоний-210.

А если тот же изотоп висмута поместить в другую важнейшую машину ядерного синтеза — циклотрон и там обстрелять потоками протонов, то образуется самый долгоживущий изотоп элемента № 84.

Первая реакция важнее: полоний-210 — значительно более интересный для техники изотоп, чем поло-ний-209. (О причинах — ниже.) К тому же по второй реакции одновременно с полонием образуется свинец-209— одна из самых трудноудаляемых примесей к полонию.

А вообще очистка полония и выделение его из смеси с другими металлами для современной техники не представляют особо трудной задачи. Существуют разные способы выделения полония, в частности электрохимический, когда металлический полоний выделяют на платиновом или золотом катоде, а затем отделяют возгонкой.

Полоний — металл легкоплавкий и сравнительно низкокипящий; температуры его плавления и кипения соответственно 254 и 962° С.

Основы химии

Вполне очевидно, что существующие ныне совершенные методы получения и выделения полония стали возможны лишь после досконального изучения этого редкого радиоактивного металла. И его соединений, разумеется.

Основы химии полония заложены его первооткрывателями. В одной из лабораторных тетрадей супругов Кюри есть запись, сделанная в 1898 году: «После первой обработки смоляной обманки серной кислотой полоний осаждается не полностью и может быть частично извлечен путем промывания разбавленной SO4Н2 (здесь и ниже сохранена химическая индексация оригинала). В противоположность этому две обработки остатка смоляной обманки и одна обработка остатка немецкой [руды] карбонатами дают карбонаты, причем из карбоната, растворенного в уксусной кислоте, SO4H2 полностью осаждает активное вещество».

Позже об этом элементе узнали значительно больше. Узнали, в частности, что элементарный полоний — металл серебристо-белого цвета — существует в двух аллотропных модификациях. Кристаллы одной из них — низкотемпературной — имеют кубическую решетку, а другой — высокотемпературной — ромбическую.

Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36° С, однако при комнатной температуре полоний находится в высокотемпературной форме. Его подогревает собственное радиоактивное излучение.

По внешнему виду полоний похож на любой самый обыкновенный металл. По легкоплавкости — на свиней и висмут. По электрохимическим свойствам — на благородные металлы. По оптическому и рентгеновскому спектрам — только на самого себя. А по поведению в растворах — на все другие радиоактивные элементы' благодаря ионизирующему излучению в растворах, содержащих полоний, постоянно образуются и разлагаются озон и перекись водорода.

По химическим свойствам полоний — прямой аналог серы, селена и теллура. Он проявляет валентности 2—, 2+, 4+ и 6+, что естественно для ^элемента этой группы. Известны и достаточно хорошо изучены многочисленные соединения полония, начиная от простого окисла РоО2, растворимого в воде, и кончая сложными комплексными соединениями.

Последнее не должно удивлять. Склонность к комплексо-образованию — удел большинства тяжелых металлов, а полоний относится к их числу. Кстати, его плотность - 9,4 г/см3 — чуть меньше, чем у свинца.

Очень важное для радиохимии в целом исследование свойств полония было проведено в 1925—1928 годах ленинградским Радиевым институтом. Было принципиально важно выяснить, могут ли радиоактивные элементы, находящиеся в растворах в исчезающе малых количествах, образовывать собственные коллоидные соединения. Ответ на этот вопрос — ответ положительный — был дан в работе «К вопросу о коллоидных свойствах полония». Ее автором был И. Е. Старик, впоследствии известный радиохимик, член-корреспондент Академии наук СССР.

Полоний на Земле в в космосе

Людям, далеким от радиохимии и ядерной физики, следующее утверждение покажется странным: сегодня полоний — значительно более важный элемент, чем радий. Исторические заслуги последнего бесспорны, но это прошлое. Полоний же — элемент сегодняшнего и завтрашнего дня. Прежде всего это относится к изотопу полоний-210.

Всего известно 27 изотопов полония с массовыми числами от 192 до 218. Это один из самых многоизотопных, если можно так выразиться, элементов. Период полураспада самого долгоживущего изотопа — полония-209 — 103 года. Поэтому, естественно, в земной коре есть только радиогенный полоний, и его там исключительно мало — 2 · 10-14%. У нескольких изотопов полония, существующих в природе, есть собственные имена и символы, определяющие место этих изотопов в радиоактивных рядах. Так, полоний-210 еще называют радием F (RaF), 211Ро - АсС', 212Po - ThC', 214Ро - РаС', 215Ро - АсА, 216Ро - ТhА и 218Po - RaA.


Каждое из этих названий имеет свою историю; все они связаны с «родительскими» изотопами той или иной атомной разновидности полония, так что правильнее было бы назвать их не «именами», а «отчествами». С появлением современной системы обозначения изотопов перечисленные старые названия постепенно почти вышли из употребления.

Наиболее важный изотоп полоний-210 — чистый альфа-излучатель. Испускаемые им частицы тормозятся в металле и, пробегая в нем всего несколько микрон, растрачивают при этом свою энергию. Атомную энергию, между прочим. Но энергия не появляется и не исчезает. Энергия альфа-частиц полония превращается в тепло, которое можно использовать, скажем, для обогрева и которое не так уж сложно превратить в электричество.

Эту энергию уже используют и на Земле, и в космосе. Изотоп 210Ро применен в энергетических установках некоторых искусственных спутников. В частности, он слетал за пределы Земли на советских спутниках «Космос-84» и «Космос-90».

Чистые альфа-излучатели, и полоний-210 в первую очередь, имеют перед другими источниками излучения несколько очевидных преимуществ. Во-первых, альфа-частица достаточно массивна и, следовательно, несет много энергии. Во-вторых, такие излучатели практически не требуют специальных мер защиты: проникающая способность и длина пробега альфа-частиц минимальны. Есть и в-третьих, и в-четвертых, и в-пятых, но эти два преимущества — главные.

В принципе для работы на космических станциях в качестве источников энергии приемлемы плутоний-238, полоний-210, стронций-90, церий-144 и кюрий-244. Но у полония-210 есть важное преимущество перед остальными изогонами-конкурентами — самая высокая удельная мощность, 1210 вт/см3. Он выделяет так много тепловой энергии, что это тепло способно расплавить образец. Чтобы этого не случилось, полоний помещают в свинцовую матрицу. Образующийся сплав полония и свинца имеет температуру плавления около 600o С — намного больше, чем у каждого из составляющих металлов. Мощность, правда, при этом уменьшается, но она остается достаточно большой — около 150 вт/см3.

У. Корлисс и Д.Харви, авторы книги «Источники энергии на радиоактивных изотопах» (на русском языке эта книга вышла в 1967 году), пишут: «Как показывают новейшие исследования, 210Ро может быть использован в пилотируемых космических кораблях». В качестве еще одного достоинства нолония-210 они упоминают доступность этого изотопа. В той же книге говорится, что висмут и получаемый из него полоний легко разделяются методом ионного обмена. Так что космическая служба полония, видимо, только начинается.

А начало положено хорошее. Радиоактивный изотоп полоний-210 служил топливом «печки», установленной на «Луноходе-2».

Лунные ночи, ночи на Луне, очень долги и холодны. В течение 14,5 земных суток луноход находился при температуре ниже минус 130° С. Но в приборном контейнере все это время должна была сохраняться температура, приемлемая для сложной научной аппаратуры.

Полониевый источник тепла был размещен вне приборного контейнера. Полоний излучал тепло непрерывно; но только тогда, когда температура в приборном отсеке опускалась ниже необходимого предела, газ-теплоноситель, подогреваемый полонием, начинал поступать в контейнер. В остальное время избыточное тепло рассеивалось в космическое пространство.

Атомную печку «Лунохода-2» отличали полная автономность и абсолютная надежность.

Есть, правда, у полония-210 и ограничение. Относительно малый период его полураспада — всего 138 дней — ставит естественный предел срока службы радиоизотопных источников с полонием.

Подобные же устройства используют и на Земле. Кроме них важны полоний-бериллиевые и полоний-борные источники нейтронов. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Поток нейтронов из ядра атома бора или бериллия порождают альфа-частицы, испускаемые полонием.

Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе, очень надежны. Латунная ампула диаметром два и высотой четыре сантиметра — советский полоний-бериллиевый источник нейтронов — ежесекундно дает до 90 миллионов нейтронов.

Среди прочих земных дел элемента № 84, вероятно, следует упомянуть его применение в стандартных электродных сплавах. Эти сплавы нужны для запальных свечей двигателей внутреннего сгорания. Излучаемые поло-нием-210 альфа-частицы понижают напряжение, необходимое для образования искры, и, следовательно, облегчают включение двигателя.

Техника безопасности

При работе с полонием приходится соблюдать особую осторожность. Пожалуй, это один из самых опасных радиоэлементов. Его активность настолько велика, что, хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Элемент № 84 опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц. Он способен быстро переходить в аэрозольное состояние и заражать воздух. Поэтому работают с полонием лишь в герметичных боксах, а то обстоятельство, что от излучения полония защититься несложно, чрезвычайно благоприятно для всех, кто имеет дело с этим элементом.

Внимательный читатель, вероятно, уже заметил, что в этой статье везде, где говорится о практическом применении полония, фигурирует лишь один изотоп — с массовым числом 210. Действительно, другие изотопы элемента № 84, в том числе и самый долгоживущий полоний-209, пока не вышли за пределы лабораторий.

Правда, многие ученые считают, что для космических источников энергии перспективен и полоний-208, тоже чистый альфа-излучатель. Период полураспада у него значительно больше, чем у полония-210, — 2,9 года. Но пока этот изотоп слишком недоступен. Сколько времени ходить ему только в перспективных, покажет будущее.

ЗАРЯДЫ И КОСМОНАВТЫ

Работы двух отраслей-гигантов - атомной и космической - всегда были связаны. И временными рамками, и тесными отношениями людей, в них занятых. Но есть в истории ВНИИЭФ несколько строк, где слова «оборона» и «космос» стоят совсем рядом.

Во-первых, это создание на заводе «Авангард» специального оборудования для знаменитых космических аппаратов «Лунфод-1», «Луноход-2» и спутников «Космос-84» и «Космос-85». Это были источники тепла, которые обеспечивали необходимый бортовым приборам тепловой режим. Требования к этому источнику были самые жёсткие - надёжный, легкий, компактный и полностью автономный. В результате исследований был предложен генератор тепловой энергии на радиоактивном изотопе полония-210.


Испытания на ракетном треке.

Как пишет в книге «Атомный «Авангард» Ю.К. Завалишин, «внешне генератор напоминал бидончик. Внутри - пакет заряженных полонием ампул. Они-то и дают необходимое тепло...».

При создании генератора было найдено много изящных технических решений, а перед заводом «Авангард» (тогда третьим производством ВНИИЭФ) стояла задача в кратчайшие сроки разработать материалы для ампул с полонием-210, испытать их, а затем изготовить ампулы, которые уже будут размещены на «Луноходе-1». И эта задача была успешно решена. «Снабжённый изотопным источником тепла «Луноход-1» функционировал в течение 322 дней. За 11 лунных суток он прошёл 10,5 км, исследуя район Моря Дождей, осуществил детальное топографическое обследование 80000 кв.м. лунной поверхности. За это время был проведён 171 сеанс связи, с помощью радиотелесистем «Лунохода-1», на Землю было передано свыше 200 тысяч снимков лунной поверхности», - пишет Ю.К.Завалишин. И добавляет: «После «Лунохода-1» последовал «Луноход-2». Когда в повестку дня встал вопрос о реализации программы марсохода, то мы тоже приняли участие в создании его топливного блока».

Особо отличились при выполнении этого важного правительственного задания И.М.Горский, Г.И.Антонов, Е.И.Журавлёв, В.И.Бережной, Е.И.Корнеев, В.Г.Фоломеев, Н.М.Антоненко. А М.А.Григорьев был удостоен за эту работу Ленинской премии.


Головная часть ракеты Р-7.

Нельзя не вспомнить ещё об одном приборе, созданном в КБ-11 и «подключённом» к программам освоения космоса. В середине 60-х группой исследователей под руководством В.А.Цукермана был разработан источник мягкого рентгеновского излучения на основе изотопа «железо-55». Преимущества - очевидны: полная автономность, надёжность, малые размеры и вес. Эти источники впоследствии успешно применялись для рентгенофлюоресцентного анализа пород планеты Венера автоматическими межпланетными станциями «Венера-13», «Венера-14», «Вега-1» и «Вега-2».

А в Музее ядерного оружия находится экспонат просто легендарный: головная часть 40-метровой ракеты Р-7. Разработанная в КБ С.П.Королёва, она под названием Р-7 известна всем, кто изучал историю ядерного щита. Это наша первая стратегическая ракета с ядерным зарядом мощностью 2 Мгт, вставшая на боевое дежурство 19 декабря 1959 года. Под названием «Восток» эта ракета известна всем жителям планеты. Именно она вывела на орбиту первый в мире космический корабль с человеком на борту. Человека звали Юрий Гагарин, и было это 12 апреля 1961 года, ровно сорок лет назад.

А ещё раньше, 4 октября 1957 года, начал полёт первый в мире искусственный спутник Земли. Его на орбиту тоже вывел «Восток». Он, правда, тогда этого имени не имел. От чего суть произошедшего не меняется.

Е.Власова