Ферсман - Олег Писаржевский

В 1931 году Ферсман спешил сообщить всему научному миру подведенный им итог полувековой работы ученых: геохимия уточнила новую константу мира. Этой константой является число, определяющее относительное количество какого-либо элемента в космосе. И оно не является случайным, оно зависит от устойчивости атомной постройки, от ее способности противостоять всем испытаниям на сложных путях космической истории. Тот поразительный факт, что количество одних атомов почти в миллионы миллиардов раз больше, чем других, определяется строением атома, энергетической устойчивостью его ядра, большей или меньшей способностью к радиоактивному распаду. А общий вывод о сходстве физико-химического состава небесных тел и Земли — еще одно доказательство в пользу принципа марксистского философского материализма о материальном единстве мира[79].

В многочисленных трудах Ферсмана и в знаменитой его многотомной обобщающей работе «Геохимия»[80] было также глубоко вскрыто значение бессмертного творения менделеевского гения как путеводной звезды еще для одного и, быть может, наиболее практически существенного в наши дни направления геохимических исследований. Мы имеем в виду применение методов геохимии к поискам и добыванию редких и рассеянных элементов.

Вот несколько штрихов из «послужного списка» лития — металла, которого почти никто не только не держал в руках, но даже и не видел, хотя его в земной коре в 10 тысяч раз больше, чем золота, — лития, придающего алюминиево-цинковому сплаву свойства стали, увеличивающего срок службы кадмиевых аккумуляторов, изменяющего в огромных пределах при столь же ничтожных добавках коэффициент преломления оптических стекол.

Ниобий! Так долго он считался «лишенным практического значения», а на поверку оказался незаменимой добавкой к хромоникелевым сталям, облегчая их сварку, придавая им пластичность при низких температурах.

Тантал! Тугоплавкий и кислотоупорный, не истирающийся, в фильерах для протягивания нитей искусственного шелка, незаменимый материал для изготовления нитей радиоламп.

Бериллий! Создающий сплавы исключительной электропроводности, жаропрочности, словно самой природой предназначенный для изготовления контактных пружин электрических приборов.

Рубидий, цезий, легко поддающиеся действию световых лучей. Эти элементы отвечают на основные требования конструкторов искусственных электрических «фотоглаз»: обладают наибольшей чувствительностью к свету, наименьшей затратой энергии на отрыв электрона из внешней оболочки. Они работают в звуковом (кино и в телевизорах, в «следящих системах» приборов-автоматов.

Нелегка добыча этих и многих других нужнейших и в то же время редчайших металлов. Больше или меньше их в природе, но почти все они рассеяны в недрах земли. Самый малоопытный геолог с первого взгляда определит минералы, содержащие железо, медь, свинец, далее вольфрам и молибден, но минералы, содержащие цезий, индий, рений и другие, нелегко определяются даже опытным геологом. А когда они обнаружены, они с трудом поддаются извлечению.

В тонне вольфрамовой руды, например, содержится не более 20 граммов галлия. Содержание ниобия или тантала в земной коре составляет тысячные доли процента. Лития в земной коре в 120 раз больше, чем свинца, но особенность его атомов такова, что он с легкостью внедряется в силикатные породы, откуда его невероятно трудно добыть. Вместе с чаем, кофе или табачным дымом мы глотаем бесконечно слабый раствор рубидия и цезия, соединения которых избирательно поглощаются свеклой, листвой чайного куста, табаком. Только пользуясь методами геохимии, можно проследить пути, по которым происходит рассеяние редких элементов, обнаружить их ловкие увертки, позволяющие им проникать в те минералы, где они способны замещать сходные по размерам атомы[81].

Знание законов этого замещения позволяет находить редкие элементы, открывает способы их добывания. Если элементы неразлучно проходят сложный путь различных химических превращений в расплавах и растворах земных недр, тем труднее найти химические способы, которые могли бы разделить этих, столь похожих друг на друга, «близнецов». Вот еще одна область, в которой сплетаются задачи и трудности геохимии и новой химической технологии…

Эти положения требуют пояснений, и мы тут же — в работах Ферсмана — их находим.

Мы представляем себе каждый кристалл состоящем из атомов, расположенных в пространстве по строго определенным геометрическим законам, так называемым «законам решетки». Каждая физическая кристаллическая решетка определяется свойствами атомов и равновесием между силами их электрических и магнитных полей. Это и создает ту устойчивость, которую исследователи считают особенно характерной для кристаллов. Понятно, что раз кристалл строится как равновесная система, то узлы всей системы должны быть в равновесии друг с другом. Если бы мы попытались извлечь из нее одну такую опору, мы нарушили бы равновесие и могли бы его восстановить только в том случае, если бы вместо прежней «точки» поставили новую, которая справилась бы со своими задачами и установила такое же или сходное с прежним равновесие.

Эти простые рассуждения (Ферсман был на них величайшим мастером, и целые поколения писателей и ученых будут учиться его искусству популярного изложения самых сложных положений науки) объясняют нам, при каких условиях атомы могут замещать друг друга в решетке. Естественно, что, если атом «В» похож на атом «А» по своим свойствам, то, вынув первый, мы легко поместим на его место второй. Несколько упрощая, можно сказать, что из этого положения, которое, кстати сказать, экспериментально проверял в своих юношеских работах Д. И. Менделеев, вытекает очень многое в теории геохимии со всеми серьезнейшими выводами практического характера.

Но вот дальнейшие соображения, приводимые здесь, опираются уже на завоевания науки, которые принадлежат послеменделеевской поре ее развития. Мы сможем поставить вместо атома «А» химически сходный с ним атом «В» в решетку минерала только в том случае, если атом «В» обладает размерами, близкими к размерам атома «А». Если атом «В» значительно больше, чем тот «кирпичик» «А», который мы вынули, то заменить нам его не удастся. На языке современной физики мы сейчас говорим, что эту замену можно произвести только в том случае, если близки радиусы ионов[82] этих двух веществ, а также сходны их влияния на общее электростатическое поле.

В начале нашего века основной величиной характеристики атомов в менделеевской таблице был атомный вес. Современная физика наиболее важной характеристикой атома считает атомный номер, выражающий электрический заряд его ядра. Кристаллохимия, а за ней и геохимия, добавила к этому третью величину — атомный радиус, под которым понимается радиус воображаемого вокруг атома шара — сферы действия его электрического поля[83]. Этот радиус является реальной своеобразной «запретной зоной», окружающей каждый атом и каждый ион, за пределы которой не могут проникать другие атомы. Поскольку каждый атом и каждый ион являются обладателем такой «запретной зоны», то в первом * приближении можно сказать, что другие атомы не могут подойти к нему ближе этого расстояния. Оказалось, что эта величина подчиняется всем закономерностям периодической системы: величина радиуса одинаково построенных ионов возрастает с увеличением атомного номера и уменьшается с увеличением заряда (валентности) иона и т. д.