Что происходит, когда в наши дни открывают новый химический элемент? Начнём с того, что новые элементы уже давно открывают не химики в лабораториях, а физики на различных ускорителях в центрах ядерных исследований.

Во-вторых, названия новым элементам теперь определяют международные комитеты в результате кропотливого анализа вклада разных научных коллективов или учреждений, приоритета исследовательских групп и множества других, несомненно, важных причин. Иногда кто-то пытается внести разнообразие и немного романтики в этот забюрократизированный процесс, например, предложив назвать новый элемент «Октарином» в честь цвета волшебства из книг одного известного писателя.

Но если вы посмотрите на список элементов, открытых за последние лет сто, то сможете самостоятельно оценить успешность подобных попыток. Что же, в девятнадцатом веке всё было немного по-другому, и учёный, открывший элемент, был волен назвать его по своему усмотрению, не сильно оглядываясь на мнение комитетов.

Вот, например, открыл шведский химик Якоб Берцелиус новый элемент в минерале с одного из островов Норвегии, да и назвал его в честь скандинавского же бога-громовержца Тора. Так элемент под номером девяносто получил короткое и красивое название – торий. О нём и поговорим.

Скандинавская мифология нашла отражение в самых разных местах: от Периодической таблицы до ювелирных украшений и голливудских блокбастеров. На фото: современное украшение в виде молота Тора. Фото: mararie/Flickr.com CC BY-SA 2.0

Если пофантазировать и попытаться сравнить бога Тора с химическим элементом торием, то можно найти довольно занятные связи одного с другим. Например, самый известный атрибут Тора – это его молот, с помощью которого бог боролся против своих врагов и вызывал разные сверхъестественные и не очень явления, среди которых были гром и молнии.

А что же торий, под силу ли ему гром, молнии или что-то подобное? В принципе, почему бы и нет! Возьмём, для начала, молнию – ведь это всего лишь яркая вспышка света, обусловленная электрическим разрядом. Элемент торий тоже может создавать яркий свет, правда, немного другой природы, и для этого ему нужен свой весьма необычный «молот» – ауэровский колпачок.

С помощью этого несложного изобретения торий ярко засиял в керосиновых и газовых лампах, начиная от уличных фонарей и заканчивая маяками. И даже сейчас, в эпоху светодиодных фонарей, подобные лампы с торием продолжают использовать энтузиасты. Давайте разберёмся, как работает этот колпачок.

Колпачок внутри газовой лампы. Фото: Leo Reynolds/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0

В то время, когда улицы городов ещё не знали электрического освещения, источником света были газовые и керосиновые фонари. Поначалу свет в них давало самое обычное пламя от сгорания газа или жидкого топлива. У таких фонарей был большой недостаток – свет от них был очень тусклый, поэтому многие изобретатели того времени думали над проблемой, как заставить такие лампы светить ярче.

Вскоре выяснилось, что если в пламя поместить какой-нибудь предмет вроде сетки или тонкой нити, то нагревшись до высокой температуры, он начинал ярко светиться. Сначала калильные тела, именно так назывались эти предметы, делали из пропитанной солями кальция бумаги.Если такой бумаге сначала придать требуемую форму, а потом сжечь, то от неё останется пусть и чрезвычайно хрупкий, но всё же твёрдый скелет – это и будет самое настоящее калильное тело.

Довольно быстро от бумаги исследователи перешли к шёлковой ткани, а от солей кальция – к солям и окисям редкоземельных металлов. Вершиной эффективности вещества для газокалильных тел стал состав, изобретённый в конце 1880-х годов австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом: 99% оксида тория и 1% оксида церия. Такая газокалильная сетка получила название ауэровский колпачок – по форме он выглядит именно как колпачок, буквально «надеваемый» на пламя. В таком виде он использовался с начала двадцатого века и вплоть до наших дней – вы довольно легко можете найти туристические лампы с такими газокалильными сетками.

Совсем недавно керосинокалильные лампы использовались ещё на отдалённых маяках, где их яркий свет, простота конструкции и автономность всей системы была важнее, чем удобство от использования электрических ламп и дизельных генераторов. Правда, у колпачков с оксидом тория есть один маленький недостаток – они радиоактивны.

Для улучшения оптических свойств объективов некоторые производители добавляли в материал линз диоксид тория. Однако со временем за счёт радиоактивного распада тория стекла таких объективов приобретали жёлтый оттенок. Фото: RawheaD Rex/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0

Дело в том, что у тория нет стабильных изотопов, а это значит, что рано или поздно весь торий во Вселенной превратится в другие химические элементы. Но если это когда-нибудь и случится, то очень не скоро, даже по меркам Вселенной – период полураспада самого стабильного изотопа тория составляет четырнадцать миллиардов лет! Поэтому тот торий, который добавляют в ауэровские колпачки, тоже постепенно претерпевает радиоактивный распад.

Однако не следует сию минуту же предаваться радиофобии и на всякий случай обходить стороной каждую керосиновую лампу. Во-первых, торий – это слаборадиоактивный элемент, поэтому чтобы получить большую дозу, его должно быть много, намного больше, чем содержится в одном колпачке.

Во-вторых, альфа-частицы, которые он испускает, как обычно говорят, задерживаются листом бумаги, а уж стеклом керосиновой лампы тем более. Так что если не есть на спор такие колпачки, то они вполне безопасны. Но вот производство таких колпачков уже может представлять проблему и для персонала, и для окружающей территории. Поэтому постепенно торий заменяют на другие, более безопасные материалы, пусть и света они дают не так много.

Лампы без калильного тела дают очень тусклый свет. Фото: Rajeev/Flickr.com CC BY 2.0

Коль скоро речь зашла о радиоактивности тория, то нельзя не рассказать об одном связанном с ним эффекте. Поскольку при радиоактивном распаде ядра тория, как впрочем, и других элементов, выделяется энергия, то часть из этой энергии переходит в тепло. Когда дело касается колпачка для керосиновой лампы, то количество такого тепла пренебрежимо мало. Но если взять объёмы побольше, например, весь торий, содержащийся в земных недрах, то такая ториевая «печка» может уже вполне неплохо греть.

Собственно, так появилась гипотеза того, что тепло радиоактивного происхождения согревает нашу планету изнутри, но как это можно проверить, если на потоке тепла из недр Земли не написано, в результате каких процессов он появился?

Тут на помощь приходят нейтринные детекторы – сложные устройства, размещаемые в глубоких шахтах, под толщей воды или во льдах Антарктиды. Например, детектор коллаборации Borexino, находящийся в горном массиве в центре Италии, помог зафиксировать нейтрино, исходящие именно из внутренних частей нашей планеты, – так называемые геонейтрино.

Почему нейтрино? Эти частицы рождаются при некоторых видах распада ядер и обладают уникальной способностью – они практически не задерживаются веществом, поэтому нейтрино может с лёгкостью пролететь сквозь Землю. Именно поэтому регистрация нейтрино – это очень сложный, хотя и не невозможный процесс.

Удалось даже различить геонейтрино, образовавшиеся в трёх разных процессах: распаде урана, тория и калия, и таким образом подтвердить гипотезу о ядерной печке, согревающей Землю.

На фото ГеоТЭС Несьяведлир, Исландия. Фото: Scott Ableman/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0

Ещё один из «волшебных» предметов, которые есть у тория, но нет у Тора – это ядерные часы. Вы наверняка слышали о том, что атомные часы – это самые точные в мире часы. По ним сверяют время спутники GPS, потому что точное время критически важно для определения точности вашего местоположения на планете.

Но вернёмся к атомным часам. Принцип их работы основан на том, что атом (для часов обычно используют цезий) химического элемента может поглощать излучение строго определённой частоты, которая слабо зависит от окружающих условий: температуры, электромагнитных полей, механического воздействия и так далее. Поэтому частота, на которой «резонирует» атом, может быть своего рода эталоном, как в своё время был эталонный метр из палаты мер и весов.

Если мы возьмём неидеальный генератор, у которого частота может немного плавать со временем, и будем постоянно сравнивать его частоту с частотой, на которой резонирует атом, то сможем вовремя заметить, когда частота уплыла, и подстроить генератор.

Дальше нам остаётся только считать количество волн и отсчитывать по ним секунды – например, прошло 9 192 631 770 циклов, значит прошла одна секунда по цезиевым часам. Погрешность таких часов фантастическая – всего лишь секунда на 100 миллионов лет. Но даже атомные часы не предел совершенства!

Первые цезиевые атомные часы, сконструированные Луи Эссеном и Джеком Перри в 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании. Фото: Richard Ash /Wikimedia Commons CC BY-SA 2.0

Ядра атомов – ещё более стабильные объекты, чем сами атомы, поэтому если научиться сверять частоту по переходам между разными состояниями ядра, то можно сделать ещё более точные часы. В качестве такого эталона был предложен как раз торий, правда, не совсем обычный.

Во-первых, это должен быть изотоп тория с массой 229, который образуется при распаде урана, а во-вторых, и это представляет ещё одну сложность, его ядро должно быть в метастабильном состоянии. Для понимания сложности изучения всех этих процессов приведём простую цифру – только на поиски метастабильного ядерного изомера тория у исследователей ушло 40 лет!

А сколько ещё времени потребуется на создание ядерных часов, можно только догадываться. Впрочем, где и для чего будет использоваться торий в будущем – не меньшая загадка.

Установка, на которой были впервые обнаружен изомер тория-229 Фото: Lars v.d. Wense, LMU Munich

Автор: Максим Абаев