Читать книгу "Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин"

Низкая распространённость криптона (и его высокая стоимость) ограничивает его практическое применение. Его применяли для заполнения ламп накаливания для предотвращения преждевременного перегорания вольфрамовой спирали. Криптон также закачивали между стеклами двойного стеклопакета окон и рам для теплоизоляции (тяжёлый газ плохо проводит тепло), однако и для лампочек, и для теплоизоляции применение аргона более выгодно благодаря соотношению цена/качество.

Всё же некоторые свойства криптона уникальны. При ионизации газообразный криптон испускает яркий белый свет, что позволяет использовать содержащие криптон лампы для вспышек в высокоскоростной фотографии. Способность криптона образовывать устойчивые фториды дала возможность создания криптон-фторидных лазеров. С 1960 по 1983 год криптон, точнее его нуклид 86Kr, был очень важен для измерений и метрологии — в то время в СИ метр определялся через длину волны оранжевой линии в спектре этого атома. Ну и, конечно, криптоном заполняют «неоновые» лампы (см. главу про неон). В отличие от газоразрядных ламп, заполненных неоном, лампы с криптоном дают бледно-розовое излучение.

37. Рубидий

История рубидия началась в 1859 году, когда Роберт Бунзен и Густав Кирхгофф скомбинировали в одном устройстве горелку Бунзена и призму Ньютона, расщепляющую пламя горелки на составляющие, создав устройство под названием «спектроскоп», и в аналитической химии началась новая эпоха.

Рубидий был одним из элементов, открытых непосредственно Бунзеном и Кирхгоффом — при внесении в пламя горелки спектроскопа образца минерала лепидолита в спектре были обнаружены не соответствовавшие ни одному из известных элементов ярко-красные спектральные линии, что позволило дуэту немецких химиков предположить наличие в породе неизвестного элемента, после чего они выделили его из руды. Название рубидий происходит от латинского слова «rubidus» (интенсивно-красный, рубиново-красный), указывающего и на цвет линий в спектре, позволивших обнаружить рубидий и на то, какую окраску придают чистые образцы соединений этого элемента бесцветному пламени газовой горелки.

С одной стороны, рубидий нельзя назвать «химической экзотикой» — это шестнадцатый по распространённости в земной коре химический элемент, его примерно столько же, сколько меди. С другой, в отличие от той же меди, рубидий не относится к минералообразующим элементам — он не образует собственных месторождений, а встречается только как примесь в минералах щелочных металлов. Большую часть сырья для производства рубидия извлекают из лепидолита, в котором он был обнаружен, хотя основная причина разработки лепидолитовых руд добыча не рубидия, а лития. Металлический рубидий получают из его хлорида, восстанавливая металлическим кальцием при 750 °C и пониженном давлении.

Рубидий представляет собой один из щелочных металлов, населяющих первую группу Периодической системы. У всех щелочных металлов на внешнем (определяющем химические свойства) электронном уровне находится по одному электрону, который очень легко оторвать. Это делает щелочные металлы лёгкой добычей таких окислителей, как кислород, галогены или вода. Чем тяжелее щелочной металл, тем дальше единственный электрон внешнего слоя удалён от ядра, тем меньше электростатическое взаимодействие ядро атома — электрон, и тем проще его оторвать, то есть рубидий гораздо активнее лития и натрия и заметно активнее калия. Так, если натрий и калий, контактируя с воздухом, просто медленно окисляются, образуя на своей поверхности плёнку, являющуюся смесью пероксидов, гидроксидов и карбонатов, от контакта с воздухом рубидий может самопроизвольно возгораться, горя ярко-красным пламенем. Хранить металлический рубидий еще сложнее, чем натрий или калий.

Рубидий — элемент чрезвычайно ценный для геологов. Рубидий в земной коре состоит из двух изотопов — стабильного 85Rb, на который приходится около 72 % и радиоактивного 87Rb, период полураспада которого составляет 49.2 миллиарда лет (это примерно в 11 раз больше геологического возраста Земли или в 3,5 раза больше возраста нашей Вселенной). Радиоактивный 87Rb претерпевает β-распад с образованием стабильного нуклида 87Sr. Этот процесс позволяет геологам проводить датировку минералов и горных пород, измеряя соотношение радиоактивного рубидия и продукта его распада.

Рубидий можно назвать «металлом-брахманом», его практически невозможно найти в повседневно окружающих нас технологиях, однако в исследованиях, в особенности в получении знаний чистой теоретической физики, он незаменим. Рубидий используется в атомных часах (хотя атомные цезиевые атомные часы точнее, рубидиевые компактнее и проще устроены). Работа рубидиевых атомных часов основана на переходе между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями нуклида 87Rb. За год ошибка хода рубидиевых атомных часов составляет не более 50 миллисекунд.

Рубидий также применяется для изучения необычных свойств такого агрегатного состояния материи, как конденсат Бозе-Эйнштейна. В этом состоянии материал охлажден до температур, близких к абсолютному нулю. Сильное охлаждение приводит к тому, что достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Теоретически существование такой формы материи было предсказано в 1925 году Альбертом Эйнштейном на основе работ индийского физика Шатьендраната Бозе. До конца XX века проверить теорию не было возможности — не существовало технологий, способных охладить вещество до таких температур. Первый конденсат Бозе-Эйнштейна был получен в 1985 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из Университета Колорадо. Исследователи использовали газ из атомов рубидия 87Rb, охлаждённый до 1,7×10−7 К. За этот прорыв им была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Рубидий не представляет особой опасности для человека — все его соединения хорошо растворимы и быстро выводятся. Хлорид рубидия применяли для изучения транспорта ионов калия по организму человека — при его введении в органы обмен веществ пускает его по тем же дорожкам, что и калий, и, отслеживая перемещения ионов рубидия, можно было составить представление о том, как перемещается калий. Тенденция накопления ионов калия опухолевыми клетками позволила разработать способ локализации опухолей мозга с помощью радиоактивного нуклида 82Rb. В 1970-е годы проводились исследования на тему, можно ли использовать хлорид рубидия как антидепрессант для человека (на обезьян он действовал именно так), однако единственное, что удалось выяснить — то, что 23 грамма рубидия (в составе хлорида), которые принимали добровольные участники эксперимента в течение 75 дней, не вызвали в их организме никаких побочных эффектов.