Химический элемент Ксенон, вместе с криптоном и неоном был открыт Рамзаем и Траверсом при фракционировании жидкого воздуха. Свое название ксенон получил от греческого слова <ксенос> – ( странный, необычный, неслыханный). Хим. знак и атомн. вес Xe=128, Kr=82, Ne=20.
Рамзай Уильям (1852- 1916) (правильнее Рэмзи; Ramsay) английский химик и физик. Профессор Бристольского университета (с 1880) и университетского колледжа в Лондоне (1887- 1913). Ранние работы Р.
относятся к молекулярной физике (исследовал броуновское движение, критическое состояние вещества). В 1884 определил атомный вес цинка. В 1887 синтезировал пиридин из ацетилена и цианистого водорода. В 1893 предложил способ определения молекулярного веса жидкости по величине её поверхностного натяжения. В 1894 Р., совместно с Дж. Рэлеем, открыл аргон; в 1895 получил гелий; в 1898, совместно с М. Траверсом, открыл криптон, ксенон и неон. За эти работы Р. был удостоен Нобелевской премии (1904). В 1910 изобрёл микровесы, позволяющие взвешивать тела объёмом 0,1 мм3 с точностью до 0,5-10-9 г. Последние работы относились к радиоактивным превращениям элементов. Почётный член Петербургской АН (1913).
История открытия ксенона начинается еще в 1785 году. Ученый
Генри Кавендиш исследовал состав воздуха и, при пропускании через него разряда, пришел к любопытному факту: после удаления окиси азота и избытка кислорода, примерно 1/120 исходного объема оставалась и ни в какие соединения не вступает. Он предположил, что в атмосфере содержится еще какой-то неизвестный газ.
Описания именно этих опытов и прочел
Уильям Рамзай. Особо углубляться в эту проблему он не стал, но внимание обратил (надо сказать, что к концу 19 века состав атмосферы считался изученным полностью и наличие новых элементов в нем казалось абсурдом). Через некоторое время начать выделение нового газа из атмосферного воздуха его подтолкнул некий Джон Рэлей. Этот английский физик занимался определением плотностей основных газов в атмосфере нашей планеты. Он неожиданно обнаружил, что вес 1 литра азота полученным химическим путем – 1, 2505 грамма, а выделенного из воздуха - 1, 2572 грамма. Получалось, что азот в атмосфере тяжелее на 0, 0067 грамм. Стало понятно, что в воздухе есть еще неизвестный газ. Рамзай, совместно с Уильямом Моррисом Траверсом (1872-1961) начал работы по поиску этого газа. Эти два английских ученых совершили настоящий подвиг: никогда еще не приходилось учеными работать со стольким количеством исходного материала, искать газ в ничтожно малых количествах, да еще к тому же и не вступающим в химические реакции. Поиск производился путем сжижения воздуха и последующего его испарения – разные газы испарялись при разных температурах. С помощью спектрального анализа выявлялось, что за газ был получен. В результате, переработав около 100 т воздуха, ученые получили микроскопическую порцию газа объемом всего 0, 2 см3. Были «пойманы» неон («новый»), криптон («скрытый») и ксенон («чуждый»). Рамзай предложил называть группу этих газов «редкие», но исторически больше прижилось название инертные. Случилось все это в 1898 году.
Поначалу казалось, что эти газы вообще не вступают во взаимодействие ни с какими элементами. Только в начале 1960-х гг. выяснилось, что представление об инертных газах как о химических "мертвецах" несостоятельно. Удалось получить фториды, оксиды и другие соединения ксенона, криптона, а позднее и радона. Лишь для легких благородных газов возможности образования сколько-нибудь устойчивых соединений исключены.
Применение ксенона.
Сферы применения ксенона во многом обоснованы тем, что его концентрация в воздухе, почве, воде очень малы. В промышленности ксенон получают из воздуха. Запасы эти практически неиссякаемы, ведь ксенон – инертный газ, поэтому почти весь возвращается в атмосферу, не связываясь в соединения с другими элементами. Вследствие очень низкого содержания (в1000 м3 содержится 86 см3 ксенона) объем производства невелик – весь мир производит около 6 млн. литров ксенона в год. Итак, ксенон применяется в медицине, светотехнике, химии, космической промышленности, электронике и газовых ионных лазерах.
Ксенон в космической промышленности.
Здесь ксенон используется в качестве топлива ионных двигателей
космических аппаратов. В таких двигателях используется энергия разогнанных ионов в электростатическом поле. При этом топливо (иногда используются и другие инертные газы) вводится в камеру и там атомы ксенона соударяются c энергетически насыщенными электронами. Эти столкновения удаляют дополнительные электроны в атомах, превращая их в ионы положительной величины. Тыльная часть двигателя представляет собой пару заряженных металлических сеток, одна заряжена положительно, вторая отрицательно, которые создают электростатическую силу, действующую на ионы и выбрасывающую их в космос со скоростью около 90000 км/ч. Реактивный принцип движения налицо. Первый аппарат с ионным двигателем на основе ксенона – Smart-1 вышел на орбиту Луны в ноябре 2004 года. Преимущество этих двигателей в том, что нужно не два реагента, как в химических, а один – ксенон. Однако они не подходят там, где нужен быстрый разгон, например, старт с Земли. В космос аппараты с ионными ускорителями на основе ксенона выводят обычные двигатели. Несколько недель требуется «ксеноновой турбине», чтобы разогнать корабль, зато после разгона он будет преодолевать 8 миллионов километров в сутки. Это в несколько раз больше существующих скоростей.
Ксенон в электронике.
Для наполнения ячеек плазменных экранов. Его принцип работы - в управляемом холодном разряде в разряженном газе, после чего он переходит в ионизированное состояние. Как правило, используется ксенон или неон. Все это называется «холодная плазма» - отсюда и название. Если сосуд заполнить таким газом и подать туда разряд, газ начнет светиться. Цвет зависит от пропорций смешиваемых газов. Вот плазменная панель и есть сочетание миллионов таких сосудов, из которых каждые три (зеленый, красный, синий) образуют одну точку на экране.
Плазменная панель - это большой экран. Его с успехом применяют в качестве информационных табло в аэропортах, гостиницах, банках, на вокзалах и биржах. Но основная сфера применения – домашний кинотеатр. Сейчас изображение на плазменном экране считается самым ярким (до 500 кд/м2) и контрастным (400:1), оно лучше, чем у классических ЭЛТ-мониторов (350 кд/м2 и 200:1 соответственно).
Ксенон в химии.
Долгое время считалось, что элементы из 8 группы – мертвецы, которые не взаимодействуют ни с чем. Однако в 60-х годах 20 века при соблюдении определенных условий, удалось заставить ксенон прореагировать с фтором. Фториды ксенона находят применение как мощные окислители и фторирующие агенты. В виде фторидов удобно хранить и транспортировать чрезвычайно агрессивный фтор. Он не образует фторидов только с 3 элементами таблицы Менделеева: гелием, неоном и аргоном.
Лазеры
Сейчас для изготовления процессоров используются лазеры и специальные линзы, однако для того, чтобы добиться высокой вычислительной мощности длина волны должна постоянно уменьшаться. Для этого приходится повышать точность лазера и линз, уменьшая длину волны света, падающего на кремниевую пластину. Оборудование для производства процессоров Intel Pentium 4 и AMD Athlon генерирует ультрафиолетовый свет с длиной волны 248 нм, а размеры элементов составляют 130 нм. Для проектирования 157-нм оптической системы, которая должна быть сдана в эксплуатацию в 2007 г., ученым пришлось сконструировать линзы из совершенно новых материалов. Стекло для этого непригодно. При переходе к 157-нм длине волны необходимо использовать монокристаллический материал: фтористый кальций. Однако, выращивание кристаллов требуемого качества оказалось гораздо более трудным и заняло значительно больше времени, чем ожидали специалисты. А получить лазеры и линзы для работы с длинами волн менее 157 мм вообще невозможно. После поисков иных методов литографии исследователи, наконец, остановились на EUV (extreme-ultraviolet). Вместо света лазера в EUV-системе используется ультрафиолетовый свет, генерируемый электрически возбужденным газом — ксеноном. Для формирования пучка света вместо линз используются специальные зеркала. В результате отражений от микроскопических зеркал длина волны света уменьшается до 13 нм.
Ксенон и светотехника
Наиболее динамично развивающаяся и «родная» для группы компаний «Ксенон» область. В светотехнике признание получили ксеноновые лампы высокого давления. В таких лампах светит дуговой разряд в ксеноне, находящемся под давлением в несколько десятков атмосфер. Свет в ксеноновых лампах появляется сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр – от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного. Все мы видели ксеноновые фары на автомобилях – это очень красиво и чрезвычайно полезно: пока это самая высокая степень эволюции автомобильного света. Выше стоят только светодиоды, но их применение для фар головного света пока невозможно, поскольку существует ряд проблем, на решение которых может уйти 5-7 лет. В России было создано уникальное осветительное устройство — ксеноновый светильник. В лампе используется непрерывный электрический разряд в сосуде из кварцевого стекла, наполненном ксеноном под высоким давлением. Между двойными стенками сосуда циркулирует охлаждающая его вода. Мощность лампы 300 кВт. Одна такая лампа способна осветить большую городскую площадь. Это самая мощная лампа в мире.
Ксенон в медицине
Немаловажное значение имеет ксенон и в медицине. Ксеноном
пользуются при рентгеноскопических обследованиях головного мозга. Ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден. Радиоактивный изотоп элемента №54, ксенон-133, используют при исследовании функциональной деятельности легких и сердца. Отдельное место занимает применение ксенона в наркозе. Дело в том, что этот газ относится практически к идеальным анестетикам. В соотношении с кислородом он оказывает сильное аналгезирующеее и анестезирующее действие. Через 3-4 минуты вдыхания смеси ксенона с кислородом пациент теряет сознание и впадает в стадию наркоза при которой возможно проведение хирургических вмешательств. При этом он не оказывает токсического действия на организм, поскольку не вступает во взаимодействие с другими веществами. Выводится из организма на 95 % через легкие уже через 4-5 минут, при этом уже на 2 минуте пациент приходит в сознание, а стадия анальгезии, когда болевой порог снижен в 2 раза, продолжается еще 12-15 минут. По этому показателю наркоз с помощью ксенона также превосходит закись азота. К сожалению, сильно ограничивает использование ксенона в качестве анестетика его дороговизна и отсутствие нормативно-правовых актов его использования в наркозе. Всего вырабатываемого количества ксенона в мире сейчас (напомним: 6 млн литров) хватит только на 300 000 операций по 2 часа каждая. Проблема его дороговизны решена российскими учеными, которые разработали прибор, позволяющий улавливать ксенон из выдыхаемого пациентом воздуха, что позволяет повторно использовать 85% ксенона. Применение этой технологии снизит стоимость в 6 раз (до 20$ за операцию). Вторая проблема в России (одной из первой стран в мире) тоже решена: были приняты необходимые правовые акты, чтобы можно было использовать ксенон в качестве анестетика. Таким образом использование ксенона в операциях может возрасти в последующие годы в 8-10 раз.
