Зачем синтезируют новые химические элементы? Доступно о сложном. Какие химические элементы являются рукотворными? Какие элементы были получены искусственно
14.1 Этапы синтеза элементов
Для объяснения распространенности в природе различных химических элементов и
их изотопов в 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По
этой модели все химические элементы образовывались в момент Большого Взрыва.
Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только
легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые
возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели
Большого Взрыва (см. п. 15).
По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с
первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не,
7 Li) спустя 100
секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 10 9 K.
Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое
на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое
излучение.
Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о
распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.
Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике
показали, что атомов водорода 92%, гелия − 8%, и более тяжелых ядер − 1 атом на
1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.
14.2 Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не, 7 Li) в ранней Вселенной.
- Распространенность 4 Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.
- Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро
превращается в 3 Не.
Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:
10 -5 ≤ D/H ≤ 2·10 -4 и
1.2·10 -5 ≤ 3 Не/H ≤ 1.5·10 -4 ,
причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ƒ от первоначального значения: D/H = ƒ(D/H) первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3 Не, получается следующая оценка для распространенности:
[(D + 3 Не)/H] первонач ≤ 10 -4 .
- Распространенность 7 Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7 Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·10 3 K, количество 7 Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7 Li имеет вид:
7 Li/H = (1.6±0.1)·10 -10 .
- Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9 Be, 10 В и 11 В, меньше на несколько порядков. Так, распространенность 9 Ве/Н < 2.5·10 -12 .
14.3 Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K
Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рр- и CN-циклах происходит при температуре Т ~ 10 7 ÷7·10 7 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов: 2 Н, 3 Не, 7 Li, 7 Be, 8 Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8 Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10 -16 с)
8 Ве → 4 Не + 4 Не.
Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но
природа нашла
обходной путь.
Когда Т > 7·10 7 K, гелий "сгорает"
, превращаясь в ядра углерода.
Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → 12 С, но ее
сечение очень мало и процесс образования 12 С идет в два этапа.
Происходит реакция слияния ядер 8 Ве и 4 Не с образованием ядра углерода
12 С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода
уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция:
8 Ве + 4 Не → 12 С* → 12 С + γ.
Существование уровня энергии ядра 12 С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время
жизни 8 Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12 С происходит
Брейт-Вигнеровский
резонанс
. Ядро 12 С переходит на возбужденный уровень с энергией ΔW =
ΔМ + ε,
где εM = (M 8Be − М 4Hе)− M 12C = 7.4 МэВ, а ε компенсируется за счет кинетической
энергии.
Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в
лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:
12 С + 4 Не → 16 0 + γ
16 0 + 4 Не → 20 Ne + γ и так до А ~ 20.
Так нужный уровень ядра 12 С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе
элементов.
У ядра 16 О нет таких уровней энергии и реакция образования
16 О идет очень
медленно
12 С + 4 Не → 16 0 + γ.
Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря
им оказалось одинаковое число ядер 12 С и 16 0, что создало благоприятные условия
для образования органических молекул, т.е. жизни.
Изменение уровня 12 С на 5% привело бы к катастрофе
− дальнейший синтез
элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A
в диапазоне
| А = 25÷32 |
Это приводит к значениям А
Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза.
Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования
этих процессов.
Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального
анализа Солнца и Звезд, а также космических лучей. На рис. 99 представлена
интенсивность ядер при разных значениях А.
Рис. 99: Распространенность элементов во Вселенной.
Водород Н − самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия
Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и
Не.
Li, Be, В − хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 10 7
K.
Труднее объяснить, почему они все же существуют − скорее всего, благодаря
процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды.
В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является
следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с
межзвездной средой.
12 С÷ 16 О − результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня
у 12 С и отсутствия такового у 16 О, ядро которого является также дважды магическим.
12 С − полумагическое ядро.
Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56 Fe, a затем
−
резкий спад.
Для А > 60 синтез энергетически невыгоден.
14.5 Образование ядер тяжелее железа
Доля ядер с А > 90 невелика − 10 -10 от ядер водорода. Процессы образования
ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов
известно два:
s (slow) − медленный процесс,
г (rapid) − быстрый процесс.
Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов
т.е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образуется много нейтронов.
Нейтроны образуются во всех реакциях горения.
13 С + 4 Не → 16 0 + n − горение гелия,
12 С + 12 С → 23 Mg + n − углеродная вспышка,
16 O + 16 O → 31 S + n − кислородная вспышка,
21 Ne + 4 Не → 24 Mg + n − реакция с α-частицами.
В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы − захват нейтронов. При захвате нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит β-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.
Если спросить ученых, какие из открытий XX в. важнейшие, то едва ли кто-нибудь забудет назвать искусственный синтез химических элементов. За короткий срок - менее 40 лет- список известных химических элементов увеличился на 18 названий. И все 18 были синтезированы, приготовлены искусственным путем.
Слово "синтез" обычно обозначает процесс получения из простого сложного. Например, взаимодействие серы с кислородом есть химический синтез двуокиси серы SO 2 из элементов.
Синтез элементов молено понимать таким лее образом: искусственное получение из элемента с меньшим зарядом ядра, меньшим порядковым номером элемента с большим порядковым номером. А сам процесс получения называется ядерной реакцией. Ее уравнение записывается так же, как и уравнение обыкновенной химической реакции. В левой части реагирующие вещества, в правой - получающиеся продукты. Реагирующие вещества в ядерной реакции - это мишень и бомбардирующая частица.
Мишенью может служить любой элемент периодической системы (в свободном виде или в виде химического соединения).
Роль бомбардирующих частиц играют α-частицы, нейтроны, протоны, дейтроны (ядра тяжелого изотопа водорода), а также так называемые многозарядные тяжелые ионы различных элементов - бора, углерода, азота, кислорода, неона, аргона и других элементов периодической системы.
Чтобы произошла ядерная реакция, необходимо столкновение бомбардирующей частицы с ядром атома мишени. Если частица обладает достаточно большой энергией, то она может настолько глубоко проникнуть к ядру, что сольется с ним. Так как все перечисленные выше частицы, кроме нейтрона, несут положительные заряды, то, сливаясь с ядром, они увеличивают его заряд. А изменение значения Z и означает превращение элементов: синтез элемента с новым значением заряда ядра.
Чтобы найти способ ускорять бомбардирующие частицы, придавать им большую энергию, достаточную для их слияния с ядрами, изобрели и сконструировали специальный ускоритель частиц- циклотрон. Затем построили специальную фабрику новых элементов - ядерный реактор. Его прямое назначение- вырабатывать ядерную энергию. Но поскольку в нем всегда существуют интенсивные потоки нейтронов, то их легко использовать для целей искусственного синтеза. Нейтрон не имеет заряда, и потому его не надо (да и невозможно) ускорять. Напротив, медленные нейтроны оказываются более полезными, чем быстрые.
Химикам пришлось изрядно поломать голову и проявить подлинные чудеса изобретательности, чтобы разработать способы отделения ничтожных количеств новых элементов от вещества мишени. Научиться изучать свойства новых элементов, когда в наличии были считанные количества их атомов...
Трудами сотен и тысяч ученых в периодической системе было заполнено восемнадцать новых клеток.
Четыре - в ее старых границах: между водородом и ураном.
Четырнадцать - за ураном.
Вот как все это происходило...
Технеций, прометий, астат, франций... Четыре места в периодической системе долго оставались пустыми. Это были клетки № 43, 61, 85 и 87. Из четырех элементов, которые должны были занять эти места, три предсказаны Менделеевым: экамарганец - 43, экаиод - 85 и экацезий - 87. Четвертый - № 61 - должен был принадлежать к редкоземельным элементам.
Эти четыре элемента были неуловимы. Усилия ученых, направленные на их поиски в природе, оставались безуспешными. С помощью периодического закона давно уже были заполнены все остальные места в таблице Менделеева - от водорода до урана.
Не один раз в научных журналах появлялись сообщения об открытии этих четырех элементов. Экамарганец "открывали" в Японии, где ему дали имя "ниппоний", в Германии назвали "мазурий". Элемент № 61 "открывали" в разных странах по крайней мере трижды, он получал имена "иллиний", "Флоренции", "цикл оний". Экаиод находили в природе также неоднократно. Ему давали имена "алабамий", "гельвеций". Экацезий, в свою очередь, получал названия "Виргинии", "Молдавии". Некоторые из этих названий попадали в различные справочники и даже проникали в школьные учебники. Но все эти открытия не подтверждались: каждый раз точная проверка показывала, что допущена ошибка, и случайные ничтожные примеси были приняты за новый элемент.
Долгие и трудные поиски привели наконец к открытию в природе одного из неуловимых элементов. Оказалось, что экацезий, который должен занимать в периодической таблице 87-е место, возникает в цепочке распада природного радиоактивного изотопа урана-235. Это короткоживущий радиоактивный элемент.
Элемент № 87 заслуживает того, чтобы о нем рассказать подробнее.
Теперь в любой энциклопедии, в любом учебнике по химии читаем: франций (порядковый № 87) открыт в 1939 г. французским ученым Маргаритой Перей. Кстати сказать, это третий случай, когда честь открытия нового элемента принадлежит женщине (раньше Мария Кюри открыла полоний и радий, Ида Ноддак - рений).
Как Перей все лее удалось поймать неуловимый элемент? Вернемся на много лет назад. В 1914 г. три австрийских радиохимика - С. Мейер, В. Гесс и Ф. Панет - занялись изучением радиоактивного распада изотопа актиния с массовым числом 227. Было известно, что он входит в семейство актиноурана и испускает β-частицы; следовательно, продукт его распада торий. Однако у ученых мелькали смутные подозрения, что актиний-227 в редких случаях испускает и α-частицы. Иными словами, здесь наблюдается один из примеров радиоактивной вилки. Легко сообразить: в ходе такого превращения должен образовываться изотоп элемента № 87. Мейер и его коллеги действительно наблюдали α-частицы. Требовались дальнейшие исследования, но они были прерваны первой мировой войной.
Маргарита Перей шла по тому же пути. Но в ее распоряжении были более чувствительные приборы, новые, усовершенствованные методы анализа. Поэтому-то ей и сопутствовал успех.
Франций относят к числу искусственно синтезированных элементов. Но все-таки сначала элемент был обнаружен в природе. Это изотоп франций-223. Его период полураспада составляет всего 22 минуты. Становится понятным, почему франция так мало на Земле. Во-первых, из-за своей недолговечности он не успевает концентрироваться в сколь-либо заметных количествах, во-вторых, сам процесс его образования отличается невысокой вероятностью: всего 1,2% ядер актиния-227 распадается с испусканием α-частиц.
В связи с этим франций выгоднее приготовлять искусственным путем. Уже получено 20 изотопов франция, и самый долгоживущий из них - франций-223. Работая с совершенно ничтожными количествами солей франция, химики сумели доказать, что по своим свойствам он чрезвычайно похож: на цезий.
Элементы № 43, 61 и 85 оставались неуловимыми. В природе их никак не удавалось найти, хотя ученые уже владели могучим методом, безошибочно указывающим путь для поиска новых элементов, - периодическим законом. Все химические свойства неизвестного элемента благодаря этому закону были известны ученым заранее. Так почему же были безуспешны поиски этих трех элементов в природе?
Изучая свойства атомных ядер, физики пришли к выводу: у элементов с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 не могут существовать стабильные изотопы. Они могут быть только радиоактивными, с короткими периодами полураспада и должны быстро исчезать. Поэтому все эти элементы были созданы человеком искусственно. Пути для создания новых элементов были указаны периодическим законом. Попробуем с его помощью сами наметить путь синтеза экамарганца. Этот элемент № 43 был первым искусственно созданным.
Химические свойства элемента определяются его электронной оболочкой, а она зависит от заряда атомного ядра. В ядре элемента № 43 должно быть 43 положительных заряда, и вокруг ядра должны вращаться 43 электрона. Как же можно создать элемент с 43 зарядами в атомном ядре? Как можно доказать, что такой элемент создан?
Рассмотрим внимательно, какие элементы в периодической системе располагаются у пустого места, предназначенного для элемента № 43. Оно находится почти в середине пятого периода. На соответствующих местах в четвертом периоде стоит марганец, а в шестом - рений. Поэтому химические свойства 43-го элемента должны быть похожи на свойства марганца и рения. Недаром Д. И. Менделеев, предсказавший этот элемент, назвал его экамарганцем. Слева от 43-ей клетки находится молибден, занимающий клетку 42, справа, в 44-й - рутений.
Следовательно, чтобы создать элемент № 43, необходимо увеличить число зарядов в ядре атома, имеющего 42 заряда, еще на один элементарный заряд. Поэтому для синтеза нового элемента № 43 нужно взять в качестве исходного сырья молибден. У него в ядре как раз 42 заряда. Одним положительным зарядом обладает самый легкий элемент- водород. Итак, можно ожидать, что элемент № 43 может быть получен в результате ядерной реакции между молибденом и водородом.
Свойства элемента № 43 должны быть сходными с химическими свойствами марганца и рения, и, для того чтобы обнаружить и доказать образование этого элемента, нужно воспользоваться химическими реакциями, аналогичными тем, с помощью которых химики определяют присутствие малых количеств марганца и рения. Вот каким образом периодическая система дает возможность наметить путь для создания искусственного элемента.
Точно таким же путем, который мы только что наметили, и был создан в 1937 г. первый искусственный химический элемент. Он получил знаменательное имя- технеций - первый элемент, изготовленный техническим, искусственным путем. Вот как был осуществлен синтез технеция. Пластинка молибдена подвергалась интенсивной бомбардировке ядрами тяжелого изотопа водорода - дейтерия, которые были разогнаны в циклотроне до огромной скорости.
Ядра тяжелого водорода, получившие очень большую энергию, проникли в ядра молибдена. После облучения в циклотроне пластинка молибдена была растворена в кислоте. Из раствора было выделено с помощью тех же реакций, которые необходимы для аналитического определения марганца (аналог элемента № 43), ничтожное количество нового радиоактивного вещества. Это и был новый элемент- технеций. Вскоре были подробно изучены его химические свойства. Они точно соответствуют положению элемента в менделеевской таблице.
Теперь технеций стал вполне доступным: он образуется в довольно больших количествах в атомных реакторах. Технеций хорошо изучен, уже практически используется. С помощью технеция исследуют процесс коррозии металлов.
Метод, каким был создан 61-й элемент, очень похож на метод, которым получают технеций. Элемент №61 должен быть редкоземельным элементом: 61-я клетка находится между неодимом (№ 60) и самарием (№ 62). Новый элемент впервые был получен в 1938 г. в циклотроне бомбардировкой неодима ядрами дейтерия. Химическим путем 61-й элемент был выделен лишь в 1945 г. из осколочных элементов, образующихся в ядерном реакторе в результате деления урана.
Элемент получил символическое имя прометий. Это название было дано ему неспроста. Древнегреческий миф рассказывает о том, что титан Прометей похитил с неба огонь и передал его людям. За это он был наказан богами: его приковали к скале, и громадный орел ежедневно терзал его. Название "прометий" не только символизирует драматический путь похищения наукой у природы энергии ядерного деления и овладения этой энергией, но и предостерегает людей от страшной военной опасности.
Прометий теперь получают в немалых количествах: его используют в атомных батарейках- источниках постоянного тока, способных действовать без перерыва несколько лет.
Аналогичным путем был синтезирован и самый тяжелый галоген- экаиод- элемент № 85. Он впервые был получен бомбардировкой висмута (№ 83) ядрами гелия (№ 2), ускоренными в циклотроне до больших энергий.
Ядра гелия, второго элемента в периодической системе, обладают двумя зарядами. Поэтому для синтеза 85-го элемента был взят висмут - 83-й элемент. Новый элемент назван астатом (неустойчивый). Он радиоактивен, быстро исчезает. Его химические свойства также оказались точно соответствующими периодическому закону. Он похож: на иод.
Трансурановые элементы.
Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о "достоверном" открытии нового "тяжелого" элемента с атомной массой большей, чем у урана. Например, элемент № 93 "открывали" в природе многократно, он получал имена "богемий", "секваний". Но эти "открытия" оказывались следствием ошибок. Они характеризуют трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.
Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле практически нет.
Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать β-лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической системе на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше - происходит превращение элементов. Так под воздействием нейтронов обычно образуются более тяжелые элементы.
Попытались подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что так же, как и у других элементов, у урана при этом появится β-активность и в результате β-распада возникнет новый элемент с номером, на единицу большим. Он-то и займет 93-ю клетку в системе Менделеева. Высказывали предположение, что этот элемент должен быть похож: на рений, поэтому его заранее назвали экарением.
Первые опыты, казалось, сразу же подтвердили такое предположение. Даже больше- обнаружилось, что при этом возникает не один новый элемент, а несколько. Были опубликованы сообщения о пяти новых элементах тяжелее урана. Кроме экарения были "обнаружены" экаосмий, экаиридий, экаплатина и эказолото. И все открытия оказались ошибкой. Но то была амечательная ошибка. Она привела науку к величайшему из достижений физики за всю историю человечества- к открытию деления урана и овладению энергией атомного ядра.
Никаких трансурановых элементов в действительности не было найдено. У странных новых элементов тщетно пытались найти предполагаемые свойства, которыми должны были обладать элементы от экарения да эказолота. И вдруг среди этих элементов неожиданно были обнаружены радиоактивный барий и лантан. Не трансурановые, а самые обычные, но радиоактивные изотопы элементов, места которых находятся в середине периодической системы Менделеева.
Прошло немного времени, и этот неожиданный и очень странный результат был правильно понят.
Почему из атомных ядер урана, стоящего в конце периодической системы элементов, при действии нейтронов образуются ядра элементов, места которых находятся в ее середине? Например, при действии нейтронов на уран возникают элементы, соответствующие следующим клеткам периодической системы:
Много элементов было найдено в невообразимо сложной смеси радиоактивных изотопов, образующихся в уране, облученном нейтронами. Хотя они оказались старыми, давно знакомыми химикам элементами, в то же время это были новые вещества, впервые созданные человеком.
В природе нет радиоактивных изотопов брома, криптона, стронция и многих других из тридцати четырех элементов - от цинка до гадолиния, возникающих при облучении урана.
В науке часто так бывает: самое загадочное и самое сложное оказывается простым и ясным, когда оно разгадано и понято. Когда нейтрон попадает в ядро урана, оно раскалывается, расщепляется на два осколка - на два атомных ядра меньшей массы. Эти осколки могут быть различного размера, поэтому-то и образуется так много различных радиоактивных изотопов обычных химических элементов.
Одно атомное ядро урана (92) распадается на атомные ядра брома (35) и лантана (57), осколки при расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами криптона (36) и бария (56). Сумма атомных номеров образующихся осколочных элементов будет равна 92.
Это было началом цепи великих открытий. Вскоре обнаружили, что под ударом нейтрона возникают из ядра атома урана-235 не только осколки - ядра с меньшей массой, но и вылетают два-три нейтрона. Каждый из них, в свою очередь, способен снова вызвать деление ядра урана. А при каждом таком делении выделяется очень много энергии. Это и стало началом овладения человеком внутриатомной энергией.
Среди огромного множества продуктов, возникающих при облучении ядер урана нейтронами, был впоследствии обнаружен остававшийся долгое время незамеченным первый настоящий трансурановый элемент № 93. Он возникал при действии нейтронов на уран-238. По химическим свойствам он оказался весьма сходным с ураном и совсем не был похож: на рений, как это ожидали при первых попытках синтезировать элементы тяжелее урана. Поэтому его и не могли сразу обнаружить.
Первый созданный человеком элемент, лежащий за пределами "естественной системы химических элементов", был назван нептунием по имени планеты Нептун. Его создание расширило для нас границы, определенные самой природой. Так же и предсказанное открытие планеты Нептун расширило границы наших знаний о Солнечной системе.
Вскоре был синтезирован и 94-й элемент. Он был назван в честь последней планеты. Солнечной системы.
Его назвали плутонием. В периодической системе Менделеева он следует по порядку за нептунием, аналогично "последней планете Солнечной* системы Плутону, орбита которой лежит за орбитой Нептуна. Элемент № 94 возникает из нептуния при его β-распаде.
Плутоний - единственный из трансурановых элементов, который теперь получают в атомных реакторах в очень больших количествах. Так же как и уран-235, он способен делиться под действием нейтронов и применяется как топливо в атомных реакторах.
Элементы № 95 и № 96 носят названия америций и кюрий. Их также получают теперь в атомных реакторах. Оба элемента обладают очень большой радиоактивностью - испускают α-лучи. Радиоактивность этих элементов настолько велика, что концентрированные растворы их солей нагреваются, закипают и очень сильно светятся в темноте.
Все трансурановые элементы - от нептуния до америция и кюрия- были получены в достаточно больших количествах. В чистом виде это металлы серебристого цвета, все они радиоактивны и по химическим свойствам в чем-то похожи друг на друга, а в чем-то заметно различаются.
Был выделен в чистом виде и 97-й элемент - берклий. Для этого пришлось поместить чистый препарат плутония внутрь ядерного реактора, где он целых шесть лет находился под действием мощного потока нейтронов. За это время в нем накопилось несколько микрограммов элемента № 97. Плутоний извлекли из атомного реактора, растворили в кислоте и из смеси выделили наиболее долгоживущий берклий-249. Он сильно радиоактивен - за год распадается наполовину. Пока удалось получить только несколько микрограммов берклия. Но этого количества хватило ученым, чтобы точно изучить его химические свойства.
Очень интересен элемент № 98 - калифорний, шестой после урана. Калифорний впервые был создан посредством бомбардировки мишени из кюрия α-частицами.
Увлекательна история синтеза двух следующих трансурановых элементов: 99-го и 100-го. Впервые они были найдены в облаках и в "грязи". Чтобы изучить, что образуется при термоядерных взрывах, самолет пролетал сквозь взрывное облако, и на бумажные фильтры были собраны пробы осадка. В этом осадке и были найдены следы двух новых элементов. Чтобы получить более точные данные, на месте взрыва собрали большое количество "грязи" - измененной взрывом почвы и горной породы. Эту "грязь" переработали в лаборатории, и из нее выделили два новых элемента. Их назвали эйнштейнием и фермием, в честь ученых А. Эйнштейна и Э. Ферми, которым человечество в первую очередь обязано открытием путей овладения атомной энергией. Эйнштейну принадлежит закон эквивалентности массы и энергии, а Ферми построил первый атомный реактор. Теперь эйнштейний и фермий получают и в лабораториях.
Элементы второй сотни.
Еще не так давно едва ли кто мог поверить, что в таблицу Менделеева будет включен символ сотого элемента.
Искусственный синтез элементов сделал свое дело: на короткое время фермий замкнул список известных химических элементов. Помыслы ученых были теперь устремлены вдаль, к элементам второй сотни.
Но на пути оказался барьер, преодолеть который было нелегко.
До сих пор физики синтезировали новые трансурановые элементы в основном двумя способами. Либо они обстреливали мишени из трансурановых элементов, уже синтезированных, α-частицами и дейтронами. Либо они бомбардировали уран или плутоний мощными потоками нейтронов. В результате образовывались очень богатые нейтронами изотопы этих элементов, которые после нескольких последовательных β-распадов превращались в изотопы новых трансуранов.
Однако в середине 50-х годов обе эти возможности себя исчерпали. В ядерных реакциях удавалось получить невесомые количества эйнштейния и фермия, и потому из них нельзя было изготовить мишени. Нейтронный метод синтеза также не позволял продвинуться дальше фермия, так как изотопы этого элемента подвергались спонтанному делению с гораздо большей вероятностью, чем β-распаду. Понятно, что в таких условиях не имело смысла говорить о синтезе нового элемента.
Поэтому очередной шаг физики сделали только тогда, когда им удалось накопить минимально необходимое для мишени количество элемента № 99. Это случилось в 1955 г.
Одним из самых примечательных достижений, которым по справедливости может гордиться наука, следует назвать создание 101-го элемента.
Этот элемент получил имя великого творца периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.
Менделевий был получен следующим образом. На листочек тончайшей золотой фольги нанесли невидимое покрытие, состоящее приблизительно из одного миллиарда атомов эйнштейния. Альфа-частицы с очень большой энергией, пробивая золотую фольгу с обратной стороны, при соударении с атомами эйнштейния могли вступать в ядерную реакцию. В результате образовались атомы 101-го элемента. При таком соударении атомы менделевия вылетали с поверхности золотой фольги и собирались на другом, расположенном рядом тончайшем золотом листочке. Таким остроумным путем удалось выделить в чистом виде атомы 101-го элемента из сложной смеси эйнштейния и продуктов его распада. Невидимый налет смывался кислотой и подвергался радиохимическому исследованию.
Поистине это было чудом. Исходным материалом для создания 101-го элемента в каждом отдельном опыте служил приблизительно один миллиард атомов эйнштейния. Это очень малозначительно меньше одной миллиардной доли миллиграмма, а получить эйнштейний в большем количестве было невозможно. Заранее подсчитали, что из миллиарда атомов эйнштейния при многочасовой бомбардировке α-частицами может прореагировать всего только один-единственный атом эйнштейния и, следовательно, может образоваться только один атом нового элемента. Нужно было не только суметь его обнаружить, но и сделать это так, чтобы выяснить по одному лишь атому химическую природу элемента.
И это было сделано. Успех опыта превзошел расчеты и ожидания. Удалось заметить при одном эксперименте не один, а даже два атома нового элемента. Всего в первой серии опытов было получено семнадцать атомов менделевия. Этого оказалось достаточно, чтобы установить и факт образования нового элемента, и его место в периодической системе и определить его основные химические и радиоактивные свойства. Оказалось, что это α-активный элемент с периодом полураспада около получаса.
Менделевий - первый элемент второй сотни - оказался своеобразной вехой на пути синтеза трансурановых элементов. До сих пор он остается последним из тех, которые были синтезированы старыми методами - облучением α-частицами. Теперь на сцену вышли более могучие снаряды - ускоренные многозарядные ионы различных элементов. Определение химической природы менделевия по считанному числу его атомов положило начало совершенно новой научной дисциплине - физикохимии единичных атомов.
Символ элемента № 102 No - в периодической системе взят в скобки. И в скобках этих заключена долгая и сложная история этого элемента.
О синтезе нобелия сообщила в 1957 г. интернациональная группа физиков, работавших в Нобелевском институте (Стокгольм). Впервые для синтеза нового элемента были применены тяжелые ускоренные ионы. В их качестве выступили ионы 13 С, поток которых направлялся на кюриевую мишень. Исследователи пришли к выводу, что им удалось синтезировать изотоп 102-го элемента. Ему дали название в честь основателя Нобелевского института изобретателя динамита Альфреда Нобеля.
Прошел год, и опыты стокгольмских физиков были воспроизведены почти одновременно в Советском Союзе и США. И выяснилась удивительная вещь: результаты советских и американских ученых не имели ничего общего ни с работами Нобелевского института, ни между собой. Никому и нигде более не удалось повторить эксперименты, проведенные в Швеции. Такая ситуация породила довольно грустную шутку: "От нобелия остался один No" (No - в переводе с английского означает "нет"). Символ, поспешно помещенный в менделеевскую таблицу, не отражал действительного открытия элемента.
Достоверный синтез элемента № 102 совершила группа физиков из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. В 1962-1967 гг. советские ученые синтезировали несколько изотопов элемента № 102 и изучили его свойства. Подтверждение этих данных было получено в США. Однако символ No, не имея на то никакого права, до сих пор находится в 102-й клетке таблицы.
Лоуренсий, элемент № 103 с символом Lw, названный так в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса, был синтезирован в 1961 г. в США. Но здесь не меньшая заслуга и советских физиков. Они получили несколько новых изотопов лоуренсия и впервые изучили свойства этого элемента. Лоуренсий также появился на свет благодаря использованию тяжелых ионов. Мишень из калифорния облучалась ионами бора (или америциевая мишень - ионами кислорода).
Элемент № 104 впервые был получен советскими физиками в 1964 г. К его синтезу приводила бомбардировка плутония ионами неона. 104-й элемент получил название курчатовия (символ Ки) в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова.
105-й и 106-й элементы также впервые удалось синтезировать советским ученым - в 1970 и в 1974 гг. Первый из них- продукт бомбардировки америция ионами неона- был назван нильсборием (Ns) в честь Нильса Бора. Синтез другого осуществлялся следующим образом: мишень из свинца бомбардировалась ионами хрома. Синтезы 105-го и 106-го элементов были осуществлены также и в США.
Вы узнаете об этом в следующей главе, а настоящую мы завершим кратким рассказом о том,
как изучают свойства элементов второй сотни.
Фантастически трудная задача стоит перед экспериментаторами.
Вот ее исходные условия: даны считанные количества (десятки, в лучшем случае сотни) атомов нового элемента, причем атомов весьма короткоживущих (периоды полураспада измеряются секундами, а то и долями секунды). Требуется доказать, что эти атомы - атомы действительно нового элемента (т. е. определить значение Z, а также величину массового числа А, чтобы знать, о каком изотопе нового трансурана идет речь), и изучить его важнейшие химические свойства.
Считанные атомы, ничтожная продолжительность жизни...
На помощь ученым приходят быстрота и высочайшая изобретательность. Но современный исследователь - специалист по синтезу новых элементов - должен не только уметь "подковать блоху". Он должен и в совершенстве владеть теорией.
Проследим за теми основными шагами, посредством которых производят идентификацию нового элемента.
Важнейшей визитной карточкой в первую очередь служат радиоактивные свойства- это может быть испускание α-частиц или спонтанное деление. Каждое α-активное ядро характеризуется специфическими величинами энергии α-частиц. Это обстоятельство позволяет либо опознать известные ядра, либо сделать вывод о том, что обнаружены новые. Например, изучая особенности α-частиц, ученые сумели получить достоверное доказательство синтеза 102-го и 103-го элементов.
Энергичные осколочные ядра, образующиеся в результате деления, обнаружить значительно легче, чем α-частицы, вследствие гораздо большей энергии осколков. Для их регистрации употребляются пластинки, сделанные из стекла специального сорта. Осколки оставляют на поверхности пластинок чуть заметные следы. Затем пластинки проходят химическую обработку (травление), и их внимательно рассматривают под микроскопом. Стекло растворяется в плавиковой кислоте.
Если стеклянную пластинку, обстрелянную осколками, поместить в раствор плавиковой кислоты, то в местах, куда попали осколки, стекло будет растворяться быстрее и там образуются лунки. Их размеры в сотни раз больше первоначального следа, оставленного осколком. Лунки можно наблюдать в микроскоп со слабым увеличением. Другие радиоактивные излучения наносят поверхности стекла меньшие повреждения и не просматриваются после травления.
Вот что рассказывают авторы синтеза курчатовия о том, как происходил процесс опознания нового элемента: "Идет опыт. Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок часов лента несет синтетические ядра к стеклянным пластинкам. Наконец циклотрон выключен. Стеклянные пластинки переданы на обработку в лабораторию. С нетерпением ждем результата. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков. По их положению вычислили период полураспада. Он оказался в интервале времени от 0,1 до 0,5 с.
А вот как те же исследователи рассказывают об оценке химической природы курчатовия и нильсбория. "Схема исследования химических свойств элемента № 104 такова. Атомы отдачи выходят из мишени в струю азота, тормозятся в ней, а затем хлорируются. Соединения 104-го элемента с хлором легко проникают через специальный фильтр, а все актиноиды не проходят. Если 104-й принадлежал бы к актиноидному ряду, то и он бы задержался фильтром. Однако исследования показали, что 104-й элемент - это химический аналог гафния. Это важнейший шаг к заполнению таблицы Менделеева новыми элементами.
Затем в Дубне были изучены химические свойства 105-го элемента. Оказалось, что его хлориды адсорбируются на поверхности трубки, по которой они движутся от мишени при температуре более низкой, чем хлориды гафния, но более высокой, чем хлориды ниобия. Так могли бы вести себя только атомы элемента, близкого по химическим свойствам к танталу. Посмотрите на таблицу Менделеева: химический аналог тантала - элемент № 105! Поэтому опыты по адсорбции на поверхности атомов 105-го элемента подтвердили, что его свойства совпадают с предсказанными на основе периодической системы".
, плутоний), в фотосферах звёзд (технеций и, возможно, прометий), в оболочках сверхновых (калифорний и, вероятно, продукты его распада - берклий , кюрий , америций и более лёгкие).
Последним из элементов, найденным в природе до того, как он был синтезирован искусственно, стал франций (1939 год). Первым синтезированным химическим элементом был технеций в 1937 году . По состоянию на 2012 год , синтезированы ядерным слиянием или распадом элементы до унуноктия с атомным номером 118, а также предпринимались попытки синтеза следующих сверхтяжёлых трансурановых элементов. Синтез новых трансактиноидов и суперактиноидов продолжается.
Наиболее известными лабораториями, синтезировавшими по несколько новых элементов и несколько десятков или сотен новых изотопов , являются Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли и Ливерморская национальная лаборатория (США), в г. Дубна (СССР /Россия), Европейский (Германия), Кавендишская лаборатория Кембриджского университета (Великобритания), (Япония) и другие В последние десятилетия над синтезом элементов в американских, немецком и российском центрах работают международные коллективы.
Открытие синтезированных элементов по странам
СССР, Россия
США
Германия
Спорные приоритеты и совместные результаты
Для ряда элементов приоритет равноутверждён согласно решению совместной комиссии ИЮПАК и ИЮПАП или остаётся спорным :
США и Италия
Россия и Германия
Россия и Япония
Напишите отзыв о статье "Синтезированные химические элементы"
Примечания
Ссылки
| 30px | [[ в Викицитатнике |
|---|---|
| [[Ошибка Lua в Модуль:Wikidata/Interproject на строке 17: attempt to index field "wikibase" (a nil value). |Синтезированные химические элементы]] в Викитеке | |
| 30px | [{{localurl:Commons:Category:Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. }}?uselang=ru Синтезированные химические элементы] на Викискладе |
- О синтезе элементов на сайте «Атомная и космическая отрасли России» , ,
- О синтезе элементов на сайте «Виртуальная таблица Менделеева» ,
- О синтезе элементов на сайте , ,
Отрывок, характеризующий Синтезированные химические элементы
– Что будем с делать с ними? – судорожно вздохнув, показала на сбившихся в кучку малышей, Стелла. – Оставлять здесь никак нельзя.Я не успела ответить, как прозвучал спокойный и очень грустный голос:
– Я с ними останусь, если вы, конечно, мне позволите.
Мы дружно подскочили и обернулись – это говорил спасённый Марией человек... А мы как-то о нём совершенно забыли.
– Как вы себя чувствуете? – как можно приветливее спросила я.
Я честно не желала зла этому несчастному, спасённому такой дорогой ценой незнакомцу. Это была не его вина, и мы со Стеллой прекрасно это понимали. Но страшная горечь потери пока ещё застилала мне гневом глаза, и, хотя я знала, что по отношению к нему это очень и очень несправедливо, я никак не могла собраться и вытолкнуть из себя эту жуткую боль, оставляя её «на потом», когда буду совсем одна, и, закрывшись «в своём углу», смогу дать волю горьким и очень тяжёлым слезам... А ещё я очень боялась, что незнакомец как-то почувствует моё «неприятие», и таким образом его освобождение потеряет ту важность и красоту победы над злом, во имя которой погибли мои друзья... Поэтому я постаралась из последних сил собраться и, как можно искреннее улыбаясь, ждала ответ на свой вопрос.
Мужчина печально осматривался вокруг, видимо не совсем понимая, что же здесь такое произошло, и что вообще происходило всё это время с ним самим...
– Ну и где же я?.. – охрипшим от волнения голосом, тихо спросил он. – Что это за место, такое ужасное? Это не похоже на то, что я помню... Кто вы?
– Мы – друзья. И вы совершенно правы – это не очень приятное место... А чуть дальше места вообще до дикости страшные. Здесь жил наш друг, он погиб...
– Мне жаль, малые. Как погиб ваш друг?
– Вы убили его, – грустно прошептала Стелла.
Я застыла, уставившись на свою подружку... Это говорила не та, хорошо знакомая мне, «солнечная» Стелла, которая «в обязательном порядке» всех жалела, и никогда бы не заставила никого страдать!.. Но, видимо, боль потери, как и у меня, вызвала у неё неосознанное чувство злости «на всех и вся», и малышка пока ещё не в состоянии была это в себе контролировать.
– Я?!.. – воскликнул незнакомец. – Но это не может быть правдой! Я никогда никого не убивал!..
Мы чувствовали, что он говорит чистую правду, и знали, что не имеем права перекладывать на него чужую вину. Поэтому, даже не сговариваясь, мы дружно заулыбались и тут же постарались быстренько объяснить, что же здесь такое по-настоящему произошло.
Человек долгое время находился в состоянии абсолютного шока... Видимо, всё услышанное звучало для него дико, и уж никак не совпадало с тем, каким он по-настоящему был, и как относился к такому жуткому, не помещающемуся в нормальные человеческие рамки, злу...
– Как же я смогу возместить всё это?!.. Ведь никак не смогу? И как же с этим жить?!.. – он схватился за голову... – Скольких я убил, скажите!.. Кто-нибудь может это сказать? А ваши друзья? Почему они пошли на такое? Ну, почему?!!!..
– Чтобы вы смогли жить, как должны... Как хотели... А не так, как хотелось кому-то... Чтобы убить Зло, которое убивало других. Потому, наверное... – грустно сказала Стелла.
– Простите меня, милые... Простите... Если сможете... – человек выглядел совершенно убитым, и меня вдруг «укололо» очень нехорошее предчувствие...
– Ну, уж нет! – возмущённо воскликнула я. – Теперь уж вы должны жить! Вы что, хотите всю их жертву свести на «нет»?! Даже и думать не смейте! Вы теперь вместо них будете делать добро! Так будет правильно. А «уходить» – это самое лёгкое. И у вас теперь нет больше такого права.
Незнакомец ошалело на меня уставился, видимо никак не ожидая такого бурного всплеска «праведного» возмущения. А потом грустно улыбнулся и тихо произнёс:
– Как же ты любила их!.. Кто ты, девочка?
У меня сильно запершило в горле и какое-то время я не могла выдавить ни слова. Было очень больно из-за такой тяжёлой потери, и, в то же время, было грустно за этого «неприкаянного» человека, которому будет ох как непросто с эдакой ношей существовать...
– Я – Светлана. А это – Стелла. Мы просто гуляем здесь. Навещаем друзей или помогаем кому-то, когда можем. Правда, друзей-то теперь уже не осталось...
– Прости меня, Светлана. Хотя наверняка это ничего не изменит, если я каждый раз буду у вас просить прощения... Случилось то, что случилось, и я не могу ничего изменить. Но я могу изменить то, что будет, правда ведь? – человек впился в меня своими синими, как небо, глазами и, улыбнувшись, горестной улыбкой, произнёс: – И ещё... Ты говоришь, я свободен в своём выборе?.. Но получается – не так уж и свободен, милая... Скорее уж это похоже на искупление вины... С чем я согласен, конечно же. Но это ведь ваш выбор, что я обязан жить за ваших друзей. Из-за того, что они отдали за меня жизнь.... Но я об этом не просил, правда ведь?.. Поэтому – это не мой выбор...
Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?
Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента - от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов - нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.
Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.
Первый искусственный
Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого??? - искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Легкие снаряды
Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.Следующий, 94-й элемент - плутоний - впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения - берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний - двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.
Тяжелые ионы
Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 - фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 - в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения - например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов - от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов - с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.
Всего три атома
118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) - 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 - единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, - вспоминает Кентон Муди. - Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».
Мафусаил номер 117
Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже - в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа - 14 миллисекунд, а более тяжелого - целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже - несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.
Долгая жизнь на острове стабильности
Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально - это 2, 8, 20 и 28.
Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически - правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева - минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.
Дубнинский метод
При попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.
«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, - объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. - Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой - кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов - сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку - ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов - удовольствие не из дешевых».
Последним из элементов, найденным в природе до того, как он был синтезирован искусственно, стал франций (1939 год). Первым синтезированным химическим элементом был технеций в 1937 году. По состоянию на 2012 год, синтезированы ядерным слиянием или распадом элементы до унуноктия с атомным номером 118, а также предпринимались попытки синтеза следующих сверхтяжёлых трансурановых элементов. Синтез новых трансактиноидов и суперактиноидов продолжается.
Наиболее известными лабораториями, синтезировавшими по несколько новых элементов и несколько десятков или сотен новых изотопов, являются Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли и Ливерморская национальная лаборатория в США, Объединённый институт ядерных исследований в СССР/России (Дубна), Европейский Центр по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца в Германии, Кавендишская лаборатория Кембриджского университета в Великобритании, Институт физико-химических исследований в Японии и другие последние десятилетия над синтезом элементов в американских, немецком и российском центрах работают международные коллективы.
- 1 Открытие синтезированных элементов по странам
- 1.1 СССР, Россия
- 1.2 США
- 1.3 Германия
- 1.4 Спорные приоритеты и совместные результаты
- 1.4.1 США и Италия
- 1.4.2 СССР и США
- 1.4.3 Россия и Германия
- 1.4.4 Россия и Япония
- 2 Примечания
- 3 Ссылки
Открытие синтезированных элементов по странам
СССР, Россия
В СССР и России были синтезированы элементы нобелий (102), флеровий (114), унунпентий (115), ливерморий (116), унунсептий (117), унуноктий (118).
США
В США были синтезированы элементы прометий (61), астат (85), нептуний (93), плутоний (94), америций (95), кюрий (96), берклий (97), калифорний (98), эйнштейний (99), фермий (100), менделевий (101), сиборгий (106).
Германия
В Германии были синтезированы элементы хассий (108), мейтнерий (109), дармштадтий (110), рентгений (111), коперниций (112).
Спорные приоритеты и совместные результаты
Для ряда элементов приоритет равноутверждён согласно решению совместной комиссии ИЮПАК и ИЮПАП или остаётся спорным:
США и Италия
Технеций (43) - в результате совместной работы получен на ускорителе в Беркли, Калифорния и химически идентифицирован в Палермо, Сицилия.
СССР и США
Лоуренсий (103), резерфордий (104), дубний (105).
Россия и Германия
Борий (107).
Россия и Япония
Унунтрий (113).
Примечания
- Emsley John. Nature"s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. - New. - New York, NY: Oxford University Press, 2011. - ISBN 978-0-19-960563-7.
- Институт в Дубне стал четвёртым в мире по количеству открытых изотопов
- Isotope ranking reveals leading labs англ.
- http://flerovlab.jinr.ru/rus/elements.html
- Временное название для 115-го элемента; предложено название ланжевений.
- Временное название для 117-го элемента;
- Временное название для 118-го элемента; предложено название московий.
- R. C. Barber et al. Discovery of the transfermium elements (англ.) // Pure and Applied Chemistry. - 1993. - Т. 65. - № 8. - С. 1757-1814.
- последнее время мне неоднократно приходилось писать о ситуации с попранием приоритета советских ученых в синтезе сверхтяжелых
- О защите приоритета
- Chemistry: Periodic Table: darmstadtium: historical information
- http://element114.narod.ru/Projects/ao-iupac.html
- О защите приоритета
- Временное название для 113-го элемента; предложены названия беккерелий, японий, рикений, нихоний.
