Текст книги "Превращение элементов"

Автор книги: Борис Казаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 15 страниц)

С головы на ноги (или наоборот) перевернулась мечта алхимиков. Они стремились получить золото из других, неблагородных, металлов. Современные же алхимики использовали золото как сырьевой материал для получения элементов, дотоле неизвестных. Возможно, что средневековые алхимики сочли бы такую работу противной воле Творца, форменным кощунством, но современная наука считает её своим великолепным достижением.

Заурановый мир

Открытие элементов, находящихся за пределами существовавшей тогда таблицы периодической системы, началось, как уже упоминалось, раньше, нежели были заполнены её пробелы. Честь открытия первого зауранового элемента принадлежит Э.Макмиллану.

Сейчас даже трудно поверить в то, что послужила ему в этом всего лишь книжечка из папиросной бумаги.

На первый её листок учёный нанёс слои окиси урана, а затем использовал её в качестве мишени в циклотроне. После обстрела нейтронами Макмиллан извлёк книжечку из установки и с помощью счётчика Гейгера стал измерять радиоактивность каждого её листика. Нужные данные были получены, но выявились и некоторые побочные результаты, значительно более важные, нежели те, ради которых был поставлен эксперимент.

Главным было то, что первый листок бумаги содержал какое-то вещество, имевшее совершенно непохожий (по сравнению с другими листиками) период полураспада. Если бы это было более лёгкое вещество, то ничто не мешало бы ему пройти через толщу листка с остальными продуктами. Наблюдалась радиоактивность, с которой Макмиллан ранее не встречался. Прежде всего это было бета-излучение, приводившее к повышению заряда ядра, а стало быть, к появлению нового, более тяжёлого элемента.

В это время к Макмиллану приехал на летние каникулы старый его друг Ф.Абельсон, здесь он намеревался отдохнуть, но вместо отдыха получил напряжённую, изнурительную работу по изучению химических свойств нового радиоактивного вещества. Это и был 93-й элемент, который они без долгих размышлений нарекли нептунием, в честь планеты Нептун. Их ожидал сюрприз. Согласно периодической системе новый элемент – это экарений. Два друга стали искать у него свойства, подтверждающие это, и не нашли. Нашли они другое: свойства нового элемента лишь незначительно отличались от свойств «родителя» – урана.

Абельсон вернулся на место своей постоянной работы, а Макмиллан продолжал эксперименты, надеясь открыть и следующий, 94-й элемент. Надежда была вполне обоснованной: нептуний радиоактивен, он выбрасывает электроны, следовательно, заряд ядра его должен повыситься. Поиски, начатые Макмилланом, продолжила группа американских учёных, возглавленная Гленном Сиборгом.

После того как выяснилось, что в урановом реакторе накапливается плутоний-239, способный к делению так же, как уран-235, возникла проблема отделения этого нового элемента; естественно, прежде чем что-либо можно было придумать для этого, следовало узнать, что он собой представляет, какими химическими и физическими свойствами обладает. Но как изучать, если весь запас плутония умещался на острие иглы? В ультрамикровесах, которыми пользовались тогда химики, для поддержки коромысла и чашек использовались кварцевые нити тоньше человеческого волоса, и взвешивались на них количества порядка трёх тысячных миллиграмма. Недаром, пожалуй, химики шутили тогда, что им приходится взвешивать невидимые образцы на невидимых весах.

С химической точки зрения плутоний оказался интересным элементом, так как его соли в растворе изменяли окраску в зависимости от валентного состояния, как это бывает у марганца или хрома. Но ни с марганцем, ни с хромом его ничто не связывало, он был похож опять-таки на уран.

По сходству этих элементов с ураном их стали называть уранидами, но связь их между собой оставалась для учёных непонятной. И Сиборг предположил, что не уран, а актиний является родоначальником группы схожих элементов, подобно тому как это наблюдается у группы редкоземельных – лантаноидов. С принятием этой гипотезы всё становилось на место, и после ряда неудач открылась возможность синтезировать следующие элементы – 95-й и 96-й. Достигли этого сравнительно быстро. 95-й элемент обнаружили, когда обстреляли плутониевую мишень нейтронами, а 96-й – альфа-частицами.

Словом, все эти новые элементы по названию составляют своеобразный параллельный ряд группе редкоземельных элементов. Даже между диспрозием и калифорнием в этом смысле есть та же параллель. Диспрозий значит труднодоступный, а калифорний – производное от штата Калифорния, крайнего Запада Америки, заселение которого было, как считается, очень трудным. Синтеза калифорния ждали целых пять лет по той причине, что слишком мало было исходного материала – элементов америция и кюрия. Открыли калифорний в 1950 г., а первое поддающееся взвешиванию количество (порядка трёх стотысячных миллиграмма) было получено лишь в 1958 г. Синтез дальнейших элементов таким образом упёрся в отсутствие исходных материалов. Однако пример плутония, который был получен в урановых реакторах в количествах, достаточных для того, чтобы совершить акт изуверства над населением города Нагасаки, наводил на мысль о том, что возможно для синтеза более тяжёлых элементов найдутся другие пути.

Под кодовым названием «Операция Майк» было проведено испытание термоядерного устройства в 1952 г.

В радиоактивное облако, взметнувшееся над океанским простором, были направлены беспилотные самолёты, управляемые по радио. В специальных бумажных фильтрах они доставили всё, что удалось собрать в атмосфере вблизи взрыва. Эта операция получила название «дорогостоящая грязь».

Разделение захваченного материала на ионообменной колонке сразу показало, что он содержит ещё неизвестные тяжёлые элементы. Выяснилось, что при многомиллионноградусной температуре, развивающейся в момент взрыва, ядро урана способно захватить до 17 нейтронов и увеличить свою массу до 255. Этот чрезвычайно тяжёлый изотоп немедленно распадается с образованием заурановых элементов от № 93 до № 100. Чтобы получить сколь-нибудь заметные количества 99-го и 100-го элементов, названных эйнштейнием и фермием, пришлось переработать тонны кораллов, собранных на месте взрыва.

Таково было первое знакомство с новыми элементами, а потом их научились получать в атомном реакторе. Для этого стали изготовлять образцы из плутониевого сплава в виде салфеточных колец и помещать в реактор, предварительно окружая их алюминиевыми чехлами (для постоянного охлаждения). Часть плутония поглощала нейтроны, превращаясь (после бета-излучения) в америций, который выбрасывал электрон и становился кюрием; кюрий в свою очередь поглощал нейтроны, после чего через бета-излучение становился эйнштейнием и т. д. Это принцип так называемой горячей лаборатории.

Массовое производство искусственных тяжёлых элементов началось с 1956 г.; облучение колец нейтронами велось в течение двух лет, и стоимость их была в тысячи раз выше, чем стоимость такого же количества золота.

Располагая опредёленным количеством эйнштейния, учёные могли уже задуматься и над способом получения (точнее, «сотворения») элемента № 101. В самой реакции его образования сложности не было: эйнштейний нужно было подвергнуть бомбардировке альфа-частицами. Трудность была в техническом исполнении эксперимента – в том, чтобы успеть уловить сигналы нового элемента, если он, конечно, синтезируется. Схема эксперимента рисовалась такой. В циклотрон нужно поставить в качестве мишени кусочек золотой фольги с нанесённым на задней поверхности тончайшим слоем эйнштейния. Позади мишени ещё один кусочек такой же фольги. Её назначение – быть сборником-ловушкой тех немногих атомов нового элемента, которые будут выбиты из мишени. Большой стеклянный бак на роликовых катках, заполненный водой, отделял помещение, где был циклотрон, от исследователей.

Чтобы во время операции не было никаких задержек, провели репетицию. И вот началась сама операция. Как только выключили установку, закончив облучение мишени, двое физиков немедленно откатили «водяную дверь» и ворвались в помещение. Один из них вынул из мишени держатель, второй снял ловушку, запихнул её в пробирку и помчался по коридорам и лестницам в комнату временной лаборатории. Там уже был наготове химик, сразу же приступивший к растворению золота в пробирке. Первый физик к тому времени уже сидел в готовой сорваться с места автомашине и, как только к нему подбежал второй с драгоценным раствором, помчался на холм, где была расположена за милю от циклотрона (ближе было нельзя из-за опасности искажения результатов испытания) радиационная лаборатория. Было высчитано, что период полураспада нового элемента всего лишь полчаса, за это время нужно было успеть зарегистрировать излучение элемента, которого, по всей вероятности, было всего лишь несколько атомов.

В радиационной лаборатории всё было наготове, раствор немедленно был пропущен через ионообменную колонку, отделявшую золото (как ненужный отброс!), затем через вторую – для задержания любых других элементов. Драгоценные капли раствора падали на платиновую пластинку и тут же высушивались с помощью нагревательной лампы. После всего этого пластинка с высохшими на ней каплями была помещена в радиационные счётчики. Удержать новый элемент не представлялось возможным, но при распаде его атомов регистрировались характерные импульсы.

Драматическим событием ознаменовалась одна из попыток синтезировать 102-й элемент. В Беркли у физиков вдруг вырвало окно в циклотроне, и в экспериментальную комнату полетели кусочки кюриевой мишени, испускающие опаснейшее для людей излучение. Лишь через три недели после интенсивнейшей и тщательной дезактивации здания появилась возможность возобновить работы. Взрыв в циклотроне случился уже после того, как объявлено было о создании 102-го; объявлено, но не общепризнано.

Трудности продвижения в заурановый мир всё возрастали. Главной была короткоживучесть создаваемых элементов и их исходных материалов. Становилось ясным, что прежний путь использования мишеней из элементов, ближайших по заряду ядра к тому элементу, какой намереваются получить, малоперспективен. Выход виделся единственный: обстреливать не короткоживущие элементы, а более стабильные, но не нейтронами или альфа-частицами, а снарядами более крупными – многозарядными ионами. Для такого решения задачи требовалось создание совершенно новых, значительно более мощных ускорителей.

Летом 1957 г. интернациональная группа учёных в Нобелевском физическом институте Стокгольма произвела обстрел ионами углерода-13 мишени из изотопов кюрия. Эксперимент был очень сложный, но, как казалось, удачный. В небе над зданием газеты «Нью-Йорк таймc» поздней ночью вспыхнули гигантские пляшущие буквы: «Открыт элемент 102! Он назван нобелием!»

Когда же эксперимент стокгольмской группы был повторен физиками Института атомной энергии имени Курчатова в Москве и радиационной лаборатории в Беркли, то выяснилось, что концы с концами не сходятся. Явно не совпадал и сильно различался период полураспада новообразованного элемента. Да и у стокгольмских физиков зарегистрированный полураспад составлял 10 минут, а по их же расчёту он не должен был превышать 10 секунд.

Взрыв циклотрона в Беркли уничтожил запас ценнейшего исходного материала для синтеза и нанёс сильнейший психологический удар исследователям. Лишь через несколько лет учёные в Беркли, разработав самые тщательные меры предосторожности, решились продолжать эксперименты. Препятствия возникали на каждом шагу. Учёные «прошли пока мимо» злополучного 102-го и сделали попытку синтезировать 103-й элемент.

Весной 1961 г. они обстреляли калифорний ионами бора и зарегистрировали рождение элемента, который нарекли лоуренсием. Он имел период полураспада всего 8 секунд.

В таблице элементов вновь образовался пробел, но уже в заурановой её части. Физики довольно зло шутили, что от нобелия осталось только «но», что по-английски означает «нет».

В конечном итоге после долгих и трудных экспериментов усилиями советских физиков, с одной стороны, и американских – с другой, синтез 102-го элемента был осуществлён, и все неясности, сбивавшие до этого с толку, разрешились.

Группу актиноидов, по расчётам физиков, должен был завершить 103-й элемент. Его назвали лоуренсием. На очереди стал вопрос о дальнейшем продвижении, о 104-м элементе, по поводу которого Глен Сиборг, глава американских физиков-заурановиков, сказал, что он «может быть, окажется наиболее интересным из трансурановых элементов». Где найдётся ему место в таблице, каковы будут химические свойства – этого учёные ещё не представляли себе. Он мог принести много неожиданностей и потому, конечно, стал элементом «таинственным и манящим».

Триумф советских физиков

Под руководством Г.Н.Флерова в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне за получение элемента № 104 взялась группа энергичных, настойчивых, инициативных и молодых учёных, среди которых были и физики, и механики, и представители других профессий. Путь их был неимоверно тяжёл, можно сказать, что это была добровольная каторга. Работы проводились на большом циклотроне, который за свои внушительные размеры был прозван одним из гостей «циклотропом».

Руководящих исходных данных для поисков почти не было. Существовала лишь одна гипотеза шведского учёного Юханнесена о том, что время жизни элемента № 104 должно составлять всего лишь 0,014 секунды.

Неуловимый миг, который, казалось, зафиксировать просто невозможно. Сама гипотеза не располагала к тому, чтобы полностью на неё положиться, но другой не было, и Флеров решил ею руководствоваться.

Легче всего получить новый элемент традиционным путём обстрела самого близкого по периодической системе соседа с несколько меньшим зарядом. Однако соседи в данном случае и сами появлялись на свет на такое короткое время и в таком малом количестве, что о традиционном методе и думать было нечего. Снова обратились к не раз уже выручавшему плутонию, решив воздействовать на него ионами неона. Расчёты показывали, что после слияния ядер этих элементов образуется ядро элемента 104, которое, конечно, самопроизвольно распадётся так быстро, что о его кратковременном существовании можно будет судить только по осколкам. Для регистрации осколков против мишени была расположена движущаяся лента – сборник. Скорость движения ленты выбрали с таким расчётом, чтобы за время предполагаемого распада только что родившееся ядро успело подойти к фиксирующим его деление стеклянным детекторам и своими осколками «процарапать» стекло, т. е., как говорят физики, оставить следы, треки, а потом эти следы надо найти, рассмотреть и изучить. Пойди, однако, найди их, если они короче длины световой волны! В электронный микроскоп такой след можно увидеть, но чтобы найти его, потребуются годы – ведь поле зрения у электронного микроскопа очень и очень мало. Совсем не радужная картина. И тогда вспомнили о химической обработке стекла. После лёгкого травления стекла в плавиковой кислоте следы от осколков выявлялись в виде лунок, в тысячу раз больших, чем их первоначальная величина, – искать их уже легче. Но почему выбрали для этой цели стекло, неужели нет ничего получше? Достоинство стеклянных детекторов в том, что они фиксировали лишь крупные осколки, никакие другие частицы – протоны, нейтроны, альфа-частицы – следов не оставляли. Стекло для детекторов требовалось особо чистое. Малейшая примесь урана могла сразу испортить результаты эксперимента. Наиболее подходящим было признано фосфатное стекло, полированное до умопомрачительной чистоты.

После решения этой проблемы много хлопот доставила конструкция ленты-сборника. Собственно говоря, не столь конструкция, сколь её материал. Традиционное в таких случаях золото никак для такой цели не подходило – слишком мала была его прочность. Рассчитанная скорость движения ленты достигала 110 километров в час, и этого не выдерживала даже нержавеющая сталь. После долгих и мучительных поисков подобрали, наконец, сплав на никелевой основе. Эксперимент был начат, но его результаты сразу повергли исследователей в отчаяние. Стеклянные детекторы регистрировали осколки ядер 102-го, 100-го, 95-го и других элементов, только никак не 104-го. Невообразимый фон, хор, из которого выделить нужный голос просто невозможно. Строго говоря, появлению такого фона надо было бы тоже порадоваться – ведь это то самое открытие, которого обычно не ждут. Оно говорило о том, что реакция идёт не так просто, как предполагалось, она, как говорится, не однозначна, могут наряду с ней существовать и многочисленные побочные. Это явление требовало – пожалуй, ещё и сейчас требует – весьма детального изучения, между тем основная цель поиска – 104-й элемент. Есть от чего опустить руки, но этого не произошло. Пришлось мастерить масс-спектрограф, который по размерам занял одну четверть циклотрона. Трудность была преодолена с большой затратой умственной и физической энергии исследователей. Казалось бы, теперь дело пойдёт, но физиков подстерегали новые неожиданности. Соблазнительно сосредоточить на них внимание, но, к сожалению, такой возможности у нас нет, к тому же они уже описаны другими авторами.

Откуда же всё-таки появился такой невообразимый фон? Ведь расчёты показывали, что при слиянии ядер плутония и неона образуется ядро 104-го элемента с выбросом нескольких нейтронов. Всё дело в том, что расчёты исходили из одного характера реакции, реальная же реакция пошла по иному пути. В одном случае при таком слиянии образовывался 102-й элемент, альфа-частица и нейтрон, в другом – 103-й (лоуренсий), протоны и нейтроны. Были и другие варианты, совсем уж, казалось бы, невозможные – на стекле обнаруживали следы более лёгких элементов. Последнее обстоятельство сыграло с исследователями шутку, которая чуть не привела их к ложным результатам.

Когда после долгих бессонных ночей молодые физики отрегулировали установку и запустили её, то вся лаборатория смогла предаться ликованию: на стеклянных детекторах начали появляться следы от осколков новообразованного элемента. Их было немного, но они были! И всё соответствовало тому периоду распада, что был предсказан Юханнесеном, т. е. 0,014 секунды. Но радость оказалась слишком преждевременной. Контрольные опыты не подтвердили, что физики имели дело с 104-м элементом. Странности начались, когда вместо плутония взяли уран, заведомо зная, что ничего получиться не должно, а результат был тот же – следы на стекле, свидетельствующие о периоде распада в 0,014 секунды. Заменили теперь уран бором, и тот же эффект. Казалось, что природа просто издевается над расчётами физиков. От таких «успехов» можно было полностью растеряться, и сказать, что уныние не заглядывало в лабораторию, было бы преувеличением. В конце концов рядом тонко поставленных опытов удалось выяснить, что виновником неожиданного эффекта является изотоп америция с массовым числом 242.

Откуда он взялся? Впрочем, это не сложный вопрос. На него ответ нашли быстро.

Уже говорилось о многообразии ядерных реакций, которые имели место при обстреле плутония ионами неона. При этом выбрасывались нейтроны, которые в свою очередь могли проникать в другие ядра плутония, и происходило образование америция.

Обескураживало физиков не появление этого элемента, а столь неправдоподобно быстрый, не укладывающийся в рамки всех предшествующих расчётов его распад.

Оказывается, здесь пришлось столкнуться с явлением, которое было открыто Флеровым и Петржаком много лет назад, когда они – помните? – работали в служебном помещении станции метро «Динамо», т. е. с самопроизвольным делением ядер тяжёлых элементов. Тогда это был уран, теперь же – америций. Физики знали, что акт такого деления чрезвычайно редок. Для америция-242 это деление ранее не наблюдалось, и по сложным расчетам выходило, что оно может происходить один раз в 10¹⁴ лет. Невообразимая редкость и многократное повторение одного и того же периода жизни – 0,014 секунды.

Есть от чего сойти с ума! Дело дошло до того, что один из исследователей, представляясь, назвал себя вместо Анатолия Америцием. Член-корреспондент АН СССР Д.И.Блохинцев, ознакомившись с результатами работ, проведённых молодыми физиками, и с их «америциевым тупиком», был восхищён открытием нового явления, но сказал, что они «нашли негра с белой кожей».

Работа продолжалась – упорная, тяжёлая, изнурительная. Гипотеза Юханнесена оказалась ошибочной, а период деления америция-242 совершенно случайно совпал с тем, какой предсказал ученый для 104-го элемента. Это и было причиной ошибочных результатов. От гипотезы Юханнесена пришлось отказаться, а повторяющиеся 0,014 секунды твёрдо закрепить за одним из изотопов америция. Условия опыта были таковы, что у этого изотопа, при других условиях распадавшегося за несравнимо более длинный срок, образовывалось изомерное, возбуждённое ядро. Он просто не мог из-за этого жить дольше.

Нечто подобное открыл И.В.Курчатов без малого за 30 лет до эксперимента в Дубне. Мы говорим «нечто» потому, что в Дубне разница между метастабильным и возбуждённым состояниями ядра оказалась неправдоподобно большой, у Курчатова она была куда меньше.

Один из английских физиков охарактеризовал это открытие примерно следующим образом: по сравнению с аномалией америция, перспективы исследования которой даже трудно представить, новый 104-й элемент не что иное, как трофей, повешенный на стену. Но этот трофей по-прежнему не давался в руки.

Только в 1964 г. после долгих трудов, преждевременной радости и горьких разочарований, неоднократных остановок и отступлений рождение 104-го элемента было безоговорочно, вне всяких сомнений зарегистрировано. Его получили не 17, как предыдущего 103-го, а целых 150 атомов. Целое состояние! Весь мир узнал об этом с большим удовлетворением, и в адрес Флерова посыпались восхищённые письма с предложениями имён для новорождённого.

Но почти два года он оставался без имени; более того, в соответствующую клетку менделеевской таблицы его заносить не торопились. Флеров воздерживался от этого, ожидая, что скажут химики. Ведь 104-й, как предполагалось, должен сильно отличаться от других заурановых элементов; очевидно, он – экагафний, но это надо было доказать.

За изучение химических свойств 104-го взялся чехословацкий учёный Иво Звара, окончивший Московский государственный университет. Можно представить себе, к решению какой задачи он приступил. За пять часов работы ускорителя в лучшем случае удавалось наблюдать образование лишь одного атома 104-го элемента. И жизни ему было отпущено совсем ничтожный срок. Правда, не 0,014 секунды, но и не намного больше – 0,3 секунды. То, что Иво Звара справился с почти неразрешимой задачей, заставляет восхищаться мужеством, самоотверженностью, беспредельной преданностью учёных науке и уровнем технического обеспечения современного научного эксперимента.

Иво Звара создал своеобразную методику «мгновенной химии», которую отрабатывал в течение четырёх лет. Если 104-й – не актиноид и принадлежит к соседней группе, то у него должны быть существенные отличия в соединении с хлором. Хлориды всех актиноидов нелетучи, и их легко отделить на фильтре от хлоридов IV группы, которые летучи. В приборе Иво Звары атомы 104-го выбивались из мишени и попадали в трубки, по которым шёл газовый поток, где он и тормозился. Газ прежде всего был чистым азотом, но в него добавлялись летучие хлориды элементов аналогов – старый принцип, разработанный ещё Жолио-Кюри, но не в жидкой фазе, а в газовой. Редкие атомы 104-го, попадая в поток, немедленно образовывали хлорид и в виде такого соединения устремлялись к счётчику самопроизвольного деления ядер. Чтобы повысить летучесть хлоридов 104-го, которая всё же ниже, чем у его аналогов, опыты велись при температурах порядка 300-350°, что требовало большой надёжности и коррозионной стойкости аппаратуры. Побочно образовавшиеся хлориды актиноидов легко задерживались специальными фильтрами, а 104-й достигал «места своего назначения» за время менее 0,1 секунды и сигнализировал там о своём присутствии, не допуская сомнений в том, что он не что иное, как экагафний, со всеми химическими свойствами, присущими IV группе.

Эпопея 104-го элемента была завершена, и Г.Н.Флеров мог без всяких колебаний дать ему название. Он написал: курчатовий.