Текст книги "Как были открыты химические элементы"

Автор книги: Дмитрий Трифонов

Соавторы: Валерий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 22 страниц)

Деление урана, вызываемое нейтронами, было искусственным, вынужденным. Не каждый атом урана мог делиться. И не каждый нейтрон обладал способностью это деление вызывать. Когда ученые детальнее разобрались в механизме деления, выяснилось, что оно гораздо интенсивнее проходит под действием медленных нейтронов, притом на изотопе урана с массовым числом 235. Другой урановый изотоп – уран-238 – реагировал только на быстрые нейтроны. Нет ли в природе процесса, аналогичного искусственному делению урана? Таким вопросом задался Н. Бор и, размышляя далее, высказал гипотезу о возможности самопроизвольного деления урана (без внесения в ядро энергии извне).

Советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак решили экспериментально подтвердить гипотезу. Но как установить, что ядра урана действительно могут делиться сами по себе? Ведь случайные нейтроны космических лучей, залетевшие в лабораторию, могли исказить картину опытов. Вот почему в осеннюю полночь 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак спустились в вестибюль станции Московского метро «Динамо». Здесь на глубине нескольких десятков метров под землей не нужно было опасаться влияния космического излучения. В эту полночь ученые окончательно убедились в существовании нового вида радиоактивных превращений – спонтанного деления ядер (пока речь шла лишь о ядрах изотопа урана-238). Потом удалось установить, что многие изотопы тяжелых элементов (тория и в особенности трансурановых) подвержены этому виду радиоактивного распада. В настоящее время известно около сотни самопроизвольно делящихся ядер, принадлежащих различным элементам. Механизм спонтанного деления аналогичен делению под действием нейтронов.

Теперь у нас с вами есть все необходимые сведения, чтобы приступить к рассказу об открытиях отдельных трансурановых элементов, ибо как раз в этой области порядковых номеров спонтанное деление играет весьма существенную роль.

Сорок лет насчитывает история трансурановых элементов, и за этот, по современным меркам, довольно продолжительный исторический период ученым удалось сделать пятнадцать шагов за уран: от элемента 93 до 107. Если построить график: на оси абсцисс отложить по порядку номера элементов от 1 до 92, а по оси ординат – годы, то полученная кривая будет напоминать сейсмограмму, характеризующую сильное землетрясение. Аналогичный график для трансурановых элементов – это сравнительно плавно поднимающаяся вверх линия, на которой четко выделяются отдельные пики. Хронологическая последовательность синтезов трансурановых элементов строго отвечала (за одним исключением) увеличению порядкового номера нового элемента каждый раз на единицу.

В истории синтезов можно видеть взлеты и падения. Первый взлет приходится на 1940–1945 гг., когда было открыто четыре синтезированных элемента: нептуний (Z=93), плутоний (Z=94), америций (Аm=95), кюрий (Cm = 96). Затем подъем кривой сменяется плавным участком (до 1949 г. новых синтезов не произошло). Далее можно наблюдать второй взлет – 1949–1952 гг. Еще четыре трансурановых элемента: берклий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99) и фермий (Z=100) – оставили свои символы в периодической системе. Третий, единичный взлет соответствует синтезу менделевия (Z=101) в 1955 г., когда история синтеза трансурановых элементов отметила пятнадцатилетний юбилей. В последующую четверть века синтезов было значительно меньше: верхняя граница периодической системы отодвинулась всего на шесть порядковых номеров. Здесь ученые вступили в совершенно новую область синтезов, поэтому прежние критерии, которыми оценивались открытия элементов, во многом оказались иными.

Все эти взлеты и падения отнюдь не обусловлены случайностями, все они результат обстоятельств, вполне закономерных. Они становятся понятными, если передвигаться по шкале синтезов трансурановых элементов от нептуния и далее.

НЕПТУНИЙ

Э. Ферми, конечно, никогда не преподносил итальянской королеве флакончик, содержащий соли первого трансуранового элемента. Это не более чем досужая выдумка журналистов. Но то, что Э. Ферми действительно держал в руках элемент № 93, правда, которая в то время не могла быть доказана. Урановая мишень в его опытах состояла из смеси изотопов – урана-238 и урана-235. Второй из них делился под действием медленных нейтронов, образовались осколки – элементы середины периодической системы. Они чрезвычайно запутывали химическую картину, в чем удалось разобраться только после открытия деления.

Но уран-238 поглощал нейтрон, превращаясь в уран-239, новый изотоп девяносто второго элемента. β-Активный ²³⁹U рождал изотоп первого трансуранового элемента с порядковым номером 93. Все было так, как и предполагали Э. Ферми с коллегами. Но следы будущего нептуния невозможно было различить на фоне множества осколков деления. Потому-то опыты середины 30-х годов закончились безрезультатно.

Открытие О. Гана и Ф. Штрассманна явилось решающим стимулом для действительного синтеза трансурановых элементов. Для начала нужно было найти надежный способ уловить атомы элемента № 93 в мешанине осколков деления. Сравнительно небольшие по массе, эти осколки в процессе бомбардировки урана должны были отлетать на большие расстояния (иметь бóльшую длину пробега), чем массивные атомы девяносто третьего.

Так рассуждал американский физик Е. Макмиллан, сотрудник Калифорнийского университета. Еще весной 1939 г. он стал исследовать распределение осколков деления урана по длине пробегов. Ему удалось выделить порцию таких осколков, чья длина пробега была очень малой. И в этой самой порции он обнаружил следы радиоактивного вещества с периодом полураспада 2,3 дня и высокой интенсивностью излучения. Другие порции осколков подобной активности не содержали. Это вещество «X», показал Е. Макмиллан, является продуктом распада изотопа урана, также содержащегося в выделенной порции короткопробежных осколков. Так ученый записал цепочку, которая в свое время виделась Э. Ферми:

Только теперь поиски вели уже не вслепую. Чтобы окончательно доказать образование нового элемента, требовалось вмешательство химии. На летние каникулы к Е. Макмиллану приехал его приятель, химик П. Абельсон, что и сыграло решающую роль в открытии элемента № 93. Совместными усилиями Е. Макмиллан и П. Абельсон установили химическую природу вещества с периодом полураспада 2,3 дня. Вещество можно было химическим путем отделить от урана и тория, хотя кое в чем наблюдалось и сходство. Зато никакой общности не было между этим веществом и рением. Так окончательно рухнуло предположение о том, что элемент № 93 должен быть экарением.

В начале 1940 г. в журнале «Physical Review» появилось сообщение о действительном открытии девяносто третьего элемента. Ему было дано имя «нептуний», по названию планеты, следующей в солнечной системе за Ураном (тем самым подчеркивалось и некоторое сходство нептуния с ураном).

Уже при синтезе нептуния проявилось существенное обстоятельство, которое характерно для открытия всех трансурановых (да и других синтезированных элементов). Первоначально был синтезирован один изотоп, с определенным массовым числом. Для нептуния это был изотоп ²³⁹Np. С той поры стало правилом датировать открытие нового трансуранового элемента по времени достоверного синтеза первого его изотопа. Но иногда этот изотоп оказывался таким короткоживущим, что его трудно было использовать для химических и физических исследований, не говоря уже о каком-либо практическом применении. Для изучения нового элемента лучше всего подходил бы его самый долгоживущий изотоп. В случае нептуния таким стал ²³⁷Np, синтезированный в 1942 г.:

Он имеет период полураспада 2,2∙10⁶ лет. Однако получение его сопряжено с большими техническими трудностями. И потому все начальные работы по изучению свойств нептуния были выполнены на третьем его изотопе ²³⁸Np, его синтезировали по ядерной реакции . Поэтому для истории трансурановых элементов важна и дата синтеза наиболее доступного для исследований изотопа, который далеко не всегда является самым долгоживущим.

Начиная с нептуния, первенство в открытии трансурановых элементов долгое время принадлежало американским ученым. Это легко понять, поскольку тяготы второй мировой войны мало сказались на США. Нужно, правда, подчеркнуть, что в 1942 г. элемент № 93 был независимо синтезирован немецким физиком К. Штарке.

В весовых количествах (несколько микрограммов) нептуний был выделен в 1944 г. Теперь его получают десятками килограммов в ядерных реакторах.

Тринадцать изотопов нептуния известно в настоящее время. Один из них (²³⁷Np) был обнаружен в 1952 г. в природе. Это еще один случай существования в природе синтезированного элемента и повод рассматривать для нептуния две самостоятельные даты открытия (так же как для Тс, Pm, At и Fr).

ПЛУТОНИЙ

Выделенный Е. Макмилланом и П. Абельсоном нептуний-239 был β-активным. Он закономерно должен был превращаться в изотоп следующего, девяносто четвертого элемента. Эти ученые, конечно, хотели стать авторами и его открытия, но их мечта не сбылась. Как выяснилось позже, предполагаемый элемент № 94 с массовым числом 239 имеет большой период полураспада, интенсивность его излучения низка. Открыватели нептуния зафиксировали лишь испускание α-частиц неизвестного происхождения (потом выяснилось, что их-то и испускает элемент № 94), и на этом всякие поиски прекратились.

Работы по его синтезу возглавил знаменитый американский ученый Г. Сиборг, под руководством которого было открыто много трансурановых элементов. В течение зимы 1940–1941 гг. группа Г. Сиборга изучала ядерную реакцию ²³⁸U (d, 2n), которая приводила к образованию изотопа ²³⁸Np. Со временем в нем накапливалось α-активное вещество. Ученые смогли его выделить и убедиться, что оно является изотопом элемента № 94 с массовым числом 238 и периодом полураспада около 50 лет. Новый элемент получил название «плутоний», по имени очередной планеты солнечной системы.

^{Г. Сиборг}

И опять это был не самый долгоживущий изотоп. Его (массовое число 244 и Т_½= 8,3∙10⁷ лет) удалось обнаружить только в 1952 г. Определяющую роль в истории изучения плутония сыграл изотоп ²³⁹Pu, синтезированный весной 1941 г. Во-первых, он оказался долгоживущим (T_½=24 360 лет), во-вторых, под действием медленных нейтронов ²³⁹Pu делился гораздо более интенсивно, чем ²³⁵U. Это решающим образом повлияло на его использование для создания ядерного оружия. Поэтому химические и физические свойства элемента стали исследовать с особым вниманием и тщательностью. В итоге плутоний оказался одним из самых изученных элементов периодической системы. Кроме того, плутоний-239 ученые могли использовать в качестве мишени для синтеза следующих трансуранов. Обо всем этом стало широко известно лишь в конце 40-х годов, когда многие работы по овладению ядерной энергией были рассекречены. Вот еще один своеобразный штрих в истории элементов, когда их открытие до поры до времени оставалось тайной.

Интерес к плутонию был настолько велик, что уже в августе 1942 г. удалось приготовить его весовые количества (первый случай в истории синтезированных элементов). В наши дни плутоний получают в гораздо бóльших масштабах, чем многие из стабильных элементов, содержащихся в земной коре. А всего известно 17 изотопов девяносто четвертого элемента.

Подобно нептунию, плутоний (его изотоп ²³⁹Pu) удалось найти в урановых минералах, конечно же, в символических количествах. Он образуется в уране под действием природных нейтронов. Тем самым плутоний как бы является естественной верхней границей периодической системы, и также правомерно говорить о двух датах его открытия.

АМЕРИЦИЙ И КЮРИЙ

Пожалуй, это был единственный в истории трансуранов случай, когда элемент с бóльшим порядковым номером (Z=96) удалось идентифицировать раньше его предшественника (Z=95). В июле 1944 г. циклотрон Калифорнийского университета, уже подаривший миру несколько синтезированных элементов, в том числе плутоний, нацелился на синтез очередных элементов тяжелее урана. Г. Сиборг и его коллеги облучали мишень из плутония-239 ускоренными α-частицами. Легко сообразить, что поскольку ядро гелия имеет заряд, равный двум, то продукт реакции мог быть изотопом элемента № 96. Это в том случае, если бы из образующихся ядер вылетали нейтроны. Но процесс мог пойти и так, что вылетали бы не нейтроны, а протоны, и тем самым происходил синтез изотопов элемента № 95. Действительно, в плутониевой мишени образовались различные радиоактивные вещества, и сначала было трудно определить, «кто есть кто». Только искусные химические операции позволили сделать вывод, что в смеси наверняка содержится изотоп ²⁴²96. Для подтверждения открытия ученые тот же изотоп ²³⁹Pu облучили мощным потоком нейтронов, в результате чего выстроилась такая цепочка:

После поглощения нейтронов плутоний путем β-распада превращался в элемент № 95, а тот, поглотив еще нейтрон, – в элемент № 96.

Так вот этот конечный продукт был аналогичен тому, который ученые приняли за изотоп элемента № 96 с массовым числом 242. Это и означало открытие кюрия (Z=96), который получил свое имя в честь М. и П. Кюри. В выборе этого названия был и другой резон. Элемент № 96 в таблице Д. И. Менделеева рассматривался как аналог элемента гадолиния из редкоземельного семейства, истории которого положил начало Ю. Гадолин; супруги же Кюри были пионерами изучения радиоактивности, что привело к столь удивительным последствиям.

Дата рождения элемента № 95 – январь 1945 г., и он был выделен из плутония, облученного нейтронами. Название элементу дано в честь Америки (и по сходству америция с европием из семейства редких земель).

Хотя перед синтезом америция и кюрия ученые накопили уже достаточный опыт исследования, в данном случае трудности оказались гораздо существеннее. Потребовалось много времени, чтобы доказать определенно, «кто же есть кто»: ²⁴¹Am и ²⁴²Cm. Оба этих изотопа не являются самыми долгоживущими. Такими оказались ²⁴³Am (T_½=7950 лет) и ²⁴⁷Cm(1,64∙10⁷ лет), но их удалось синтезировать только в 50-х годах. Всего же известно 11 изотопов америция и 13 изотопов кюрия. Вот еще несколько дат из истории этих элементов. В чистом виде америций был выделен в 1945 г., а в виде металла приготовлен в 1951 г. В том же году появилось сообщение о получении металлического кюрия.

Кюрием заканчивается первый взлет в истории синтеза трансуранов. Для науки открытие нептуния, плутония, америция и кюрия имело огромное значение. Впервые ученым удалось искусственно расширить таблицу Д. И. Менделеева. Выяснилось, что свойства этих элементов совсем не такие, как ожидалось раньше, и химикам пришлось серьезно задуматься, как же их наилучшим образом разместить в периодической системе.

БЕРКЛИЙ

Синтезу америция и кюрия помог плутоний-239. Его быстро научились приготовлять в больших количествах, а потому изготовление плутониевых мишений не составляет проблемы. Чтобы двигаться дальше, нужно было научиться синтезировать америций и кюрий в достаточных количествах. На это ушли годы. Но не только данное обстоятельство мешало синтезу новых трансурановых элементов. На бумаге запись ядерной реакции выглядит до удивления простой, но только специалист может понять и оценить, какие огромные трудности стоят за этим. Требовалось не только до деталей обдумать эксперимент, выяснить наиболее оптимальные условия протекания ядерных реакций. Был необходим и тщательный теоретический расчет, чтобы предсказать виды радиоактивных превращений синтезированных изотопов и вероятные продолжительности их жизни. Ведь в распоряжении ядерных физиков не было такой замечательной классификации, как периодическая система элементов у химиков. Плавный участок на кривой открытий трансурановых элементов растянулся на 5 лет. И еще одно обстоятельство должно быть упомянуто. Активность америция и кюрия настолько высока, что работать с ними в открытую смертельно опасно. Пришлось соответствующим образом оборудовать лаборатории, которые получили название горячих.

В конце 1949 г. группа Г. Сиборга сумела изготовить америциевую мишень и облучить ее α-частицами. Ядерная реакция протекала так, как предварительно рассчитали теоретики: ²⁴¹Am(α, 2n)²⁴³97. Для нового элемента предложили название берклий (символ Bk) в честь города Беркли и вследствие химической аналогии элемента № 97 с редкоземельным элементом тербием (вспомните деревушку Иттербю, давшую жизнь названиям нескольких редких земель). Среди девяти известных ныне изотопов самым долгоживущим является ²⁴⁷Bk (период полураспада 1380 лет), синтезированный в 1956 г. Два года спустя элемент накопили в весовых количествах, а в 1971 г. ученые выделили металлический берклий. Сколь трудно осуществить накопление берклия, говорят следующие цифры: 8 г ²³⁹Pu в течение 5 лет облучались нейтронами в ядер-ном реакторе, а итогом было лишь несколько микрограммов элемента № 97. Чем дальше пробирались исследователи в трансурановую область, тем с меньшими количествами новых элементов им приходилось иметь дело.

КАЛИФОРНИЙ

После берклия элемент № 98 Г. Сиборг и его сотрудники синтезировали очень быстро. В январе–феврале 1950 г. они провели рассчитанную ядерную реакцию: ²⁴²Cm(α, n)²⁴⁵98, назвав новый элемент в честь штата Калифорния и Калифорнийского университета, а еще и потому, что элемент № 98 являлся аналогом редкоземельного диспрозия (труднодоступного): в прошлом веке было так же трудно добраться до Калифорнии, как выделить диспрозий из смеси редких земель. Из четырнадцати известных ныне изотопов калифорний-245 был не самым долгоживущим. Наибольший период полураспада (900 лет) имеет калифорний-251, синтезированный в 1954 г. Весовые количества этого элемента ученые выделили в 1958 г., а металлический калифорний стал реальностью в 1971 г.

ЭЙНШТЕЙНИЙ И ФЕРМИЙ

Синтезировав калифорний, американские ученые (да и их коллеги в других странах) серьезно задумались, как же двигаться дальше. Реально ли в обозримом будущем ставить задачу прорыва в еще более далекую область неизвестных трансурановых элементов?

В самом деле, не было видно реальных путей накопления достаточных для изготовления мишеней количеств берклия и калифорния, чтобы, обстреляв их α-частицами, синтезировать девяносто девятый и сотый элементы. Препятствием этому были слишком малые периоды полураспада берклия и калифорния, измерявшиеся часами и минутами (долгоживущих изотопов ученые еще не знали). Предполагался лишь один более или менее реальный путь: длительное облучение плутония интенсивным источником нейтронов, но ждать результатов пришлось бы долгие годы.

Конечно, было бы желательно получить такой мощный поток нейтронов, который сразу бы помог решить проблему. Так уран либо плутоний, захватив большое число нейтронов за короткий промежуток времени, превратились бы в очень тяжелые изотопы, например:

или

Давно было известно, что ядра избавляются от избытка нейтронов в результате превращения их в протоны, т. е. путем β-распада. Эти цепочки последовательных β-превращений могут оказаться настолько длинными, что дотянутся до образования изотопов 99-го и 100-го элементов.

Расчеты же показывали, что мощности нейтронных потоков в ядерных реакторах являются слишком слабыми, чтобы осуществить идею на практике. Кроме того, теоретики видели беду и в предполагаемых малых продолжительностях жизни изотопов элементов № 99 и № 100.

1 ноября 1952 г. американцы произвели взрыв термоядерного устройства на атолле Эниветок в Тихом океане. Несколько сотен килограммов почвы на месте взрыва (получившей кодовое название «дорогостоящая грязь») были собраны со всеми предосторожностями и отправлены в США. Группы исследователей во главе с Г. Сиборгом и А. Гиорсо произвели тщательное изучение этого радиоактивного пепла. В нем было обнаружено много различных радиоактивных изотопов трансурановых элементов, и в том числе два изотопа, которые могли быть не чем иным, как изотопами 99-го или 100-го элементов.

В ходе термоядерного взрыва мощность нейтронных потоков оказалась гораздо выше, чем предполагалось. Благодаря этому и реализовались процессы захвата нейтронов ураном, представленные выше. Изотопы ²⁵³U и ²⁵⁵U, испустив соответственно одну за другой 7 и 8 β-частиц, превратились в изотопы элементов девяносто девятого (²⁵³99) и сотого (²⁵⁵100). Их периоды полураспада оказались малыми, но вполне приемлемыми, однако, для исследований (20 дней и 22 ч).

Новые элементы получили названия «эйнштейний» (в честь А. Эйнштейна) и фермий (в честь Э. Ферми). Их долгоживущие изотопы ²⁵⁴Es (T_½=270 дней) и ²⁵²Fm (T_½=80 дней) были синтезированы значительно позже в лабораториях.

Таким образом, эйнштейний и фермий были открыты, если можно так выразиться, незапланированно.

Сакраментальный вопрос: «А что же дальше» – вставал с новой остротой. Уже было совершенно ясно, что, чем больше Z, тем меньше времена жизни изотопов. Предполагалось, что для элементов с Z>100 счет должен был вестись уже на секунды. Вопрос о накоплении таких изотопов в сколь-либо приемлемых количествах не имел смысла. До сих пор химическая идентификация новых трансурановых элементов проводилась с помощью метода ионообменной хроматографии, путем установления их аналогии с соответствующими представителями редкоземельного семейства. Но слишком короткоживущие изотопы распадутся раньше, чем успеют выйти из хроматографической колонки, и тем самым исказят действительную химическую картину.

Природа, казалось, поставила перед учеными непреодолимый барьер, не давая им надежды проникнуть в область элементов второй сотни.