Элементы, полученные в ускорителях

В данном параграфе использован текст из книги К.Хоффмана "Можно ли сделать золото"

1. Элемент 101- менделевий. Чем более тяжелые трансурановые элементы мы получаем – тем в меньших количествах их удается получить. Сегодня количество плутония в мире исчисляется десятками и сотнями тонн, количество америция – единичными тоннами и сотнями килограммов, количество кюрия – килограммами и граммами, количество калифорния – долями грамма. При получении эйнштейния и фермия перешли уже на подсчет количества атомов: правда, пока еще их количество измерялось в виде «10 с какой-то степенью».

Открытие последних трех актиноидов - элементов 101, 102 и 103 - удалось совершить с 1955 по 1967 годы. Чтобы осуществить синтез 101-го элемента из эйнштейния, в США в 1955 году было использовано все имеющееся количество 99-го элемента: 10⁹ атомов - Около 10^{-13 г! Это количество было получено обстрелом плутония нейтронами в специально изготовленном испытательном реакторе. После бомбардировки мишени из эйнштейния альфа-частицами в 60-дюймовом циклотроне в Беркли смогли уловить всего 17 атомов нового 101-го элемента. Американские первооткрыватели дали этому элементу название менделевий в честь Д.И.Менделеева.}

Такое малое количество невозможно выявить никакими химическими способами. Обнаружить новый атом удается только по его распаду: то есть о существовании атома мы узнаем, когда он прекратит свое существование.

Трудность постановки эксперимента с несколькими атомами невообразимо велика. Однако их удалось обнаружить. Это было продемонстрировано всем окружающим весьма впечатляюще: каждый раз, когда был "пойман" атом менделевия, в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли раздавался пожарный сигнал. Американские ученые позволили себе такую шутку: счетчик они присоединили к пожарной сирене. Это продолжалось до тех пор, пока не вмешалась пожарная служба и запретила "хулиганство".

2. Реакции на тяжелых ионах. Менделевий является последним из элементов, полученных в реакциях на легких частицах. Для синтеза следующих элементов просто-напросто нет достаточного исходного материала. Все большие трудности создавало для ученых одно неприятное свойство трансуранов: их самопроизвольное деление и все уменьшающийся период полураспада. За то время, которое требовалось для получения в реакторе исходного элемента в весомых количествах, он успевал в значительной мере исчезнуть в результате начавшегося распада.

Прекрасным примером может служить фермий-257- наиболее тяжелый известный изотоп, который удалось получить. Период полураспада фермия-257 составляет 97 дней, что позволило считать его подходящим исходным веществом для получения трансфермиевых элементов. Однако при облучении в мощном реакторе из фермия-257 образуется только короткоживущий фермий-258, который самопроизвольно делится за считанные микросекунды. После этого малорадостного открытия надежда ступенчатого получения последующих трансуранов путем захвата нейтронов быстро исчезла.

Исследователи дошли до такой точки, когда для синтеза следующих трансуранов требовалось попросту придумать что-то новое.

Имелся лишь один выход. Нужно было использовать те трансураны, которые можно было добыть в больших количествах, прежде всего - это плутоний. Надеялись также получить в достаточных количествах кюрий и калифорний после многолетнего облучения в реакторе. Конечно, используя трансураны с меньшим зарядом ядра, необходимо было испытать более тяжелые снаряды. Нейтроны и альфа-частицы являлись уже недостаточно мощными. Подходящими по массе снарядами были ядра кислорода, азота, углерода, бора и неона, полученные с помощью новых ионных источников.

3. Элемент 102- жолиотий. До середины 1950-х годов американцы имели безусловную монополию в открытии новых элементов. Однако с момента основания Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в 1956 году, пальма первенства в исследовании в открытии новых трансурановых элементов перешла к советским ученым. С тех пор прогресс в этой специальной отрасли определяли советские исследователи под руководством физика Г. Н. Флёрова и его коллеги Ю. Ц. Оганесяна. ОИЯИ в Дубне стал одновременно символом социалистической научной интеграции.

             Со 102-го элемента начались конфликты. В Стокгольме в 1957 году подобрался коллектив из американских, английских и шведских физиков. Эта группа считала, что получила изотопы элемента 102, названного ими нобелием, в результате бомбардировки кюрия ядрами углерода. Несколько позже Георгий Николаевич Флёров – директор Лаборатории ядерных реакций в ОИЯИ объявил об удачном синтезе 102-го элемента, осуществленном на циклотроне Института атомной энергии в Москве, путем обстрела плутония-241 ядрами кислорода. Исследователи из Беркли не отставали и также сообщили об успешной идентификации 102-го элемента.

Однако все приведенные данные и факты противоречили друг другу. Поэтому американцы стали называть новый элемент не нобелием, a no believium, что в вольном переводе означает "не верю". Физики в Дубне в течение ряда лет систематически дорабатывали эти результаты с тем, чтобы разъяснить противоречия. Только в 1963 году им удалось получить однозначные доказательства. Флёров и его сотрудники смогли безупречно синтезировать 102-й элемент из урана и ионов неона:

 

²³⁸U + ²²Ne = ²⁵⁶Х + 4n

 

Советские ученые предложили назвать элемент жолиотием в честь Фредерика Жолио-Кюри.

В качестве арбитра в споре между советскими и западными учеными выступил Гленн Сиборг, лауреат Нобелевской премии и "крестный отец" чуть ли не всех заурановых элементов. Повторив шведский опыт, он подтвердил... советские данные об элементе 102.

Физикам пришлось выдумывать изощренные методы разделения, измерения и идентификации для того, чтобы вообще обнаружить новый элемент. Ведь он довольно быстро прощается с этим миром, обладая периодом полураспада всего лишь 8 секуннд.

4. Элемент 103 – резерфордий. Когда ученые из Беркли смогли располагать 3 мкг калифорния, конечно, в виде смеси различных изотопов, они решились на синтез следующего элемента - 103-го. Эти 3 мкг калифорния в течение трех лет бомбардировали в линейном ускорителе ядрами атома бора. Было мало надежды на благоприятный результат. Из 100 миллиардов ядер бора только одно могло проникнуть в ядро калифорния, однако ядро нового атома в 9% случаев должно было снова распасться в результате самопроизвольного деления. Американцы рассчитали, что из 100 000 слияний только одно должно было образовать ядро с 103 протонами - искомый элемент 103.

В 1961 году группа из Беркли сочла, наконец, что идентифицировала несколько атомов одного из изотопов 103-го элемента. Однако американцы не смогли даже сказать, какой изотоп они получили – 257 или 258, не говоря уже об идентификации его свойств. Синтез элемента номер 103 и установление его свойств было произведено сотрудниками Г. Н. Флёрова в Дубне в 1965-1967 гг. В конечном итоге американцы в журнале “The Physical Review” (август 1971 г.) были вынуждены признать, что “элемент номер 103 впервые был синтезирован в Дубне”. Советские первооткрыватели предложили назвать этот элемент резерфордием (Rf) в честь создателя ядерной модели атома Э. Резерфорда.

5. Элементы 104 и 105 – курчатовий и нильсборий. С особенным нетерпением ожидалось открытие 104-го элемента - первого представителя трансактиноидов. Согласно актиноидной теории, элемент 104 должен был бы обладать свойствами, сходными с гафнием или цирконием. В 1964 году коллективу ОИЯИ в Дубне под руководством Флёрова удался большой бросок. После бомбардировки плутония-242 ионами неона впервые были обнаружены атомы 104-го элемента - курчатовия:

 

²⁴⁴Pu + ²²Ne = ²⁶⁰Ku + 4n

 

До сих пор новый способ его физико-химической идентификации считается мастерским, ибо образовавшийся изотоп самопроизвольно распадается с периодом полураспада всего лишь 0,1 с. Поэтому требовались необыкновенно быстрые действия для того, чтобы химически доказать, что 104-й элемент следует отнести к группе четырехвалентных элементов, вместе с гафнием и цирконием. В Дубне это удалось подтвердить с помощью остроумной экспериментальной техники.
Для этой цели использовалась летучесть галогенидов при повышенных температурах: синтезированные атомы 104-го элемента, отброшенные из мишени в результате радиоактивного выброса, подвергали хлорированию при 350 °С.

Пропускаемый газообразный хлор смешивали с парами трихлорида кюрия, тетрахлорида циркония и пентахлорида ниобия. Далее эти хлориды оседали на различных участках термохроматографической колонки, в зависимости от того, был ли это три-, тетра- или пента-хлорид. Хлорид 104-го элемента сконденсировался на том же месте, что и тетрахлорид циркония.

Американцы, которые тоже были близки к открытию 104-го элемента, через несколько лет получили его в виде изотопа, излучающего альфа-частицы, при бомбардировке калифорния-249 ядрами углерода. Образующийся из него в результате изотоп 102-го элемента можно было безупречно идентифицировать на основании его характеристического рентгеновского излучения. Закон Мозли подтвердился еще в одном случае. 105-й элемент получен группой Флёрова уже в 1967 году в результате ядерной реакции америция с ионами неона. Но по уравнению

²⁴³Am + ²²Ne = ²⁶⁰Ns + 4 (5)n

образовывался лишь один атом за час. Такого скудного выхода было недостаточно, чтобы окончательно подтвердить открытие. Только в начале 1970 года из Дубны пришло известие о точной идентификации элемента 105. Он был назван нильсборием в четь Нильса Бора. Через два месяца добились успеха Гиорсо с сотрудниками. В Беркли они синтезировали изотоп 105-го элемента путем бомбардировки 60 мкг калифорния ядрами азота:

²⁴⁹Cf + ¹⁵N = ²⁶⁰Ns + 4n

Элемент 105, будучи аналогом тантала, должен быть пятивалентным. Это удалось безупречно доказать дубнинским исследователям с помощью техники хлорирования, уже испытанной на 104-м элементе.

6. Элементы 106-110. Используя источники ионов нового типа и более мощные ускорители тяжелых ионов - в Дубне были спарены агрегаты У-200 и У-300, группа Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна вскоре стала располагать потоком тяжелых ионов с необычайной энергией. Чтобы достичь слияния ядер, советские физики выстреливали ионами хрома с энергией 280 МэВ в мишени из свинца и висмута. Что могло получиться? В начале 1974 года атомщики в Дубне зарегистрировали при такой бомбардировке 50 случаев, указывающих на образование 106-го элемента, который, однако, распадается уже через 10^-2 с. Эти 50 атомных ядер образовались по схеме:

 

²⁰⁸Pb + ⁵¹Cr = ²⁵⁹X

 

Немного позднее Гиорсо и Сиборг из лаборатории Лоуренса в Беркли сообщили, что они синтезировали изотоп нового, 106-го, элемента с массовым числом 263 путем обстрела калифорния-249 ионами кислорода в аппарате Super-HILAC.

Какое имя будет носить новый элемент? Здесь уже учитывалось изменение политической ситуации. 1960-е годы были отмечены жестким противостоянием  между СССР и США, в том числе в научно-технических вопросах. С середины 1970-х наступило время «разрядки», потепления отношений между СССР и США. Поэтому советские и американские авторы не торопились с названием 106-го элемента. Когда СССР не стало, осмелевшие американцы стали утверждать, что будто бы 106-й элемент впервые открыт ими, и ему дали название сиборгий в честь Гленна Сиборга. Это был первый случай, когда элемент получил название при жизни человека,чьим именем он назван.

К концу 1976 года дубнинская лаборатория ядерных реакций закончила серию опытов по синтезу 107-го элемента; в качестве исходного вещества дубнинским "алхимикам" послужил  висмут-209. При обстреле ионами хрома с энергией 290 МэВ он превращался в изотоп 107-го элемента:

 

²⁰⁹Bi + ⁵⁴Cr = ²⁶¹X + 2n

 

107-й элемент самопроизвольно распадается с периодом полураспада 0,002 с и, кроме того, излучает альфа-частицы.

Найденные для 106- и 107-го элементов периоды полураспада 0,01 и 0,002 с заставили насторожиться. Ведь они оказались на несколько порядков больше, чем предсказывали расчеты ЭВМ. Быть может, на 107-й элемент уже заметно влияла близость последующего магического числа протонов и нейтронов - 114, повышающая устойчивость?
Если это так, то была надежда получить и долгоживущие изотопы 107-го элемента, например обстрелом берклия ионами неона. Расчеты показали, что образующийся по этой реакции изотоп, богатый нейтронами, должен был бы обладать периодом полураспада, превышающим 1 с. Это позволило бы изучить химические свойства 107-го элемента - экарения.

В 1982-86 годах в Дубне были открыты изотопы элементов с атомными номерами 108-110.

Эти работы были прерваны с реставрацией капитализма в 1991 году. Гайдаровское правительство заявило, что “новая демократическая Россия” не нуждается в фундаментальной науке. В этих условиях вперед вырвался европейский научный центр в Дармштадте (Германия), где были синтезированы новые изотопы элементов 107-112, и им были даны названия: 108 – хассий, 109 – мейтнерий, 110- дармштадтий, 111 – рентгений, 112 - коперникий. Их время жизни измерялось долями секунды, но было значительно выше, чем предсказывает теория.

Однако гонку за элементами “острова относительной стабильности” все-таки выиграла Дубна. В декабре 1998 года на новом циклотроне был получен 289-й изотоп 114 элемента. Его время жизни составило свыше 20 секунд. Это означало, что гипотеза об “острове стабильности” подтверждена.. В 1999-2003 годах в Дубне были синтезированы многие изотопы элементов с атомным номером от 111 до 118. Их время жизни доходило уже до десятков секунд. Сенсацией стали эксперименты в Дубне на рубеже 2003-2004 годов: при распаде синтезированных там элементов 113 и 115 в результате нескольких последовательных альфа-распадов были получены изотопы нильсбория (элемента №105) с атомными массами 267 и 268 – значительно больше, чем для ранее синтезированных изотопов этого элемента. Их время жизни оказался неправдоподобно велико – у одного – 73 минуты, а у второго – 16 часов! Это было еще одним серьезным приближением к «острову относительной стабильности».