Клаус Гофман

МОЖНО ЛИ СДЕЛАТЬ ЗОЛОТО?

Глава 7. 
ИССЛЕДОВАНИЯ И ОТВЕТСТВЕННОСТЬ - СЕГОДНЯ И В БУДУЩЕМ

Успехи исследований в Дубне и Беркли

Открытие последних трех актиноидов - элементов 101, 102 и 103 - удалось совершить с 1955 по 1961 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 эйнштейнияядрами гелия в 60-дюймовом циклотроне в Беркли смогли уловить буквально 17 атомов нового 101-го элемента -менделевия.

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".

Менделевий является последним из элементов, полученных в циклотроне. 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 икалифорний 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.

Безусловно, ускорить тяжелые частицы до необходимой энергии возможно только с помощью высокоэффективных ускорителей. Начиная с середины 50-х годов американские физики все свои надежды возлагали на новый линейный ускоритель тяжелых ионов HILAC, а в последнее время - на еще более мощный Super-HILAC. Их советские коллеги использовали оправдавшие себя ускорители частиц У-200 и У-300. В испытании находится новый циклотрон У-400, который способен ускорить до больших энергий даже ядра урана.

Также с середины 50-х годов длится спор между американскими и советскими физиками по поводу того, кто же первым синтезировал и точно идентифицировал элементы с 102 по 105. До сего времени нет единства в вопросе приоритета и названии новых элементов: 102 -жолиотий (по советскому представлению) или нобелий(по американским предложениям): 103 - резерфордий илилоуренсий: 104 - курчатовий или резерфордий: 105 -нильсборий и ханий? (В 1997 г. данный вопрос нашел свое разрешение на очередном съезде ИЮПАК)

Причина таких разногласий заключается, несомненно, в том, что американская группа ученых не могла больше претендовать на приоритет. Со времени основания Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в 1956 году, решающие импульсы в исследовании трансуранов исходили от советских ученых. 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. В этом институте работают исследователи из всех социалистических стран; они все более широко участвуют в существенных открытиях в ядерной физике.

Все началось со 102-го элемента. 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 Флёров 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

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 с.

Когда ученые из Беркли смогли располагать 3 мкгкалифорния, 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. Через несколько лет в Дубне советские исследователи, синтезировали из америция-243 и ионов кислорода другой изотоп. Они сразу же исправили прежние данные своих американских коллег. Кто же прав? Одна проблема, по крайней мере, еще до сих пор не разрешена: как называть 103-й элемент? Лоуренсий илирезерфордий?

С особенным нетерпением ожидалось открытие 104-го элемента - первого представителя трансактиноидов. Согласно актиноидной теории, элемент 104, будучиэкагафнием, 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 = ²⁶⁰X + 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 парамитрихлорида 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, 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 = ²⁶⁰Х + 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. В том же году добились успеха Гиорсо с сотрудниками. В Беркли они синтезировали изотоп 105-го элемента путем бомбардировки 60 мкг калифорния ядрами азота:

²⁴⁹Cf + ¹⁵N = ²⁶⁰Х + 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.

К оглавлению