ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, раздел «Физик»

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Так называют химические элементы, которые располагаются в периодической системе за ураном. После открытия нейтрона (1932) Э. Ферми со своими коллегами в Италии, а также некоторые ученые в других странах полагали, что при облучении урана нейтронами должны образовываться изотопы первых трансурановых элементов. Но достоверно доказать это не удалось, хотя, как выяснилось впоследствии, атомы элементов с Z = 93 и 94, действительно, синтезировались. Здесь протекали следующие ядерные реакции: 23892U + n → 23992Uβ-23993 и 23993 →β-→ 23994

В 1940 г. американские ученые Э. Макмиллан и Ф. Эйблсон с помощью подобной ядерной реакции синтезировали нептуний (порядковый номер 93) и изучили его важнейшие химические и радиоактивные свойства. Тогда же произошло открытие и следующего трансуранового элемента — плутония. Оба новых элемента были названы в честь планет Солнечной системы — Нептуна и Плутона.

Первые синтезированные изотопы этих элементов имеют незначительные величины периодов полураспада (2,3 сут — для нептуния-239 и примерно 50 лет — для плутония-238). Но даже их самые долгоживу-щие изотопы характеризуются продолжительностью жизни, значительно меньшей, чем возраст Земли. Вот почему с трансурановыми элементами удалось познакомиться, только приготовив их посредством ядерного синтеза, и к настоящему времени ученые довели этот процесс до элемента с Z = 107.

Синтезы новых трансурановых элементов становились сложнее по мере перехода к большим значениям Z. Все меньшими оказывались величины периодов полураспада их изотопов, все опаснее — работа с сильно радиоактивными препаратами, и все с меньшими количествами вещества приходилось исследователям иметь дело. Все трансурановые элементы до 101-го элемента включительно были синтезированы благодаря применению легких бомбардирующих частиц: нейтронов, дейтронов и альфа-частиц. В качестве мишеней использовались элементы с Z на 1 или на 2 меньше, чем у синтезируемого элемента. Так, в период с 1940 по 1955 г. таблица Менделеева пополнилась символами Np, Pu, Am (америций, названный в честь Америки), Cm (кюрий, в честь М. Склодовской-Кюри и П. Кюри), Вк (берклий, по названию университета в Беркли), Cf (калифорний, по названию Калифорнии), Es (эйнштейний, в честь А. Эйнштейна), Fm (фермий, в честь Э. Ферми) и Md (менделевий, в честь Д. И. Менделеева). Все эти элементы были синтезированы американскими учеными во главе с Г. Сиборгом.

За 15 лет — девять новых элементов, да притом не существующих в природе! Это был настоящий триумф экспериментальной и теоретической ядерной физики. Но дальше дело приостановилось, и виной тому были объективные обстоятельства. У элементов, порядковые номера которых стали измеряться трехзначными числами, величины периодов полураспада упали до секунд и долей секунд. Такие элементы уже невозможно накопить в количествах, достаточных для изготовления мишеней. Кроме того, по мере роста Z из-за электростатического отталкивания протонов все более резко возрастает неустойчивость трансурановых изотопов по отношению к спонтанному делению: этот вид радиоактивного распада оказывается главным врагом существования искусственных элементов с большими Z.

Преодолеть первое препятствие удалось сравнительно быстро. В качестве бомбардирующих частиц стали применять тяжелые многозарядные ионы: атомы бора, неона, азота, углерода, кислорода, аргона и других элементов сначала надо было лишить как можно большего числа электронов и образовавшиеся ионы затем разогнать до больших скоростей на мощных ускорителях. В роли мишеней использовали, например, уран и ближайшие к нему трансурановые элементы, которые вполне доступны. Вот по какой ядерной реакции был получен советским ученым Г. Н. Флеровым с сотрудниками курчатовий (Ku) — элемент с Z = 104 :94242Pu (1022Ne, 4n) 104260Ku. В области синтеза элементов «второй сотни» уверенно лидировали советские физики из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Несравненно большие трудности возникли при изучении свойств синтезируемых изотопов этих элементов. Периоды их полураспада измеряются долями секунды (для изотопа 261107 Т1/2</sub ~ 0,003 с), в результате ядерных реакций получаются буквально считанные атомы новых элементов, и нет никакой возможности накопить такие короткоживущие трансурановые элементы в сколь-либо заметных количествах. Для исследования свойств нобелия, лоуренсия, курчатовия, нильсбория, 106-го и 107-го элементов (они все еще не имеют названий) пришлось разработать принципиально новые экспериментальные методы.

Казалось, предел синтеза трансурановых элементов близок. Но в середине 60-х гг. теоретики предположили, что при некоторых больших значениях Z к N (число нейтронов), например при Z = 114 и 126, N = 184 и 196, весьма вероятно резкое возрастание стабильности ядер по отношению к спонтанному делению. Такой прогноз вселил в исследователей немалый оптимизм. Были сделаны попытки получить подобные «сверхэлементы» посредством ядерных реакций. Но эксперименты не привели к ожидаемым результатам. Точно так же не удалось обнаружить присутствие атомов гипотетических элементов с большими зарядами ядер в различных природных объектах. Вопрос пока остается открытым.

Рожденные гением человека, трансурановые элементы находят практическое применение главным образом как изотопные источники энергии. Особую роль играет плутоний-239, который является весьма эффективным ядерным горючим и служит одной из основ современной ядерной энергетики.