Превращение элементов

Борис КАЗАКОВ

Заурановый мир

Открытие элементов, находящихся за пределами существовавшей тогда таблицы периодической системы, началось, как уже упоминалось, раньше, нежели были заполнены ее 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 ее листок ученый нанес слои окиси урана, а затем использовал ее в качестве мишени в циклотроне. После обстрела нейтронами Макмиллан извлек книжечку из установки и с помощью счетчика Гейгера стал измерять радиоактивность каждого ее 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 легкое 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 тяжелого элемента.

В это время к Макмиллану приехал на летние каникулы старый его друг Ф. Абельсон, здесь он намеревался отдохнуть, но вместо отдыха получил напряженную, 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 ученых, 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 трех 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 ученых 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 все 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 трех стотысячных миллиграмма) было получено лишь в 1958 г. Синтез дальнейших элементов таким образом уперся 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 тяжелых 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 безпилотные самолеты, управляемые по радио. В специальных бумажных фильтрах они доставили все, что удалось собрать в атмосфере вблизи взрыва. Эта операция получила название «дорогостоящая грязь».

Разделение захваченного материала на ионообменной колонке сразу показало, что он содержит еще неизвестные тяжелые 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 тяжелый 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 тяжелых 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 определенным количеством эйнштейния, ученые 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 нанесенным на задней поверхности тончайшим слоем эйнштейния. Позади мишени еще один кусочек такой же фольги. Ее 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 ее 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 все 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 счетчики. 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 все 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 ученых 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 расчету он не должен был превышать 10 секунд.

Взрыв циклотрона в Беркли уничтожил запас ценнейшего исходного материала для синтеза и нанес сильнейший психологический удар исследователям. Лишь через несколько лет ученые в Беркли, разработав самые тщательные меры предосторожности, решились продолжать эксперименты. Препятствия возникали на каждом шагу. Ученые «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 ее 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 осуществлен, и все неясности, сбивавшие до этого с толку, разрешились.

Группу актиноидов, по расчетам 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 найдется ему место в таблице, каковы будут химические свойства – этого ученые еще не представляли себе. Он мог принести много неожиданностей и потому, конечно, стал элементом «таинственным и манящим».

Триумф советских физиков

Оглавление

Дата публикации:

14 января 2001 года

Текст издания:

Борис Игнатьевич Казаков. Превращение элементов. М., «Знание», 1977.

Дата обновления:

4 мая 2001 года