Рукотворні елементи | Журнал Популярна Механіка
З 26 відомих в даний час трансуранових елементів 24 невідомі на нашій планеті. Вони були створені людиною. Як же синтезують важкі і надважкі елементи?
Перший список з тридцяти трьох передбачуваних елементів, «Таблицю субстанцій, що належать для всіх земних царств природи, які можуть вважатися найпростішими складовими частинами тіл», опублікував Антуан Лоран Лавуазьє в 1789 році. Разом з киснем, азотом, воднем, сімнадцятьма металами і ще кількома справжніми елементами в ньому фігурували світло, теплород і деякі оксиди. А коли 80 років потому Менделєєв придумав Періодичну систему, хіміки знали 62 елемента. До початку XX століття вважалося, що в природі існують 92 елемента - від водню до урану, хоча деякі з них ще не були відкриті.
Проте вже в кінці XIX століття вчені припускали існування елементів, що прямують до таблиці Менделєєва за ураном (трансуранов), але виявити їх ніяк не вдавалося. Зараз відомо, що в земній корі містяться слідові кількості 93-го і 94-го елементів - нептунію і плутонію. Але історично ці елементи спочатку отримали штучно і лише потім виявили в складі мінералів.
З 94 перших елементів у 83 є або стабільні, або довгоживучі ізотопи, період напіврозпаду яких порівняємо з віком Сонячної системи (вони потрапили на нашу планету з протопланетної хмари). Життя інших 11 природних елементів багато коротше, і тому вони виникають в земній корі лише в результаті радіоактивних розпадів на короткий час. А як же всі інші елементи, від 95-го до 118-го? На нашій планеті їх немає. Всі вони були отримані штучним шляхом.
перший штучний
Створення штучних елементів має довгу історію. Принципова можливість цього стала зрозуміла в 1932 році, коли Вернер Гейзенберг і Дмитро Іваненко прийшли до висновку, що атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. Два роки по тому група Енріко Фермі спробувала отримати центурій, опромінюючи уран повільними нейтронами. Передбачалося, що ядро урану захопить один або два нейтрона, після чого зазнає бета-розпад з народженням 93-го або 94-го елементів. Вони навіть поспішили оголосити про відкриття трансуранов, які в 1938 році у своїй Нобелівській промові Фермі назвав Аусонія і Геспер. Однак німецькі радіохіміки Отто Ган і Фріц Штрассман разом з австрійським фізиком Лізою Мейтнер незабаром показали, що Фермі помилився: ці нукліди були ізотопами вже відомих елементів, що виникли в результаті розщеплення ядер урану на пари осколків приблизно однакової маси. Саме це відкриття, зроблене в грудні 1938 року уможливило створення ядерного реактора і атомної бомби.
Усередині ядер існують протонні і нейтронні оболонки, в чем-то схожі на електронні оболонки атомів. Ядра з повністю заповненими оболонками особливо стійкі по відношенню до спонтанних перетворень. Числа нейтронів і протонів, що відповідають таким оболонок, називаються магічними. Деякі з них визначені експериментально - це 2, 8, 20 і 28. Оболонкові моделі дозволяють обчислити «магічні числа» надважких ядер і теоретично - правда, без повної гарантії. Є підстави очікувати, що нейтронне число 184 виявиться магічним. Йому можуть відповідати протонні числа 114, 120 і 126, причому останнє знову-таки має бути магічним. Якщо це так, то ізотопи 114-го, 120-го і 126-го елементів, що містять по 184 нейтрона, будуть жити набагато довше своїх сусідів по таблиці Менделєєва - хвилини, години, а то й роки (цю область таблиці прийнято називати островом стабільності ). Найбільші надії вчені покладають на останній ізотоп з двічі магічним ядром.
Першим же синтезованим елементом став зовсім не центурій, а передбачений ще Менделєєвим екамарганец. Його шукали в різних рудах, але безуспішно. А в 1937 році екамарганец, пізніше названий технецием (від грецького - штучний) був отриманий при обстрілі молибденовой мішені ядрами дейтерію, розігнаними в циклотроні Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі.
легкі снаряди
Елементи з 93-го до 101-го були отримані при взаємодії ядер урану або наступних за ним трансуранов з нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерію) або альфа-частками (ядрами гелію). Першого успіху тут домоглися американці Едвін Макміллан і Філіп Ейбелсон, які в 1940 році синтезували нептуний-239, відпрацювавши ідею Фермі: захоплення ураном-238 повільних нейтронів і подальший бета-розпад урану-239.
Наступний, 94-й елемент - плутоній - вперше виявили при вивченні бета-розпаду нептунію-238, отриманого дейтроні бомбардуванням урану на циклотроні Каліфорнійського університету в Берклі на початку 1941 року. А незабаром стало зрозуміло, що плутоній-239 під дією повільних нейтронів ділиться не гірше урану-235 і може служити начинкою атомної бомби. Тому всі відомості про отримання та властивості цього елемента засекретили, і стаття Макміллана, Гленна Сиборга (за свої відкриття вони розділили Нобелівську премію 1951 роки) і їхніх колег з повідомленням про другий трансуранов з'явилася у пресі лише в 1946 році.
Американська влада майже на шість років затримали і публікацію про відкриття 95-го елемента, америцію, який в кінці 1944 року був виділений групою Сиборга з продуктів нейтронної бомбардування плутонію в ядерному реакторі. Кількома місяцями раніше фізики з цієї ж команди отримали перший ізотоп 96-го елемента з атомним вагою 242, синтезований при бомбардуванні урану-239 прискореними альфа-частками. Його назвали кюріем в знак визнання наукових заслуг П'єра і Марії Кюрі, відкривши тим самим традицію найменування трансуранов в честь класиків фізики і хімії.
60-дюймовий циклотрон Каліфорнійського університету став місцем створення ще трьох елементів, 97-го, 98-го і 101-го. Перші два назвали за місцем народження - Берклі і Каліфорнія. Берклій був синтезований в грудні 1949 року під час обстрілу альфа-частками мішені з америцію, калифорний - двома місяцями пізніше при такій же бомбардуванню кюрія. 99-й і 100-й елементи, ейнштейній і фермій, були виявлені при радіохімічний аналізі проб, зібраних в районі атола Еніветок, де 1 листопада 1952 американці підірвали десятімегатонний термоядерний заряд «Майк», оболонка якого була виготовлена з урану-238. Під час вибуху ядра урану поглинали до п'ятнадцяти нейтронів, після чого зазнавали ланцюжка бета-розпадів, які і вели до утворення цих елементів. 101-й елемент, менделевій, був отриманий на початку 1955 року. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харві, Грегорі Чоппін і Стенлі Томсон піддали альфа-часткової бомбардуванню близько мільярда (це дуже мало, але більше просто не було) атомів ейнштейнію, електролітично нанесених на золоту фольгу. Незважаючи на надзвичайно високу щільність пучка (60 трлн альфа-частинок в секунду), було отримано лише 17 атомів Менделевий, але при цьому вдалося встановити їх радіаційні та хімічні властивості.
важкі іони
Менделевий став останнім трансуранов, отриманим за допомогою нейтронів, дейтронів або альфа-частинок. Для отримання наступних елементів були потрібні мішені з елемента номер 100 - фермію, які тоді було неможливо виготовити (навіть зараз в ядерних реакторах фермій отримують в нанограммових кількостях).
Учені пішли іншим шляхом: використовували для бомбардування мішеней іонізовані атоми, чиї ядра містять більше двох протонів (їх називають важкими іонами). Для розгону іонних пучків потрібні були спеціалізовані прискорювачі. Першу таку машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Берклі в 1957 році, другу, циклотрон У-300 - в Лабораторії ядерних реакцій Об'єднаного інституту ядерних досліджень в Дубні в 1960-м. Пізніше в Дубні заробили і більш потужні установки У-400 і У-400М. Ще один прискорювач UNILAC (Universal Linear Accelerator) з кінця 1975 року діє в німецькому Центрі по дослідженню важких іонів імені Гельмгольца, в Віксхаузене, одному з районів Дармштадта.
В ході бомбардувань важкими іонами мішеней зі свинцю, вісмуту, урану або трансуранов виникають сильно порушені (гарячі) ядра, які або розвалюються, або скидають надлишкову енергію за допомогою випускання (випаровування) нейтронів. Іноді ці ядра випускають один-два нейтрона, після чого зазнають і інші перетворення - наприклад, альфа-розпад. Такий тип синтезу називається холодним. У Дармштадті з його допомогою отримали елементи з номерами від 107 (борій) до 112 (коперніцій). Цим же способом в 2004 році японські фізики створили один атом 113-го елемента (роком раніше він був отриманий в Дубні). При гарячому синтезі новонароджені ядра втрачають більше нейтронів - від трьох до п'яти. Цим способом в Берклі і в Дубні синтезували елементи зі 102-го (нобелій) до 106-го (Сиборгом, в честь Гленна Сиборга, під керівництвом якого було створено дев'ять нових елементів). Пізніше в Дубні таким шляхом виготовили шість найпотужніших сверхтяжеловесов - зі 113-го по 118-й. Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) поки затвердив лише імена 114-го (флеровій) і 116-го (ліверморій) елементів.
Всього три атома
118-й елемент з тимчасовою назвою унуноктій і символом Uuo (за правилами IUPAC, тимчасові імена елементів утворюються від латинських і грецьких коренів назв цифр їх атомного номера, un-un-oct (ium) - 118) був створений спільними зусиллями двох наукових груп: Дубнинська під керівництвом Юрія Оганесяна і Ліверморської національної лабораторії під керівництвом Кентона Муді, учня Сиборга. Унуноктій в таблиці Менделєєва розташований під радоном і тому може бути благородним газом. Однак його хімічні властивості поки з'ясувати не вдалося, оскільки фізики створили лише три атома цього елемента з масовим числом 294 (118 протонів, 176 нейтронів) і періодом напіврозпаду близько мілісекунди: два в 2002 році і один в 2005-му. Їх отримали бомбардуванням мішені з каліфорнія-249 (98 протонів, 151 нейтрон) іонами важкого ізотопу кальцію з атомною масою 48 (20 протонів і 28 нейтронів), розігнаними на прискорювачі У-400. Загальна кількість кальцієвих «куль» склало 4,1х1019, так що продуктивність Дубнинська «унуноктіевого генератора» вкрай мала. Однак, за словами Кентона Муді, У-400 - єдина в світі машина, на якій можна було синтезувати 118-й елемент.
«Кожна серія дослідів з синтезу трансуранов додає нову інформацію про структуру ядерної матерії, яку використовують для моделювання властивостей надважких ядер. Зокрема, роботи по синтезу 118-го елемента дозволили відкинути кілька колишніх моделей, - згадує Кентон Муді. - Ми зробили мішень з каліфорнія, оскільки більш важкі елементи в потрібних кількостях були недоступні. Кальцій-48 містить вісім додаткових нейтронів в порівнянні зі своїм основним ізотопом кальцієм-40. При злитті його ядра з ядром каліфорнія утворювалися ядра з 179 нейтронами. Вони перебували в сильно порушених і тому особливо нестабільних станах, з яких швидко виходили, скидаючи нейтрони. В результаті ми отримали ізотоп 118-го елемента з 176 нейтронами. І це були справжні нейтральні атоми з повним набором електронів! Живи вони трохи довше, можна було б судити і про їх хімічних властивостях ».
Дубнинська метод «Елементи з 113-го по 118-й створені на основі чудового методу, розробленого в Дубні під керівництвом Юрія Оганесяна, - пояснює учасник Дармштадской команди Олександр Якушев. - Замість нікелю та цинку, які застосовувались для обстрілу мішеней в Дармштадті, Оганесян взяв ізотоп з куди меншою атомною масою - кальцій-48. Справа в тому, що використання легких ядер підвищує ймовірність їх злиття з ядрами мішені. Ядро кальцію-48 на той же двічі магічне, оскільки складено з 20 протонів і 28 нейтронів. Тому вибір Оганесяна сильно сприяв виживанню складових ядер, що виникають при обстрілі мішені. Адже ядро може скинути кілька нейтронів і дати початок новому трансуранов тільки в тому випадку, якщо воно відразу після народження не розвалюється на осколки. Щоб синтезувати таким чином надважкі елементи, Дубнинська фізики робили мішені з напрацьованих в США трансуранов - спочатку плутонію, потім америцію, кюрія, каліфорнія і, нарешті, Берклі. Кальцію-48 в природі всього 0,7%. Його витягають на електромагнітних сепараторах, це дорога процедура. Один міліграм цього ізотопу коштує близько $ 200. Цієї кількості вистачає на годину-другу обстрілу мішені, а експерименти тривають місяцями. Самі мішені ще дорожче, їх ціна сягає мільйона доларів. Оплата рахунків за електрику теж постає в копієчку - прискорювачі важких іонів споживають мегаватні потужності. Загалом, синтез надважких елементів - задоволення не з дешевих ». На фото: при попаданні важкого іона в область ядерних сил мішені може утворитися складене ядро в збудженому стані. Воно або розпадається на осколки приблизно рівної маси, або випускає (випаровує) кілька нейтронів і переходить в основну (збудженому) стан.
Мафусаїл номер 117
Елемент 117, він же Унунсептій, був отриманий пізніше - в березні 2010 року. Цей елемент був народжений на тій же машині У-400, де, як і раніше, обстрілювали іонами кальцію-48 мішень з Берклі-249, синтезованого в Окриджской національної лабораторії. При зіткненні ядер Берклі і кальцію виникали сильно порушені ядра Унунсептій-297 (117 протонів і 180 нейтронів). Експериментаторам вдалося отримати шість ядер, п'ять з яких випарувалося по чотири нейтрона і перетворилися в Унунсептій-293, а час, що залишився випустило три нейтрона і дало початок Унунсептій-294.
У порівнянні з унуноктій Унунсептій виявився справжнім Мафусаилу. Період напіврозпаду більш легкого ізотопу - 14 мілісекунд, а більш важкого - цілих 78 мілісекунд! У 2012 році Дубнинська фізики отримали ще п'ять атомів Унунсептій-293, пізніше - кілька атомів обох ізотопів. Навесні 2014 року вчені з Дармштадта повідомили про синтез чотирьох ядер 117-го елемента, два з яких мали атомну масу 294. Період напіврозпаду цього «важкого» Унунсептій, виміряний німецькими вченими, склав близько 51 мілісекунди (це добре узгоджується з оцінками вчених з Дубни) .
Зараз в Дармштадті готують проект нового лінійного прискорювача важких іонів на надпровідних магнітах, який дозволить провести синтез 119-го і 120-го елементів. Аналогічні плани здійснюють і в Дубні, де будується новий циклотрон ДС-280. Не виключено, що всього через кілька років стане можливим синтез нових надважких трансуранов. І створення 120-го, а то і 126-го елемента з 184 нейтронами і відкриття острова стабільності стануть реальністю.
Стаття «Вісімдесят років творіння» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2015 ).
Як же синтезують важкі і надважкі елементи?А як же всі інші елементи, від 95-го до 118-го?