Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Первым обнаружили элемент с атомным числом 43. Лоуренс, изобретатель циклотрона, подверг атомы молибдена бомбардировке дейтронами, в результате чего в ходе (d, n)-реакции образовался элемент номер 43:

42Mo98 + 1Н2 → 43Х99 + 0n1 (Уравнение 10.11)

или

Mo98 (d, n) X99

В 1937 году образец облученного молибдена попал в руки к итальянскому физику Эмилио Сегре (1905–1989). Химическими способами он протестировал образец на предмет предполагаемого радиационного излучения элемента номер 43. Излучение действительно существовало, и таким образом было доказано, что элемент 43 действительно присутствует в молибдене. Так как этот элемент был первым элементом, созданным в результате вызванных человеком ядерных реакций, он получил название (технеций («искусственный»).

Технеций стал не только первым созданным человеком элементом, но и первым легким элементом (то есть атомное число которого меньше 84), не имеющим ни одного стабильного изотопа. Существуют не менее трех изотопов технеция с достаточно длинным периодом полураспада: технеций–97 — 2 600 000 лет, технеций–98 — 1 500 000 лет и технеций–99 — 210 000 лет. Тем не менее абсолютно стабильных изотопов технеция не существует. Так как продолжительность периодов полураспада мала по сравнению с возрастом Земли и так как изотопы технеция не являются членами какого-либо радиоактивного ряда, в земной коре технеций в измеримом количестве не встречается.

В 1939 году французский химик Маргарита Пере в продуктах распада урана–235 обнаружила изотоп элемента 87. Она назвала его франций, по названию своей родной страны. Чуть позже в радиоактивных рядах был обнаружен элемент 85, и уже в 1940 году его удалось получить искусственным путем в результате бомбардировки альфа-частицами атомов висмута. Элемент получил название астатин («нестабильный»). Реакция выглядит так:

83Bi209 + 2He4 → 85At211 + 0n1 + 0n1 (Уравнение 10.12)

или

Bi209 (α, 2n)At211.

(Переехавший к этому моменту в США Сегре стал один из членов группы ученых, которым удалось выделить астатин.)

Элемент номер 61 был открыт в 1948 году (при обстоятельствах, о которых я расскажу позже) командой американского химика Чарльза Кориела. Элемент получил название прометий. Это был уже второй случай элемента без стабильных изотопов. Период полураспада самого долгоживущего изотопа — прометия–145 — составлял всего 18 лет.

Таким образом, к 1948 году периодическую таблицу наконец удалось заполнить полностью. Однако была открыта верхняя часть таблицы. Ферми, которому не давала покоя возможность путем бомбардировки нейтронами поднимать атомное число ядра-мишени на 1–2 единицы, начиная с 1934 года занимался бомбардировкой атомов урана нейтронами.

Он предположил, что, возможно, уран–239 образуется из урана–238. Испуская бета-частицы, уран–239, возможно, становится элементом 93, а затем элементом 94. Ферми решил, что он уже показал этот процесс, и поэтому назвал элемент 93 «ураном X».

Когда ученые открыли возможность деления ядра урана (см. ниже), оказалось, что заслуги Ферми не ограничиваются выделением элемента 93, и на какое-то время о элементе 93 забыли. Однако когда страсти вокруг деления ядра немного поутихли, ученые вновь вернулись к элементу 93. Образование урана–239 являлось хоть и не основным, но все же результатом бомбардировки атомов урана нейтронами. Реакция действительно имела место.

Это было доказано в 1940 году американским физиком Эдвином Макмилланом и его коллегой, американским химиком Филипом-Хауге Эйблсоном. Они обнаружили источник радиоактивного излучения с периодом полураспада 2,3 дня, атомным числом 93 и массовым числом 239. Так как уран был назван в честь планеты Уран, то элемент «выше» урана был назван нептуний, в честь планеты Нептун, располагающейся «выше» Урана.

Казалось очень вероятным, что нептуний–239 являлся бета-излучателем и распадался до элемента с атомным числом 94. К несчастью, радиоактивность образующегося в результате этого изотопа была настолько мала, что в малых количествах его было практически невозможно обнаружить. Однако в том же году Макмиллану и его новому ассистенту, американскому химику Гленну Сиборгу, в результате бомбардировки атомов урана дейтронами удалось получить нептуний–238:

92U238 + 1H2 → 93Np238 + 0n1 + 0n1 (Уравнение 10.13)

или

U238 (d, 2n)Np238.

Нептуний–238 испускал бета-частицу и становился изотопом элемента 94 с достаточно высокой для обнаружения радиоактивностью. Новый элемент получил название плутоний, в честь планеты Плутон, находящейся еще дальше, чем Нептун.

Как только плутоний удалось получить в достаточном количестве, его подвергли бомбардировке альфа-частицами, в 1944 году исследовательская группа во главе с Сиборгом получила изотопы элемента 95 (америций, в честь Америки) и 96 (кюрий, в честь Кюри).

Группе Сиборга удалось получить элементы и с большим атомным числом. В 1949-м и 1950 годах путем бомбардировки америция и кюри альфа-частицами были получены элементы 97 и 98.

Элемент 97 получил название берклий, а элемент 98 — калифорний, в честь города Беркли в штате Калифорния, где находилась исследовательская лаборатория.

В лабораторных условиях элементы 99 и 100 удалось получить в 1954 году, однако двумя годами ранее, в 1952 году, изотопы этих элементов были обнаружены в осадках после взрыва водородной бомбы во время испытаний на острове в Тихом океане. Ко времени подтверждения и опубликования результатов открытий Эйнштейн и Ферми уже умерли, и в их честь элементы 99 и 100 были названы эйнштейний и фермий.

В 1955 году в результате бомбардировки эйнштейния альфа-частицами был получен элемент 101, менделевий, названный так в часть создателя периодической таблицы Менделеева. В 1957 году институт Нобеля в Стокгольме объявил об открытии элемента 102, нобелия[137], а в 1961 году был обнаружен элемент 103, названный лавренцием (лоуренсием) в честь изобретателя циклотрона, умершего за несколько лет до этого. В 1964 году советские физики объявили о получении элемента 104, но эта информация подтвердилась не сразу.

Таблица 11.

ТРАНСУРАНОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Атомное число Химический элемент Массовое число наиболее долгоживущего изотопа Период полураспада 93 Нептуний [237] 2 140 000 лет 94 Плутоний [242] 37 900 лет 95 Америций [243] 7650 лет 96 Кюрий [247] Ок. 40 000 000 лет 97 Берклий [247] Ок. 10 000 лет 98 Калифорний [251] Ок. 800 лет 99 Эйнштейний [254] 480 дней 100 Фермий [253] Ок. 4,5 дня 101 Менделевий [256] 1,5 часа 102 Нобелий [253] Ок. 10 минут 103 Лоуренсий [257] 8 секунд

Элементы выше урана называются трансурановыми. Удалось получить более сотни изотопов этих элементов. В табл. 11 представлены наиболее долгоживущие из известных изотопов этих элементов.