Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

выяснить, что же происходит с ураном под действием нейтронов. И. Жолио-Кюри и ее сотрудник сербский физик П. Савич с особой тщательностью изучали обстрелянную урановую мишень. И среди возбужденных активностей обнаружили следы химического элемента, по свойствам очень похожего на актиний, т. е. элемента, предшествующего урану, а отнюдь не следующего за ним в периодической системе Д. И. Менделеева. Вскоре оказалось, что у него больше общего с лантаном, нежели с актинием. Следовательно, один из продуктов обстрела урана медленными нейтронами похож на лантан.

Если бы И. Кюри и П. Савич не остановились на осторожном выражении «похож на лантан», а твердо доказали, что неизвестный элемент есть лантан, они стали бы авторами (или по крайней мере, соавторами) одного из самых выдающихся научных открытий XX в. (Здесь не мешает вспомнить, что порядковый номер лантана равен 57, а урана 92, и заодно вспомнить о предположении И. Ноддак.) Это казалось более чем невероятным. Но факты оставались фактами. Работы И. Кюри и П. Савича выглядели настолько убедительными, что О. Ган взялся их проверить, тот самый О. Ган, который был яростным противником результатов, полученных И. Кюри. Решение его означало, что он начал сомневаться в правильности занимаемых им позиций.

Вместе со своим сотрудником Ф. Штрассманном он воспроизвел опыты французских коллег, в которых они еще недавно видели своих научных противников. Почти все оказалось таким, как считала Ирэн Жолио-Кюри. В урановой мишени содержались изотопы и лантана, и предшествующего ему элемента — бария. Как химик, О. Ган не мог в этом сомневаться. Как физик, он не знал, как этот факт объяснить.

Дело состояло в том, что при действии нейтронов ядра урана как бы раскалываются на два осколка, и эти осколки представляют собой изотопы элементов середины периодической системы. Ядерная физика не знала ничего подобного. Но иного объяснения найти было нельзя. О. Ган и Ф. Штрассманн сделали вывод, что ядра урана обладают способностью разваливаться под действием нейтронов.

Это произошло 23 декабря 1938 г. Ученые немедленно написали о своем открытии. Потом О. Ган признавался: «После того как статья была отправлена по почте, все это снова показалось столь невероятным, что захотелось вернуть статью обратно из почтового ящика»[18].

Невероятное оказалось вероятным. Несколькими днями позже письмо об этом событии получила от О. Гана его многолетняя сотрудница Л. Мейтнер. Вместе со своим племянником, физиком О. Фришем она попробовала теоретически истолковать это явление.

Ядра до известной степени можно уподобить капле жидкости — ученые уже давно пытались проводить аналогию между свойствами ядра и свойствами жидкой капли. Если капле сообщить достаточную энергию, привести ее в движение, то она может разделиться на более мелкие капли. Если ядро придет в возбужденное состояние (его приводит в это состояние нейтрон), то оно также может разделиться на более мелкие части. Постепенно происходит деформация уранового ядра, оно удлиняется, образуются сужения, и, наконец, происходит деление на две половины. Так представляли процесс деления уранового ядра Л. Мейтнер и О. Фриш. В своей статье они писали, что поразительное сходство этой картины с процессом деления, которым размножаются бактерии, послужило поводом назвать это явление ядерным делением.

Ядро урана распадалось на два осколка. При этом выделялась огромная энергия. Но вместе с осколками из погибающего уранового ядра вылетало несколько свободных нейтронов. Они могли разрушать другие ядра урана. И так далее. При благоприятных условиях в куске урана могла возникнуть цепная реакция деления — колоссальной мощи ядерный взрыв. Уже в 1940 г. советские ученые Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон создали строгую теорию цепной реакции деления. Человек осуществил процесс, которого, казалось, не знала природа. Люди еще не обнаруживали в ней столь глубокого процесса превращения элементов. Изотопы 34 химических элементов — от цинка (порядковый номер 30) до гадолиния (порядковый номер 64) — были найдены среди осколков деления урана. Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Деление урана, вызываемое нейтронами, было искусственным, вынужденным. Не каждый атом урана мог делиться. И не каждый нейтрон обладал способностью это деление вызывать. Когда ученые детальнее разобрались в механизме деления, выяснилось, что оно гораздо интенсивнее проходит под действием медленных нейтронов, притом на изотопе урана с массовым числом 235. Другой урановый изотоп — уран-238 — реагировал только на быстрые нейтроны. Нет ли в природе процесса, аналогичного искусственному делению урана? Таким вопросом задался Н. Бор и, размышляя далее, высказал гипотезу о возможности самопроизвольного деления урана (без внесения в ядро энергии извне).

Советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак решили экспериментально подтвердить гипотезу. Но как установить, что ядра урана действительно могут делиться сами по себе? Ведь случайные нейтроны космических лучей, залетевшие в лабораторию, могли исказить картину опытов. Вот почему в осеннюю полночь 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак спустились в вестибюль станции Московского метро «Динамо». Здесь на глубине нескольких десятков метров под землей не нужно было опасаться влияния космического излучения. В эту полночь ученые окончательно убедились в существовании нового вида радиоактивных превращений — спонтанного деления ядер (пока речь шла лишь о ядрах изотопа урана-238). Потом удалось установить, что многие изотопы тяжелых элементов (тория и в особенности трансурановых) подвержены этому виду радиоактивного распада. В настоящее время известно около сотни самопроизвольно делящихся ядер, принадлежащих различным элементам. Механизм спонтанного деления аналогичен делению под действием нейтронов.

Теперь у нас с вами есть все необходимые сведения, чтобы приступить к рассказу об открытиях отдельных трансурановых элементов, ибо как раз в этой области порядковых номеров спонтанное деление играет весьма существенную роль.

Сорок лет насчитывает история трансурановых элементов, и за этот, по современным меркам, довольно продолжительный исторический период ученым удалось сделать пятнадцать шагов за уран: от элемента 93 до 107. Если построить график: на оси абсцисс отложить по порядку номера элементов от 1 до 92, а по оси ординат — годы, то полученная кривая будет напоминать сейсмограмму, характеризующую сильное землетрясение. Аналогичный график для трансурановых элементов — это сравнительно плавно поднимающаяся вверх линия, на которой четко выделяются отдельные пики. Хронологическая последовательность синтезов трансурановых элементов строго отвечала (за одним исключением) увеличению порядкового номера нового элемента каждый раз на единицу.

В истории синтезов можно видеть взлеты и падения. Первый взлет приходится на 1940–1945 гг., когда было открыто четыре синтезированных элемента: нептуний (Z=93), плутоний (Z=94), америций (Аm=95), кюрий (Cm = 96). Затем подъем кривой сменяется плавным участком (до 1949 г. новых синтезов не произошло). Далее можно наблюдать второй взлет — 1949–1952 гг. Еще четыре трансурановых элемента: берклий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99) и фермий