Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

(Z=100) — оставили свои символы в периодической системе. Третий, единичный взлет соответствует синтезу менделевия (Z=101) в 1955 г., когда история синтеза трансурановых элементов отметила пятнадцатилетний юбилей. В последующую четверть века синтезов было значительно меньше: верхняя граница периодической системы отодвинулась всего на шесть порядковых номеров. Здесь ученые вступили в совершенно новую область синтезов, поэтому прежние критерии, которыми оценивались открытия элементов, во многом оказались иными.

Все эти взлеты и падения отнюдь не обусловлены случайностями, все они результат обстоятельств, вполне закономерных. Они становятся понятными, если передвигаться по шкале синтезов трансурановых элементов от нептуния и далее.

НЕПТУНИЙ

Э. Ферми, конечно, никогда не преподносил итальянской королеве флакончик, содержащий соли первого трансуранового элемента. Это не более чем досужая выдумка журналистов. Но то, что Э. Ферми действительно держал в руках элемент № 93, правда, которая в то время не могла быть доказана. Урановая мишень в его опытах состояла из смеси изотопов — урана-238 и урана-235. Второй из них делился под действием медленных нейтронов, образовались осколки — элементы середины периодической системы. Они чрезвычайно запутывали химическую картину, в чем удалось разобраться только после открытия деления.

Но уран-238 поглощал нейтрон, превращаясь в уран-239, новый изотоп девяносто второго элемента. β-Активный 239U рождал изотоп первого трансуранового элемента с порядковым номером 93. Все было так, как и предполагали Э. Ферми с коллегами. Но следы будущего нептуния невозможно было различить на фоне множества осколков деления. Потому-то опыты середины 30-х годов закончились безрезультатно.

Открытие О. Гана и Ф. Штрассманна явилось решающим стимулом для действительного синтеза трансурановых элементов. Для начала нужно было найти надежный способ уловить атомы элемента № 93 в мешанине осколков деления. Сравнительно небольшие по массе, эти осколки в процессе бомбардировки урана должны были отлетать на большие расстояния (иметь бóльшую длину пробега), чем массивные атомы девяносто третьего.

Так рассуждал американский физик Е. Макмиллан, сотрудник Калифорнийского университета. Еще весной 1939 г. он стал исследовать распределение осколков деления урана по длине пробегов. Ему удалось выделить порцию таких осколков, чья длина пробега была очень малой. И в этой самой порции он обнаружил следы радиоактивного вещества с периодом полураспада 2,3 дня и высокой интенсивностью излучения. Другие порции осколков подобной активности не содержали. Это вещество «X», показал Е. Макмиллан, является продуктом распада изотопа урана, также содержащегося в выделенной порции короткопробежных осколков. Так ученый записал цепочку, которая в свое время виделась Э. Ферми:

Только теперь поиски вели уже не вслепую. Чтобы окончательно доказать образование нового элемента, требовалось вмешательство химии. На летние каникулы к Е. Макмиллану приехал его приятель, химик П. Абельсон, что и сыграло решающую роль в открытии элемента № 93. Совместными усилиями Е. Макмиллан и П. Абельсон установили химическую природу вещества с периодом полураспада 2,3 дня. Вещество можно было химическим путем отделить от урана и тория, хотя кое в чем наблюдалось и сходство. Зато никакой общности не было между этим веществом и рением. Так окончательно рухнуло предположение о том, что элемент № 93 должен быть экарением.

В начале 1940 г. в журнале «Physical Review» появилось сообщение о действительном открытии девяносто третьего элемента. Ему было дано имя «нептуний», по названию планеты, следующей в солнечной системе за Ураном (тем самым подчеркивалось и некоторое сходство нептуния с ураном).

Уже при синтезе нептуния проявилось существенное обстоятельство, которое характерно для открытия всех трансурановых (да и других синтезированных элементов). Первоначально был синтезирован один изотоп, с определенным массовым числом. Для нептуния это был изотоп 239Np. С той поры стало правилом датировать открытие нового трансуранового элемента по времени достоверного синтеза первого его изотопа. Но иногда этот изотоп оказывался таким короткоживущим, что его трудно было использовать для химических и физических исследований, не говоря уже о каком-либо практическом применении. Для изучения нового элемента лучше всего подходил бы его самый долгоживущий изотоп. В случае нептуния таким стал 237Np, синтезированный в 1942 г.:

Он имеет период полураспада 2,2∙106 лет. Однако получение его сопряжено с большими техническими трудностями. И потому все начальные работы по изучению свойств нептуния были выполнены на третьем его изотопе 238Np, его синтезировали по ядерной реакции

. Поэтому для истории трансурановых элементов важна и дата синтеза наиболее доступного для исследований изотопа, который далеко не всегда является самым долгоживущим.

Начиная с нептуния, первенство в открытии трансурановых элементов долгое время принадлежало американским ученым. Это легко понять, поскольку тяготы второй мировой войны мало сказались на США. Нужно, правда, подчеркнуть, что в 1942 г. элемент № 93 был независимо синтезирован немецким физиком К. Штарке.

В весовых количествах (несколько микрограммов) нептуний был выделен в 1944 г. Теперь его получают десятками килограммов в ядерных реакторах.

Тринадцать изотопов нептуния известно в настоящее время. Один из них (237Np) был обнаружен в 1952 г. в природе. Это еще один случай существования в природе синтезированного элемента и повод рассматривать для нептуния две самостоятельные даты открытия (так же как для Тс, Pm, At и Fr).

ПЛУТОНИЙ

Выделенный Е. Макмилланом и П. Абельсоном нептуний-239 был β-активным. Он закономерно должен был превращаться в изотоп следующего, девяносто четвертого элемента. Эти ученые, конечно, хотели стать авторами и его открытия, но их мечта не сбылась. Как выяснилось позже, предполагаемый элемент № 94 с массовым числом 239 имеет большой период полураспада, интенсивность его излучения низка. Открыватели нептуния зафиксировали лишь испускание α-частиц неизвестного происхождения (потом выяснилось, что их-то и испускает элемент № 94), и на этом всякие поиски прекратились.

Работы по его синтезу возглавил знаменитый американский ученый Г. Сиборг, под руководством которого было открыто много трансурановых элементов. В течение зимы 1940–1941 гг. группа Г. Сиборга изучала ядерную реакцию 238U (d, 2n), которая приводила к образованию изотопа 238Np. Со временем в нем накапливалось α-активное вещество. Ученые смогли его выделить и убедиться, что оно является изотопом элемента № 94 с массовым числом 238 и периодом полураспада около 50 лет. Новый элемент получил название «плутоний», по имени очередной планеты солнечной системы.

Г. Сиборг

И опять это был не самый долгоживущий изотоп. Его (массовое число 244 и Т½= 8,3∙107 лет) удалось обнаружить только в 1952 г. Определяющую роль в истории изучения плутония сыграл изотоп 239Pu, синтезированный весной 1941 г. Во-первых, он оказался долгоживущим (T½=24 360 лет), во-вторых, под действием медленных нейтронов 239Pu делился