Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

земель. Из четырнадцати известных ныне изотопов калифорний-245 был не самым долгоживущим. Наибольший период полураспада (900 лет) имеет калифорний-251, синтезированный в 1954 г. Весовые количества этого элемента ученые выделили в 1958 г., а металлический калифорний стал реальностью в 1971 г.

ЭЙНШТЕЙНИЙ И ФЕРМИЙ

Синтезировав калифорний, американские ученые (да и их коллеги в других странах) серьезно задумались, как же двигаться дальше. Реально ли в обозримом будущем ставить задачу прорыва в еще более далекую область неизвестных трансурановых элементов?

В самом деле, не было видно реальных путей накопления достаточных для изготовления мишеней количеств берклия и калифорния, чтобы, обстреляв их α-частицами, синтезировать девяносто девятый и сотый элементы. Препятствием этому были слишком малые периоды полураспада берклия и калифорния, измерявшиеся часами и минутами (долгоживущих изотопов ученые еще не знали). Предполагался лишь один более или менее реальный путь: длительное облучение плутония интенсивным источником нейтронов, но ждать результатов пришлось бы долгие годы.

Конечно, было бы желательно получить такой мощный поток нейтронов, который сразу бы помог решить проблему. Так уран либо плутоний, захватив большое число нейтронов за короткий промежуток времени, превратились бы в очень тяжелые изотопы, например:

или

Давно было известно, что ядра избавляются от избытка нейтронов в результате превращения их в протоны, т. е. путем β-распада. Эти цепочки последовательных β-превращений могут оказаться настолько длинными, что дотянутся до образования изотопов 99-го и 100-го элементов.

Расчеты же показывали, что мощности нейтронных потоков в ядерных реакторах являются слишком слабыми, чтобы осуществить идею на практике. Кроме того, теоретики видели беду и в предполагаемых малых продолжительностях жизни изотопов элементов № 99 и № 100.

1 ноября 1952 г. американцы произвели взрыв термоядерного устройства на атолле Эниветок в Тихом океане. Несколько сотен килограммов почвы на месте взрыва (получившей кодовое название «дорогостоящая грязь») были собраны со всеми предосторожностями и отправлены в США. Группы исследователей во главе с Г. Сиборгом и А. Гиорсо произвели тщательное изучение этого радиоактивного пепла. В нем было обнаружено много различных радиоактивных изотопов трансурановых элементов, и в том числе два изотопа, которые могли быть не чем иным, как изотопами 99-го или 100-го элементов.

В ходе термоядерного взрыва мощность нейтронных потоков оказалась гораздо выше, чем предполагалось. Благодаря этому и реализовались процессы захвата нейтронов ураном, представленные выше. Изотопы 253U и 255U, испустив соответственно одну за другой 7 и 8 β-частиц, превратились в изотопы элементов девяносто девятого (25399) и сотого (255100). Их периоды полураспада оказались малыми, но вполне приемлемыми, однако, для исследований (20 дней и 22 ч).

Новые элементы получили названия «эйнштейний» (в честь А. Эйнштейна) и фермий (в честь Э. Ферми). Их долгоживущие изотопы 254Es (T½=270 дней) и 252Fm (T½=80 дней) были синтезированы значительно позже в лабораториях.

Таким образом, эйнштейний и фермий были открыты, если можно так выразиться, незапланированно.

Сакраментальный вопрос: «А что же дальше» — вставал с новой остротой. Уже было совершенно ясно, что, чем больше Z, тем меньше времена жизни изотопов. Предполагалось, что для элементов с Z>100 счет должен был вестись уже на секунды. Вопрос о накоплении таких изотопов в сколь-либо приемлемых количествах не имел смысла. До сих пор химическая идентификация новых трансурановых элементов проводилась с помощью метода ионообменной хроматографии, путем установления их аналогии с соответствующими представителями редкоземельного семейства. Но слишком короткоживущие изотопы распадутся раньше, чем успеют выйти из хроматографической колонки, и тем самым исказят действительную химическую картину.

Природа, казалось, поставила перед учеными непреодолимый барьер, не давая им надежды проникнуть в область элементов второй сотни.

МЕНДЕЛЕВИЙ

Великих успехов достигли ученые, добравшись до сотого элемента, в названии которого, наконец-то, было увековечено имя Энрико Ферми, предпринявшего некогда первый поход за трансуранами.

За фермием отчетливо вырисовывались контуры страшной опасности: во весь рост поднялся главный враг трансурановых элементов — спонтанное деление. По этому виду радиоактивных превращений изотопы с Z=100 должны были, согласно расчетам, оказаться весьма короткоживущими. Успешный синтез эйнштейния и фермия в мощных нейтронных потоках сначала вселял оптимизм. Но теоретики заявили, что за фермий продвинуться не удастся, ибо слишком мал его период полураспада по спонтанному делению. Ядро сотого элемента быстрее распадется на два осколка, нежели успеет испустить β-частицу.

И все же элемент № 101 оказался последним, который удалось синтезировать классическим методом, применяя в качестве бомбардирующего агента легкую α-частицу. К 1955 г. Г. Сиборгу и его коллегам удалось накопить количество эйнштейния, измеряемое миллиардом атомов. Со всей тщательностью столь мизерное количество нанесли на подложку из золотой фольги, где цена золота по сравнению с ценой эйнштейния была смехотворно низкой. Мишень обстреляли α-частицами. Ученые полагали, что произойдет ядерная реакция:

. Образующиеся атомы элемента № 101 благодаря отдаче вылетали из эйнштейниевого слоя и застревали в золотой фольге. После опыта фольгу растворяли и полученный раствор подвергали разделению на хроматографической колонке. Самый ответственный момент — уловить, когда порция раствора, содержащая элемент № 101, выходит из колонки и зарегистрировать случаи спонтанного деления.

Всего пять (!) актов деления удалось зарегистрировать в первом эксперименте. Но и этого хватило, чтобы опознать изотоп элемента № 101. Потом выяснилось, что период его полураспада составляет 3 ч, а массовое число равно 256. Подобная долгоживучесть оказалась неожиданной, и эта неожиданность способствовала успешному синтезу нового элемента. Его назвали менделевием (символ Md), в честь признания заслуг великого русского химика Д. И. Менделеева, который первым использовал для предсказания свойств неоткрытых химических элементов периодическую систему. Так писали авторы открытия менделевия.

Позже, когда символ Md определился в 101-й клетке таблицы, они красочно описали, как все это происходило. Атмосфера уныния царила в лаборатории, рассказывали Г. Сиборг и его коллеги. При попытке синтезировать и идентифицировать элемент № 101 было выполнено несколько тщательных опытов. Увы, они оказались неудачными. Наконец, был поставлен последний, решающий опыт, когда можно было рассчитывать на удачу. В лучшем случае предполагалось получить один или два атома, упорно ускользавшего из рук элемента № 101. Затаив дыхание, ученые ожидали показаний прибора, который регистрировал спонтанное деление. Прошел час. Ночь была уже на исходе. Ожидание казалось бесконечным.

И вдруг, вспоминали авторы открытия, перо самописца стремительно двинулось на середину шкалы и вернулось обратно, прочертив тонкую красную линию. Такой скачок ионизации никогда не наблюдался ранее при исследовании радиоактивных материалов. Вероятно, этот скачок был сигналом ожидавшегося деления. Примерно через час удалось зарегистрировать второй скачок. Теперь появилась уверенность, что произошел распад двух атомов элемента № 101, и его