Разложив остатки растений по «полочкам» пластов осадочных пород, ученые смогли разобраться, какие из пород старше или моложе, и составили относительную геохронологическую шкалу исторических событий на Земле, точные даты в которой появились на основании исследований пород радиоизотопными методами:
Вот так радиоактивность открыла нам прошлое Земли и объяснила, отчего человеку с момента появления его на планете были доступны только 92 химических элемента. Остальные элементы люди сделали сами. Одни из любопытства другие по необходимости, а некоторые из политических соображений.
Глава 3. Конкуренция за элементы
Отчего для нас он курчатовий, а для них резерфордий
В 70-е годы прошлого века все советские школьники в кабинетах химии видели в таблице Менделеева под номером 104 химический элемент с названием «курчатовий» (Ku). До сих пор многие из них, став взрослыми людьми, не понимают, куда делся этот родной нам элемент и почему на его месте теперь во всех периодических таблицах мира расположился заморский резерфордий.
История исчезновения курчатовия и замещения его резерфордием связана с интереснейшей и во многом загадочной областью физики синтезом тяжелых ядер. Именно синтез ядер замешан в истории с химическим элементом номер 104.
Ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон почти одинаково тяжелые масса нейтрона больше массы протона всего на 0,1378%. Самое легкое ядро у водорода (
1
Тяжелое, а значит, крупное по размеру ядро может распасться на несколько мелких. Такой процесс называется реакцией распада. Если происходит наоборот несколько более мелких ядер объединяются в одно более крупное, это событие называется реакцией синтеза. Естественные реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко. В процессе синтеза ядер гелия (
2
Единственный мирный вариант искусственного синтеза новых ядер в мирных целях доступен физикам, работающим на ускорителях тяжелых ионов. В таких экспериментах обычно получают считанные количества новых ядер до нескольких десятков. И нужно проявить большое искусство и сообразительность, чтобы с помощью приборов достоверно узнать, что за ядра получились при синтезе. Причем важно не только узнать ядра «в лицо», но и убедительно доказать, что «лицо» опознано верно. К тому же распознать продукт синтеза нужно необычайно быстро, поскольку он почти всегда не жилец тут же начинает делиться, испуская нейтроны, электроны или альфа-частицы и распадаясь на другие элементы долгоживущие.
В Советском Союзе исследования ядер тяжелых ионов инициировал Игорь Васильевич Курчатов в Институте атомной энергии, в Москве. Ими занялась группа физиков под руководством Георгия Николаевича Флерова.
В 50-е годы XX века физики стали ускорять тяжелые ионы (ядра углерода, азота и кислорода) на циклотроне диаметром в полтора метра, сталкивать их с неподвижными мишенями и исследовать происходящие при этом ядерные реакции. Это были первые попытки синтеза трансурановых элементов химическим элементов, которые тяжелее урана.
Впоследствии синтез сверхтяжелых химических элементов продолжился в международном ядерно-физическом центре в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В составе ОИЯИ специально для изучения сверхтяжелых элементов учредили целый научный институт под названием Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР ОИЯИ). Естественно, ее директором стал академик Георгий Николаевич Флеров.
В 1959 году там создали самый мощный на тот момент в мире 310-сантиметровый циклотрон тяжелых ионов. А ныне в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований функционируют три уникальных ускорителя тяжелых ионов У-400, У-400М и DC-280, последний из которых запущен в 2018 году на единственной в мире Фабрике сверхтяжелых элементов.
Фабрика сверхтяжелых элементов построена в ЛЯР ОИЯИ специально для синтеза сверхтяжелых элементов на основе новых технологий высокопоточного ускорительного комплекса DC-280. Всего за один месяц работы этого комплекса физики получают столько ядер сверхтяжелых элементов, сколько на других ускорителях они получали за год.
Так вот, в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций, в 1964 году и родился на свет химический элемент курчатовий. Для синтеза сто четвертого элемента выбрали реакцию слияния ядер плутония (
242
22
Ядра изотопа 104-го элемента с массовым числом 260 группа Флерова в Дубне получила при бомбардировке мишени из плутония пучком ускоренных ядер неона. Почему решили получить именно этот изотоп? Чтобы не обознаться, разыскивая среди осколков, вылетающих из обстреливаемой мишени, ядра нового 104-го элемента.
«Каждый новый элемент дается с большим трудом, чем предыдущие. Причины кроются в малых временах жизни тех изотопов, которые позволяют получать современные методы синтеза, и особенно в малых выходах этих элементов, обусловленных малыми сечениями реакций, малым количеством вещества мишени и ограниченными возможностями экспрессных методов выделения и идентификации короткоживущих изотопов». Эти слова принадлежат академику Г. Н. Флерову и его соавторам В. А. Друину и А. А. Плеве.
Время жизни новых сверхтяжелых элементов не сравнимо не только с вечностью, но даже с длиной человеческой жизни. В 1964 году американские ученые предсказали элементу 104, который они тоже готовились синтезировать, жизнь длиной в сотые доли секунды. Первые опыты показали, что живет он в десять раз дольше десятые доли секунды. Но и за это время «узнать в лицо» новый сверхтяжелый химический элемент, доказать, что это именно он, и изучить его химические свойства чрезвычайно трудно нужно либо стать волшебниками, либо проявить чудеса инженерной и научной мысли. Что и сделали в Лаборатории ядерных реакций сотрудники группы Флерова.
Почему трудно «узнать в лицо» новый химический элемент? Во-первых, потому что его никто никогда не видел. Во-вторых, потому что узнают его не глазами, а приборами. В-третьих, потому что узнавать его нужно, выделяя из толпы других ядер, которые образовались в реакции синтеза.
В процессе синтеза химических элементов 102, 103, 104 и 105 ученым удалось эти трудности обойти.
Как узнавали в лицо элемент 104
В ядре 104-го элемента число протонов и число нейтронов четные. Вероятность спонтанного деления ядер с четным количеством и протонов, и нейтронов очень велика. Зато почти все изотопы, которые могут образоваться во время синтеза, подвержены не спонтанному делению, а альфа-распаду. Поэтому присутствие в толпе ядер продуктов спонтанного деления атомов 104-го элемента и есть доказательство синтеза именно 104-го элемента [7].
Нужен детектор, который реагирует на осколки спонтанного деления и не замечает остальные частицы. Такой детектор сделали из стекла и слюды. Легкие частицы и тяжелые частицы с малой энергией на их поверхности не оставляли следов. А вот продукты спонтанного деления прорезали на стекле и слюде целые каналы.
Каналы травили кислотой и изучали под микроскопом, определяя энергию пробуривших их частиц. Искали оптимальную энергию ускоренных частиц, которыми били по неподвижной мишени. Оптимальная та, которая дает максимальный выход ядер элемента 104 в эксперименте синтеза.
Больше всего ядер 104-го производила бомбардировка мишени из плутония ядрами неона-22 с энергией около 115 МэВ. За 6 часов облучения получался один эпизод спонтанного деления.
Летом 1964 года состоялся заключительный эксперимент длительностью около 1000 часов. Добыто 150 ядер элемента 104.
Однако самое сложное было впереди. Нужно было доказать, что эти 150 ядер действительно принадлежат новому элементу 104, а не какому-то другому, уже известному. А метода идентификации химического элемента за десятые доли секунды тогда еще никто не придумал.
Вернее, такой метод уже был создан в Дубне. Над ним начали работать в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований еще в 1960 году за четыре года до начала синтеза «номера сто четыре».
Ключом к новому методу ультраэкспресс химической идентификации стала идея о том, что 104-й элемент должен быть аналогом гафния и поэтому обладать аналогичными гафнию химическими свойствами.
Эта идея была основана на актиноидной теории американского химика и физика Гленна Сиборга. Он утверждал, что элемент 103 последний актиноид.
Поскольку все актиноиды находятся в третьей группе, элемент 104, не будучи актиноидом, должен был попасть в следующую четвертую группу таблицы Менделеева и стать в горизонтали сразу за актинием, как гафний за лантаном «вождем» лантаноидов.
Значит, получив новый элемент, надо было проверить, ведет ли он себя, как гафний. Если да, то это и есть «номер сто четыре».
В 1960 г., когда физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ готовились к синтезу 104-го под руководством Флерова, сам Флеров и поручил молодому чехословацкому химику Иво Зваре разработать ультраэкспрессный метод химической идентификации ожидаемого элемента.
Метод был основан на том, что хлориды элементов III и IV групп имеют разные свойства. Хлориды элементов III группы, в том числе лантаноидов, остаются твердыми при нагревании до температуры около 250° C. А хлориды гафния (элемента IV группы) и его аналогов при такой температуре переходят в газообразное состояние. Получается, при 250° C разделить хлориды элементов III и IV групп технически возможно. Оставалось изобрести подходящую конструкцию, чтобы сразу после разделения смеси отвести хлорид гафния к месту анализа. Тогда идентификацию элемента, хлорид которого поступал на анализ, можно было бы провести за доли секунды.
На разработку ультраэкспрессного метода газовой хроматографии и создание прибора для этого технологического процесса ушло три года. Химикам удалось всего за четыре десятые доли секунды «схватить» прямо у мишени атомы гафния, образовавшиеся в результате ее бомбардировки, увлечь их высокоскоростным газовым потоком, прямо в потоке превратить гафний в хлорид гафния и довести летучий хлорид до детектора, который «опознает» в хлориде именно гафний.
Четырех десятых долей секунды должно было хватить, чтобы опознать изотоп 104-го элемента
260
К началу 1965 г. физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ научились получать ядра 104-го элемента в количестве нескольких десятков этого количества вполне хватало для ультраэкспрессного метода Иво Звары. Физики рассуждали так: если 104-й элемент аналогичен по своим химическим свойствам гафнию, то тетрахлорид 104-го элемента должен быть тоже летучим и должен успеть за время жизни ядра 104-го долететь по газовому тракту до детектора, который его распознает и зафиксирует его осколки. А если 104-й не похож на гафний, то детектор не зарегистрирует ничего.
Химики Лаборатории ядерных реакций в четырнадцати экспериментах на циклотроне зарегистрировали всего четыре осколка спонтанного деления ядер 104-го в двадцать раз меньше, чем ожидали. Увеличили температуру хлорида до 350° C, и в новой серии экспериментов зарегистрировали еще восемь атомов элемента 104. Последний эксперимент был завершен 26 марта 1966 года.
Вот так химики Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований подтвердили, что их коллеги-физики открыли в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ именно 104-й элемент таблицы Менделеева. Одновременно химики получили другой важный результат: элемент 104 является аналогом гафния и входит в IV группу таблицы химических элементов Менделеева.
Создатели элемента 104 предложили назвать его курчатовием в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова. Ученый совет Объединенного института ядерных исследований единогласно поддержал это предложение. И в таблице Менделеева на стенах школьных кабинетов химии на протяжении тридцати лет под номером 104 значился химический элемент курчатовий Ku.
Советские школьники даже не догадывались, что приоритет открытия 104-го элемента в Дубне, в ОИЯИ, был оспорен американскими учеными.
Американцы поставили под сомнение факт получения в Дубне изотопа
260
На конференции по трансурановым элементам в Хьюстоне в 1969 году американский физик и химик Альберт Гиорсо объявил: «На прошлой неделе мы облучили мишень из кюрия ионами кислорода в надежде найти спонтанно делящуюся активность, которая могла бы быть обусловлена распадом
260
260
260
За этим устным выступлением никаких научных сообщений об исследовании изотопа
260
260
Поэтому в Дубне провели новые эксперименты, где был еще раз химически идентифицирован элемент 104. О них сообщил научный журнал «Радиохимия» в своем первом выпуске 1972 года. В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ получили и исследовали изотопом
259
Для новых экспериментов создали новую методику химической идентификации элемента. Она позволяла отфильтровывать и атомы более легких, чем курчатовий, трансурановых элементов, и его короткоживущий изотоп
260
Новые эксперименты в Дубне еще раз подтвердили аналогию химических свойств курчатовия и гафния. Их результаты не оставили сомнений в том, что именно в Дубне, а не в Беркли был впервые синтезирован элемент 104.
Несмотря на эти убедительные доказательства, после распада СССР, в 1997 году, съезд Международного союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК IUPAC) окончательно присвоил элементу 104 название «резерфордий».
Глава 4. Химические супертяжеловесы
Как и зачем создают элементы времен сотворения мира
На самом деле в Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли то есть больше 4,5 миллиардов лет. Остальные химические элементы распались, не дожив до наших дней. Уран, у которого период полураспада около 4,5 миллиарда лет, всё ещё распадается, и поэтому мы находим его в земной коре.
Но некоторые из распавшихся элементов, которых уже нет на Земле, в середине ХХ века ученые научились получать сначала в лаборатории, а потом и в промышленных масштабах. Всем известный пример плутоний. Его нарабатывают в ядерных реакторах. В ядре плутония 94 протона ядро тяжелое. Изотоп плутония массой 239 (
239
Но есть искусственные элементы и потяжелее плутония. Их уже целых двадцать четыре почти пятая часть таблицы. Может ли химических элементов быть еще больше и есть ли предел у таблицы Менделеева, вопрос остается открытым. Разгадку этой тайны ищут в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне под научным руководством академика Юрия Оганесяна. Да-да, того самого академика Оганесяна, в честь которого назван 118-й элемент Таблицы Менделеева.
Вот какой разговор о пределах количества элементов во Вселенной состоялся у автора этой книги с Юрием Цолаковичем Оганесяном в 2006 году по просьбе редакции газеты «Московские новости».