Химия
Введение
Как были открыты трансурановые элементы
Вопрос о границах периодической системы наиболее сложен. Сколько элементов существует в природе? Сколько их может быть создано человеком? В пределах от водорода до урана их ровно 92 -ни больше, ни меньше. Это доказано периодическим законом. До водорода нет ни одного: не может быть атома с зарядом ядра меньше единицы. Но периодический закон химических элементов не дает ответа на вопрос, сколько же элементов за ураном.
Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о "достоверном" открытии нового "тяжелого" элемента с атомной массой большей, чем у урана. Например, элемент № 93 "открывали" в природе многократно, он получал имена "богемий", "секваний". Но эти ложные открытия оказывались каждый раз следствием ошибок. Они, по существу, характеризуют чрезвычайную трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.
Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле практически нет.
Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана были связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать р-лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической таблице на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше - происходит превращение элементов. Под воздействием нейтронов образуются более тяжелые элементы.
Естественно, что была сделана попытка подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что, так же как и у других элементов, у урана при этом появится реактивность и в результате бета--распада возникнет новый элемент с номером, на единицу большим, который и должен занять 93-ю клетку в системе Менделеева. Было высказано предположение, что этот элемент должен быть похож на рений, поэтому он был заранее назван экарением.
Первые опыты, казалось, сразу же подтвердили такое предположение. Даже больше - было обнаружено, что при этом возникает не один новый элемент, а несколько. Были опубликованы сообщения о возникновении сразу шести новых элементов тяжелее урана. Кроме экарения были "обнаружены" экаосмий, экаиридий, экаплатина и эказолото.
И все открытия оказались ошибкой. Но это была замечательная ошибка. Она привела науку к величайшему из достижений физики за всю историю человечества - к овладению энергией атомного ядра.
Оказалось, что все было не так. Никаких трансурановых элементов не было найдено. У странных новых элементов тщетно пытались найти предполагаемые свойства, которыми должны были обладать элементы от экарения до эказолота. И вдруг среди этих элементов неожиданно были обнаружены радиоактивный барий и лантан. Не трансурановые, а самые обычные, но радиоактивные элементы, места которых находятся в середине периодической таблицы Менделеева.
Прошло немного времени, и этот очень неожиданный и очень странный результат был правильно понят. Почему из атомных ядер урана, стоящего в конце периодической системы элементов, при действии нейтронов образуются ядра элементов, места которых находятся в ее середине? Например, было найдено, что при действии нейтронов на уран возникают элементы, соответствующие следующим клеткам периодической системы:
35 — бром и 57 — лантан
36 — криптон и 56 — барий
37 — рубидий и 55—цезий
38 — стронций и 54 — ксенон
39 — иттрий и 53 — иод
40 — цирконий и 52 — теллур
Много элементов было найдено в невообразимо сложной смеси радиоактивных изотопов, образующихся в уране, облученном нейтронами. Хотя все они оказались старыми, давно знакомыми химикам элементами, в то же время это были новые вещества, впервые созданные человеком.
В природе нет радиоактивных изотопов брома, криптона, стронция и других тридцати четырех элементов - от цинка до гадолиния, возникающих при облучении урана. В науке часто так бывает: самое загадочное и самое сложное оказывается простым и ясным, когда оно разгадано и понято. Когда нейтрон попадает в ядро урана, оно раскалывается, расщепляется на два осколка - на два атомных ядра меньшей массы (рис. 15). Эти осколки могут быть различного размера, поэтому-то и образуется так много различных радиоактивных изотопов обычных химических элементов.
Рис. 15. Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно возбуждается, в нем возникают сильные колебательные движения, похожие на колебания капли воды.
Одно атомное ядро урана (92) распадается на атомные ядра брома (35) и лантана (57), осколки при расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами криптона (36) и бария (56). Каждый раз сумма атомных номеров образующихся осколочных элементов будет равна 92.
Это было началом цепи великих открытий, изменяющих судьбу человечества. Вскоре обнаружили, что под ударом нейтрона возникают из ядра атома урана-235 не только осколки - ядра с меньшей массой, но и два-три нейтрона (рис. 16). Каждый из этих нейтронов, в свою очередь, способен снова вызвать расщепление атома урана. А при каждом таком распаде выделяется очень много энергии. Это и стало началом овладения человеком внутриатомной энергией.
Рис. 16. Возбужденное ударом нейтрона ядро урана-235 раскалывается на две части. Получается два ядра-осколка. Обычно у них разная масса и разные заряды. Таким образом возникают радиоактивные изотопы элементов, находящихся в середине периодической таблицы. При таком делении из ядра урана-235 вылетают 2-3 новых нейтрона, каждый из которых может вызвать расщепление нового ядра урана-235.
Среди огромного множества осколочных продуктов при расщеплении ядер урана был впоследствии обнаружен остававшийся долгое время незамеченным первый настоящий трансурановый элемент -№ 93 (рис. 17 и 18). Он возникал при действии нейтронов на уран-238. Химическими свойствами он оказался весьма сходным с ураном и совсем не был похож на рений, как это ожидали при первых попытках синтезировать элементы тяжелее урана. Поэтому его и не могли сразу обнаружить.
Рис. 17. Нейтрон, попавший в ядро урана-238, остается в ядре. Образуется новый изотоп урана -уран-239. Такого урана в природе нет. Это короткоживущий атом, обладающий бета--радиоактивностью.
Первый созданный человеком элемент, лежащий за пределами "естественной системы химических элементов", был назван нептунием, по имени планеты Нептун. Его создание расширило для нас границы, определенные самой природой. Так же и предсказанное открытие планеты Нептун расширило границы наших знаний о Солнечной системе.
Рис. 18. При потере одной бета--частицы уран-239 превращается в элемент № 93 — нептуний — первый трансурановый элемент.
Вскоре был создан и 94-й элемент. Он также получил имя, взятое "с неба", в честь последней планеты Солнечной системы. Его назвали плутонием. В периодической таблице Менделеева он следует по порядку за нептунием, аналогично последней планете Солнечной системы Плутону, орбита которой лежит за орбитой Нептуна.
Элемент № 94 был обнаружен точно в соответствии с законами построения периодической системы. Он возникает из первого искусственного трансуранового элемента нептуния при его бета--распаде (рис. 19).
Рис. 19. Нептуний, теряя бета--частицу, превращается в плутоний.
Плутоний - единственный из трансурановых элементов, который теперь получают в атомных реакторах в очень больших количествах. Так же как и уран-235, он способен расщепляться под действием нейтронов и применяется как "топливо" в атомных реакторах.
Элементы № 95 и 96 носят названия америций и кюрий. Они также получаются теперь в атомных реакторах. Оба элемента обладают очень большой радиоактивностью - испускают а-лучи. Радиоактивность этих элементов настолько велика, что растворы их солей нагреваются, закипают и очень сильно светятся в темноте.
Все трансурановые элементы - от нептуния до америция и кюрия - были получены в достаточно больших количествах, чтобы подробно изучить их свойства. В чистом виде это металлы серебристого цвета, все они радиоактивны и химическими свойствами очень похожи друг на друга, а все вместе -на уран.
Очень интересный элемент калифорний - шестой после урана. Калифорний впервые был создан по методу, основанному на периодическом законе: пластинка урана была подвергнута в циклотроне бомбардировке ядрами углерода, обладающими большой энергией. Почему при этом должен получиться 98-й элемент калифорний, сообразите сами. Рисунок 20 вам в этом поможет.
Рис. 20. Калифорний возникает при обстреле урана-238 ядрами углерода.
Был выделен в чистом виде и 97-й элемент -берклий. Для этого пришлось положить чистый препарат плутония внутрь ядерного реактора, где он целых шесть лет находился под действием мощного потока нейтронов. За это время в нем накопилось несколько микрограммов элемента № 97. Плутоний извлекли из атомного реактора, растворили в кислоте и из смеси выделили наиболее долгоживущий берклий-249. Он радиоактивен - за год распадается наполовину. Пока удалось получить только несколько микрограммов берклия. Но этого количества хватило ученым, чтобы точно изучить его химические свойства.
Очень интересна история открытия двух следующих трансурановых элементов: 99-го и 100-го. Впервые они были найдены в облаках и в "грязи". Чтобы изучить; что образуется при термоядерных взрывах, самолет пролетел сквозь взрывное облако, и на бумажные фильтры были собраны пробы осадка. В этом осадке и были найдены следы присутствия двух новых элементов. Чтобы получить более точные данные, на месте взрыва собрали большое количество "грязи" - измененной взрывом почвы и горной породы. Эту "грязь" переработали в лаборатории и из нее выделили два новых элемента. Их назвали эйнштейнием и фермием, в честь ученых Эйнштейна и Ферми, которым человечество многим обязано за открытие путей овладения атомной энергией. Эйнштейну принадлежит закон эквивалентности массы и энергии, а Ферми построил первый атомный реактор.
Найдены и другие методы получения обоих этих элементов, правда, пока еще в столь исчезающе малых количествах, что даже увидеть их никому не удалось. Одним из самых великих достижений, которым по справедливости может гордиться наука, следует назвать создание 101-го элемента, который получил имя великого творца периодической системы химических элементов, положившей начало овладению тайнами строения атома, - имя Дмитрия Ивановича Менделеева.
Рис. 21. Менделевий возникает при действии быстрых а-частиц на ядра атомов эйнштейния.
Менделевий был получен следующим образом (рис. 21). На листочек тончайшей золотой фольги нанесли совершенно невидимое покрытие, состоящее приблизительно из одного миллиарда атомов эйнштейния. Альфа-частицы с очень большой энергией, пробивая золотую фольгу с обратной стороны, при соударении с атомами эйнштейния могли вступать в ядерно-химическую реакцию и образовывали атомы нового, 101-го элемента. При таком соударении образовавшиеся атомы менделевия вылетали с поверхности золотой фольги и собирались на другом, расположенном рядом тончайшем золотом листочке. Таким остроумным путем удалось выделить в чистом виде атомы 101-го элемента из сложной смеси эйнштейния и продуктов его распада. Невидимый налет смывался кислотой и подвергался радиохимическому исследованию.
Поистине это было чудом. Исходным материалом для создания 101-го элемента в каждом отдельном опыте служил приблизительно один миллиард атомов эйнштейния. Это очень мало - значительно меньше одной миллиардной доли миллиграмма, а получить эйнштейний в большем количестве было невозможно. Заранее было подсчитано, что из всего миллиарда атомов эйнштейния при многочасовой бомбардировке а-частицами может прореагировать всего только один-единственный атом эйнштейния и, следовательно, может образоваться только один атом нового элемента. Нужно было не только суметь его обнаружить, но и сделать это так, чтобы выяснить по одному лишь атому химическую природу элемента.
И это было сделано. Успех опыта превзошел расчеты и ожидания. Удалось заметить при одном эксперименте не один, а даже два атома нового элемента. Всего в первой серии опытов было получено семнадцать атомов менделевия. Этого оказалось достаточно, чтобы установить и факт образования нового элемента, и его место в периодической системе и определить его основные химические и радиоактивные свойства. Оказалось, что это а-активный элемент с периодом полураспада около получаса.
Ученые искусственно изготовили 102-й и 103-й элементы. Первый не получил окончательного названия, а второму дали имя лоуренсий (в честь Лоу-ренса - изобретателя циклотрона). В 1964 г. советские ученые синтезировали 104-й элемент, а в 1970 г.-105-й (см. ст. "На краю таблицы Менделеева").
2i.SU ©® 2015