На краю таблицы Менделеева

Незримую грань, отделявшую 101-й элемент — менделевий от соседнего 102-го, еще не имеющего названия, физики преодолевали почти одиннадцать лет. Это была трудная задача. Потребовались новые атомные машины — ускорители, новые методы изучения атомных ядер и тысячи часов напряженной работы, чтобы открыть 102, 103, 104, 105-й...

Чтобы получить новый элемент, нужно повысить заряд ядра какого-либо известного тяжелого элемента. Существует много способов изменения заряда ядра. Обстреляем изотоп ²⁴²₉₄Ри нейтронами. Ядро этого элемента после захвата нейтрона превратится в изотоп того же плутония с массой 243 атомных единицы. Такое ядро само повышает свой заряд, испуская электрон — бета-частицу, и становится ядром америция — 95-го элемента.

В атомных реакторах с интенсивным потоком нейтронов так получают все элементы, вплоть до 99-го — эйнштейния. По-видимому, удастся получить и весьма малые количества фермия. Однако к элементам с большими порядковыми номерами такой путь закрыт. Дело в том, что все изотопы элементов с атомным номером, большим 99, очень быстро распадаются, а процесс захвата нейтронов даже в самых мощных реакторах требует длительного времени. Это десятки дней, а то и многие месяцы. Можно сказать, что ядра изотопов уже 100-го элемента гибнут в нейтронном потоке, не успев родиться. Американские ученые пытались добыть новые элементы в громадных нейтронных потоках, возникающих при подземных термоядерных взрывах, но без успеха.

Есть другой путь: сливать воедино два атомных ядра. Тогда заряд получающегося при этом «слитка» будет равен сумме зарядов ядер. Так был получен менделевий:

Простая арифметика, но на деле явление оказывается сложным. Прежде всего слияние таких ядер может произойти, если они сближаются при очень большой скорости, потому что между ядрами действуют силы электромагнитного отталкивания — у ядер заряд одного знака. Только на очень малых расстояниях между ядрами, когда они уже соприкасаются поверхностями, начинают действовать мощные ядерные силы притяжения. Тогда-то и происходит слияние ядер.

В обычных условиях ядра не взаимодействуют. Ядра гелия должны лететь со скоростью 10 000 км/с, чтобы достигнуть поверхности тяжелых ядер эйнштейния. Таких быстрых ядер в природе не бывает. Их получают физики на специальных машинах — ускорителях. Однако и быстрый гелий не поможет, если цель — ядра 102-го элемента. Дело в том, что из 100-го элемента не изготовишь мишень, которую можно бомбардировать ускоренными частицами. Фермий пока получают в очень малых количествах, да если бы его было и больше, с фермиевой мишенью трудно работать — скорость распада его изотопов очень велика и радиоактивность мишени из этого материала была бы чрезмерно большой. Если же взять элементы с меньшим атомным номером, то, сливаясь с ядрами гелия, ядра мишени образуют элемент с атомным номером меньше 102.

Поэтому 102-й элемент и последующие элементы пришлось получать по-новому. Потребовались ускоренные пучки тяжелых ионов, у которых заряд ядер больше двух. В Лаборатории ядерных реакций в Дубне был построен самый мощный ускоритель тяжелых ионов — специальный циклотрон. На этом циклотроне ускоряют кислород, неон, аргон, цинк... Зал циклотрона — огромное помещение, почти не уступающее по размерам залу Большого театра. Диаметр полюсов магнита 310 см, а масса 2200 т. Все остальные узлы и детали циклотрона под стать размерам магнита. По его многотонной обмотке про-текает ток силой 2000 А. -Мощность высокочастотного генератора, питающего циклотрон, 500 кВт. Напряжение между высокочастотными электродами — дуантами — 260 кВт. В центре циклотрона ионный источник. Из этого сложнейшего устройства ионы начинают свой путь к мишени.

Нелегко отработать все узлы циклотрона так, чтобы получить интенсивные пучки быстрых ионов, обрушивающихся на мишень. Работа ионного источника высокочастотного генератора, вакуумных насосов, стабилизация тока магнита — все это должно быть безупречным. На циклотроне в Лаборатории ядерных реакций были получены самые интенсивные в мире пучки ускоренных тяжелых ионов. Мощности пучков кислорода, неона, аргона в сотни раз превосходят мощности, достигаемые в самых лучших американских ускорителях. Это упрощало задачу, но все же получить и изучить ядра 102, 103, 104 и 105-го элементов было чрезвычайно сложно.

Посмотрим, что происходит, когда сливаются ядро изотопа неона-22 и ядро урана-238:

В получившемся «слитке» 102 протона (сумма зарядов неона и урана), а его масса равна 238+22=260 атомным единицам. Такой ядерный слиток называют составным ядром. Составное ядро ведет себя как капля жидкости. Такая капля ядерного вещества неустойчива — в ней содержится избыток энергии, внесенной тяжелым «снарядом» — ядром неона. Поэтому составное ядро деформируется, начинает совершать колебания и затем делится на ядра-осколки. Нового элемента не возникает... К счастью, из правила бывают исключения. Так, в одном из ста миллионов случаев составное ядро ²⁶⁰102 «испаряет» один за другим 4 нейтрона, отдает с ними избыток энергии и остается жить. Нейтроны не имеют заряда, и их потеря не сказывается на атомном номере, только масса рожденного ядра будет на четыре единицы меньше суммы масс неона и урана. В процессе образования ядер 102-го элемента лишь одна стомиллионная доля прореагировавших ядер становится атомами этого элемента. Поэтому нелегко обнаружить среди осколков деления ядра 102-го элемента. Было поставлено множество опытов по синтезу элемента № 102. И только в 1966 г. на циклотроне в Дубне получили неопровержимое доказательство синтеза этого неуловимого элемента. В опытах плутониевая мишень облучалась кислородом. Под действием импульса тяжелого иона изотопы вновь родившегося элемента вылетали из мишени, тормозились в газе и с газовой струей поступали на металлический сборник. Сборник «подносил» атомы 102-го к приборам. Ядра 102-го элемента испытывают радиоактивный распад и при этом испускают а-частицы. Приборы регистрируют а-частицы и измеряют их энергию. По скорости распада и энергии а-частиц физики и отличают атомы 102-го элемента от других, рождающихся в побочных ядерных реакциях. Бомбардируя уран неоном, физик получает не только ядра 102-го элемента, но и множество ядер-осколков с малыми атомными номерами. Иногда неон отдает урану лишь часть своих нуклонов (нейтронов и протонов), и тогда образуются ядра 100, 99, 98-го элементов. Но из ядер 102-го вылетают а-частицы, характерные только для него; они-то и рассказывают физику о свойствах нового элемента. Таким же способом, изучая а-распад нового элемента, в Дубне удалось открыть 103-й элемент.

Рис. 1. Схема опыта получения элемента № 104 (или 105): 1 — мишень; 2 — фольга-подложка; 3 — лента-конвейер.

Обнаружить новый элемент можно не только по испускаемым им а-частицам, но и по другому виду распада — спонтанному делению, когда атомное ядро делится на две примерно равные части. Энергия ядер-осколков во много раз больше энергии а-частиц. Энергичные осколки деления обнаружить значительно проще, чем а-частицы. Поэтому первые атомы 104-го и 105-го элементов были открыты в Лаборатории ядерных реакций по их самопроизвольному делению. На рисунке 1 изображена схема получения и регистрации ядер 104-го и 105-го элементов. На мишень (1) падает пучок быстрых ядер неона. Пройдя алюминиевую фольгу-подложку (2), неон пр.они-кает в плутониевый (если получают элемент 104) или америциевый (если получают элемент 105) слой. Там ядро-снаряд и ядро-мишень сливаются в составное ядро. Только одно из десяти миллиардов составных ядер становится атомом нового элемента, остальные делятся на осколки. Импульс, внесенный неоном, выносит ядро нового элемента на движущуюся никелевую ленту-конвейер (3). Теперь ядра нового элемента движутся вместе с лентой. Ядро 104-го или 105-го элемента должно делиться, но не мгновенно, а через какое-то время после своего рождения. За это время никелевая лента успевает перенести атомы к регистраторам осколков. Такими регистраторами могут быть ионизационные камеры А и Б. Ядра нового элемента все время делятся на ленте. Поэтому мимо ионизационной камеры Б лента всегда пронесет меньшее число новых ядер, чем мимо камеры А, и число разделившихся и зарегистрированных у камеры А ядер будет большим, чем у Б. Допустим на счетчике, соединенном с камерой А, зарегистрировано 40, а на счетчике, соединенном с камерой Б, 20 импульсов. Если скорость ленты v, а расстояние между ионизационными камерами l, то от камеры А до камеры Б ядра нового элемента транспортируются за время t₀=l/v .

Рис. 3. Крупнейший действующий ускоритель многозарядных ионов — циклотрон У-300 (Лаборатория ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований).

Если камерой В зарегистрировано вдвое меньше импульсов, чем камерой А, то число ядер нового элемента, пронесенных лентой мимо камеры Б, также вдвое меньше. Значит, за время t₀ половина ядер разделилась (t₀ — это время, равное периоду полураспада нового элемента). Расстояние l и скорость v мы выбираем сами. Зная значения этих величин и показания счетчиков, физики вычисляют период полураспада нового элемента.

Рис. 2. Схема исследования химических свойств элемента № 104: 1 — мишень; 2 — фильтр, задерживающий актиноиды; 3 — слюдяные детекторы.

В первых же опытах возникли непредвиденные трудности. Появились новые необычные спонтанно делящиеся ядра с периодом полураспада, близким к ожидаемому у новых элементов. Их назвали спонтанно делящимися изомерами. Был открыт новый процесс деления ядер, совершенно не предвиденный теорией. Осколки спонтанно делящихся изомеров маскировали распад и затрудняли поиски элементов. Для этого был создан новый метод регистрации осколков. Пришлось вдоль ленты установить на большой длине несколько детекторов. Теперь в одном опыте подсчитывались осколки деления в широком интервале времени жизни ядер.

Детекторы осколков, не чувствительные к другим частицам, — обычные стекла. Если к стеклянной пластинке поднести платиновую фольгу с нанесенным на нее спонтанно делящимся веществом, то осколок на поверхности стекла оставит след. Размер следа осколка равен длине цепочки из нескольких десятков атомов. Такие маленькие следы невозможно рассмотреть даже в самый сильный оптический микроскоп. Их можно увидеть в электронный микроскоп, но в этом случае потребовались бы годы на подсчет следов-треков. Помогла химия. Стекло растворяется в плавиковой кислоте. Если стеклянную пластинку, обстрелянную осколками, поместить в раствор плавиковой кислоты, то в местах, куда попали осколки, стекло будет растворяться быстрее и там образуются лунки. Их размеры в сотни раз больше первоначального следа, оставленного осколком. Лунки можно наблюдать в микроскоп со слабым увеличением. Другие радиоактивные излучения наносят поверхности стекла меньшие повреждения и не просматриваются после травления.

В 1964 г. начались опыты по синтезу 104-го элемента уже на основе новой методики: 104-й искали в «щелях» времени между спонтанно делящимися изомерами. Идет опыт. Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок часов лента несет синтетические ядра к стеклянным пластинкам. Наконец циклотрон выключен. Стеклянные пластинки переданы на обработку в лабораторию. С нетерпением ждем результата. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков. По их положению вычислили период полураспада. Он оказался в интервале времени от 0,1 до 0,5 с.

Опыт повторили. Эффект исчез. Новый многочасовой опыт. Обнаружено пять треков, оставленных осколками новых ядер. Еще опыты. Треки в нужной области то появлялись, то исчезали. Такое явление никогда не наблюдалось при изучении спонтанно делящихся изомеров. Мы установили, что если мишень бомбардировать 5 ч ядрами неона со скоростью 31 500 км/с, то образуются два новых ядра; если же скорость неона увеличится до 32 000 км/с, то за такое же время образуется лишь одно ядро 104-го. Такая связь выхода новых ядер со скоростью бомбардирующих частиц могла быть только в том случае, когда образовывались ядра 104-го элемента. У изученных раньше спонтанно делящихся изомеров выход с увеличением скорости частиц-снарядов возрастал. Было поставлено еще несколько дополнительных опытов. Все они подтвердили — новый элемент открыт!

На этом гигантском ускорителе — самом мощном синхроциклотроне в мире (1972), у которого только одни магниты весят более 6 тыс. т, советские исследователи ведут очень важные исследования по выяснению загадочных свойств атомного ядра. На этом приборе было впервые проведено опытное изучение природы ядерных сил и синтезировано удивительное ядро гелия-8 с огромным избытком нейтронов. На синхроциклотроне ведется большая работа по созданию атомов, в которых вместо электронов на орбитах вращаются тяжелые частицы — мезоны с массой в 207 раз большей. Рождается новая, очень важная отрасль химии — мезохимия. В земных условиях на этом ускорителе можно создавать потоки космических лучей. На нем была отработана и испытана защита космических кораблей и обеспечена безопасность космонавтов при полетах в космосе.

Шли годы, и в 1969 г. вместо плутониевой мишени физики Дубны поставили америциевую. Начался штурм 105-го элемента. Изотопы этого элемента образуются с еще меньшей вероятностью, чем атомы 104-го. Поэтому пришлось увеличить интенсивность пучка неона. На это и ушло время. Самый далекий элемент образовывался в ядерной реакции:

Время жизни новых ядер оказалось равным примерно 2,8 с (период полураспада ~ 2с). После синтеза 104-го и 105-го элементов надо было изучить их химические свойства. Нужно было получить подтверждение, что электронная оболочка нового элемента застраивается так, как следует из таблицы Менделеева, и 104-й уже не относится к актиноидному ряду. На рисунке 2 показана схема исследования химических свойств 104-го элемента. Атомы отдачи выходят из мишени в струю азота, тормозятся в ней, а затем хлорируются. Соединения

104-го элемента с хлором легко проникают через специальный фильтр, а все актиноиды не проходят. Если 104-й принадлежал бы к актиноидному ряду, то и он бы задержался фильтром. Однако исследования показали, что 104-й элемент — это химический аналог гафния. Это важнейший шаг в заполнении таблицы Менделеева новыми элементами. По предложению авторов открытия 104-го элемента его назвали курчатовий, в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова. Курчатовий обозначают символом Кu.

Затем в Дубне были изучены химические свойства 105-го элемента. Оказалось, что его хлориды адсорбируются на поверхности трубки, по которой они движутся от мишени при температуре более низкой, чем хлориды гафния, но более высокой, чем хлориды ниобия. Так могли бы вести себя только атомы элемента, близкого по химическим свойствам к танталу. Посмотрите на таблицу Менделеева: химический аналог тантала — элемент № 105! Поэтому опыты по адсорбции на поверхности атомов 105-го элемента подтвердили, что его свойства совпадают с предсказываемыми на основе периодической системы.

Несколько позднее был изучен и а-распад нового элемента. Один из его изотопов — ядро ²⁶⁰105 испускает а-частицы с энергией 9,06 МэВ, а при распаде другого изотопа — ²⁶¹105 рождаются а-частицы с энергией 8,93 МэВ. Работа по изучению основных свойств элемента № 105 завершена в 1970г. Ученые еще долгое время будут детально исследовать поведение «экатантала». Но не будут забыты 106-й и 107-й элементы. Быть может, когда вы будете читать эту статью, первые атомы элемента № 106 оставят следы своего распада в ядерных детекторах лаборатории в Дубне.

перейти к началу страницы