|
ГЕОРГИИ НИКОЛАЕВИЧ ФЛЕРОВ — советский физик, академик АН СССР, Герой Социалистического Труда. Родился в 1913 г., окончил Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина. Научную работу начал в 1937 г., еще будучи студентом, в лаборатории И. В. Курчатова. Г. Н. Флеров на протяжении последних 20 лет директор Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ в Дубне. Здесь под его руководством выполнен ряд основополагающих исследований по физике тяжелых ионов, открыто 6 новых элементов таблицы Д. И. Менделеева.
Г. Н. Флерову совместно с К. А. Петржаком принадлежит открытие спонтанного деления ядер, сделанное в 1940 г.
За выдающиеся исследования, имеющие большое научное
и практическое значение, Г. Н. Флеров не раз отмечался высокими правительственными наградами. Г. Н. Флеров — лауреат Ленинской и Государственных премий СССР.
АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ ИЛЬИНОВ — кандидат физико-математических наук, физик-теоретик.
Родился в 1944 г., окончил физико-технический факультет Томского политехнического института в 1968 г.
А. С. Ильинов занимается проблемами теории ядерных реакций. Он сотрудник Института ядерных исследований АН СССР.
А. С. Ильинов — автор 70 научных работ, один из авторов открытия 106-го и 107-го элементов.
Содержание
Загадки периодического закона 3
Материк Стабильности 8
Нейтронный синтез 17
Трансураны 24
Тяжелые ионы 29
Курчатовий 39
Что такое сверхэлемент? 48
Отмель острова Стабильности 54
Ионный луч 76
Поиски «долгожителей» 83
Неоткрытые материки
Приложение
Загадки периодического закона
С давних пор человек задавал себе вопросы: из чего состоит окружающий мир? Почему вокруг нас столько самых разнообразных веществ, находящихся в газообразном, жидком, твердом состояниях? Можно ли превращать одни вещества в другие или получать новые, ранее неизвестные? И только около двух столетий назад стало известно, что все многообразие окружающих нас веществ — это результат разнообразных сочетаний сравнительно малого числа химических элементов. Но свойства элементов казались совсем не связанными друг с другом. Никто не мог сказать, должен появиться новый элемент или нет, а если его случайно и открывали, то облик «новорожденного» подчас был полной неожиданностью для первооткрывателей. А список элементов рос с каждым годом, и ко второй половине XIX столетия их уже насчитывалось около шести десятков.
Открытие Д. И. Менделеева. В любой отрасли науки на определенной ступени развития наступает такой период, когда нужно систематизировать накопленные знания. В биологии, например, это случилось в конце XVIII в., в физике элементарных частиц — в наше время. Вопрос систематизации химических элементов привлек к себе пристальное внимание в середине XIX в. Являются ли химические свойства элементов случайными, или они изменяются по определенному закону? Над расшифровкой системы, которая связала бы все элементы друг с другом, долгие годы безуспешно бились многие ученые. Лишь в 1869 г. великому русскому ученому Дмитрию Ивановичу
Менделееву удалось открыть свой знаменитый периодический закон — один из наиболее фундаментальных законов мироздания.
Сейчас каждый школьник знает, что свойства элементов периодически меняются по мере увеличения их атомного веса. Поэтому элементы можно расположить в таблице в определенном порядке таким образом, что по вертикали и по горизонтали их основные свойства будут подчиняться строгим правилам.
После того как Д. И. Менделеев разместил в своей таблице известные в то время 63 элемента, некоторые клетки оказались еще не заполненными. Опираясь на периодический закон, Менделеев предсказал свойства многих еще не открытых элементов. Уже в 1875 г. был открыт «экаалюминий» (галлий), еще через четыре года — «экабор» (скандий), а в 1886 г. — «экасилиций» (германий). Это был настоящий триумф периодической системы! И в последующие 50 лет таблица Менделеева служила надежным компасом в поисках химических элементов в природных минералах. Эти поиски завершились открытием еще трех десятков элементов.
Атомный ключик. Однако ни Менделеев, ни другие выдающиеся ученые его времени не могли ответить на вопрос, в чем причины периодичности свойств элементов. В этом отношении открытие Менделеева принадлежало будущему — оно таило в себе ростки величайших открытий, которые привели к бурному развитию физики и химии. Интуитивно Менделеев чувствовал, что ключ к ответу природа прячет в считавшейся тогда самой мелкой частичке вещества — в атоме. Менделеев писал: «Легко предположить, но ныне пока еще нет возможности доказать, что атомы простых тел суть сложные существа, образованные сложением некоторых еще меньших частей... Выставленная мною периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие».
Только в начале XX в., спустя 40 лет после создания периодической системы элементов, подтвердилась правильность этих слов. Э. Резерфорд доказал, что атом представляет собой сложную систему, в центре которой находится положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. Н. Бор дал квантовое объяснение этой планетарной модели атома. Была заложена основа современной физики, и началось изучение странного и необычного мира микроскопических частиц вещества. Физика переживала вторую молодость: была создана квантовая механика, появились новые области исследований — атомная и ядерная физика. Революция в физике оказала огромное влияние не только на естественные науки, но и на промышленность, на мировоззрение людей. Не случайно XX век часто называют атомным!
Достижения атомной физики решили многие неяснще проблемы периодической системы.
Прежде всего оказалось, что место элемента в периодической таблице определяется не атомным весом, а зарядом ядра. Порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду его ядра, подсчитанного в единицах заряда электрона. Но главное, теперь стала понятна природа химических свойств элементов. Дело в том, что электронные орбиты в атоме расположены не равномерно в пространстве, а группируются в оболочки. Каждая оболочка может вместить вполне определенное число электронов: первая — 2, вторая —
8, третья — 18, четвертая — 32. Эти числа точно соответствуют числам элементов в периодах.
Химические свойства элементов определяются тем, сколько электронов находится на внешней электронной оболочке его атома. Например, щелочные металлы имеют на внешней оболочке по одному электрону, поэтому при химической связи с дру-
гими элементами они легко его отдают. Легкость отдачи электронов как раз и определяет металлические свойства. Неохотно в химические взаимодействия вступают атомы инертных газов, внешняя электронная оболочка которых заполнена и которые замыкают собой период таблицы Менделеева. Таким образом, периодичность изменения химических свойств элементов отражает периодичность заполнения электронных оболочек.
Где граница периодической таблицы? Объяснение периодичности химических свойств элементов было крупным достижением атомной физики. В то же время периодический закон хранил в себе еще много загадок. Остался открытым основной вопрос, который волновал и Д. И.* Менделеева: сколько элементов содержится в периодической системе, где проходит ее граница? .
В поисках ответа на очередную загадку периодической системы ученые проникли внутрь электронной «кожуры» атома. Теперь их интересовала судьба ближайших к ядру электронов, на которые действует со стороны ядра самая большая электростатическая сила притяжения. Чем больше заряд ядра, т. е. чем больше порядковый номер элемента, тем сильнее притягиваются к ядру внутренние электроны. В конечном итоге должен наступить момент, когда они начнут захватываться ядром.
Расчеты показывают, что такая катастрофическая ситуация должна возникнуть при порядковом номере элемента, приблизительно равном 170 — 180. Элементы с большим порядковым номером существовать не могут — поглощение отрицательно заряженного электрона уменьшает заряд ядра.
Однако решение проблемы границы таблицы Менделеева было спрятано природой еще глубже. Последующий прогресс физики показал, что границу существования элементов определяет не нестабильность электронной оболочки атома, а нестабильность самого ядра — источника электрического поля, в котором формируются электронные оболочки.
Развитие физики вглубь продолжалось, и ответ на следующий основной вопрос периодической системы Менделеева должна была дать ядерная физика, которая изучала частицы вещества размерами, в десятки тысяч раз меньшими, чем размеры когда-то считавшегося неделимым атома. Мы расскажем о том, каких успехов удалось достичь в этом направлении за последние тридцать лет.
Материк Стабильности
Немного о ядрах. Что нового узнали о периодической системе физики-ядерщики? Оказалось, даже такой микрообъект, как ядро, сам состоит из более мелких частиц — протонов и нейтронов. Свойства этих частиц очень схожи, поэтому часто их называют одним словом — нуклоны. Основное отличие заключается в том, что протон обладает положительным электрическим зарядом, по величине равным заряду электрона, а нейтрон электрически нейтрален. Заряд ядра Z, а значит, и порядковый номер элемента в периодической таблице равен числу протонов в ядре. Массовое число А, определяющее атомный вес элемента, равно сумме чисел нейтронов N и протонов Z в ядре: A=Z+N.
В каждой клетке таблицы Менделеева располагается несколько атомов-«близнецов» одного элемента, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Такие ядра называют изотопами. Для того чтобы можно было отличить один изотоп от другого, рядом с названием элемента обычно ставится массовое число, например: уран-238.
Часто применяют более короткое обозначение: 928U, где наряду с химическим символом элемента указывают массовое число (вверху) и заряд его ядра (внизу).
Химические свойства разных изотопов одного и того же элемента не отличаются, поскольку они определяются только зарядом ядра, а вот ядерные меняются в огромных пределах. В частности, установлено, что очень стабильны изотопы, имеющие четное число протонов и четное число нейтронов в ядре. И наоборот, очень нестабильны нечетные ядра, и особенно ядра с нечетным числом протонов Z и нечетным числом нейтронов N. Нечетные изотопы легко вступают в различные ядерные реакции. Достаточно сказать, что возможность использования ядерной энергии связана с так называемой большой тройкой: ураном-235, плутонием-239 и ураном-233. Массовое число изотопа наравне с атомным номером определяет ядерные свойства каждого изотопа. Поэтому в периодическую таблицу к обычной координате (число протонов Z) нужно добавить дополнительную (число нейтронов N), которая указывала бы на массовое число изотопа. Таблица Менделеева трансформируется в карту изотопов (см. с. 14 — 15).
Сколько изотопов может быть у одного элемента? Многие элементы имеют несколько стабильных изотопов, т. е. таких, время жизни которых бесконечно. В природных минералах или в химически чистом образце элемента обычно содержится смесь «бессмертных» изотопов. Все стабильные изотопы имеют характерное соотношение между числом нейтронов и числом протонов. Для легких ядер в начале таблицы у стабильных изотопов число нейтронов равно числу протонов. С ростом заряда ядра это соотношение меняется, и у стабильных тяжелых ядер нейтронов уже в полтора раза больше, чем протонов.
Число нестабильных изотопов значительно больше. «Семья» тяжелого элемента может состоять из нескольких десятков «близнецов», у которых соотношение между нейтронами и протонами отклоняется в ту или иную сторону от оптимального. Что произойдет, если мы, например, прибавим к стабильному ядру несколько нейтронов? Оно будет стремиться избавиться от лишних нейтронов и превратится в конечном итоге в ядро стабильного изотопа другого элемента.
Ядерные метаморфозы. Явление самопроизвольного превращения атомных ядер, когда ядро одного элемента превращается в ядро другого элемента без всякого воздействия извне, назвали радиоактивностью. Радиоактивность открыл в 1896 г. А. Беккерель. А из этого открытия следовал важный вывод: ядро не является простейшей частичкой вещества, неизменной и недоступной внешнему воздействию. Действительно, в 1919 г. Э. Резерфорд впервые разрушил атомное ядро и превратил один элемент в другой, осуществив тем самым вековую мечту алхимиков. В 1934 г. Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри получили первые искусственные радиоактивные изотопы. Вот. где лежат истоки современных работ по синтезу новых элементов!
Было открыто несколько видов радиоактивного распада ядер. Выберем для примера ядра висмута (Bi) и посмотрим, в ядра каких элементов они смогут превратиться в результате радиоактивного распада.
В ядре, пересыщенном нейтронами, один из них превращается в протон, и при этом из ядра вылетают электрон и антинейтрино (Антинейтрино — элементарная частица, которая в отличие от электрона не имеет ни массы покоя, ни заряда.) В результате образуется ядро соседнего элемента, заряд которого будет на единицу больше, а массовое число останется прежним. Такой вид радиоактивности был
назван р'-распадом — электронным распадом. Это превращение изображают так: (...)
Наоборот, в ядре с недостатком нейтронов происходят превращения, которые ведут к уменьшению заряда ядра. В этом случае число возможных типов распада значительно больше. Например, протон может превратиться в нейтрон с испусканием из ядра позитрона +°е (антиэлектрона с положительным зарядом) и нейтрино (...)
Или протон может захватить с ближайшей электронной оболочки атома электрон и превратиться в нейтрон — такой вид радиоактивного распада называют электронным захватом : (...)
В обоих случаях заряд ядра уменьшается на единицу, атомное же число не меняется. Возможно также испускание а-частицы (ядра гелия с массой А=4 и зарядом Z=2) с соответствующим уменьшением массы ядра на 4 единицы и заряда на 2 единицы (...)
Чем больше избыток или недостаток нейтронов в ядре, чем дальше ядро удалено от наиболее стабильного изотопа, тем быстрее оно превращается в другое ядро, тем меньше время его жизни. Если стабильные изотопы, из которых построен окружающий нас мир, живут вечно, то их «бедные» или «богатые» нейтро-
нами «родственники» — годы, часы, секунды или даже тысячные доли секунды, в зависимости от того, насколько они близки к «долгожителям».
Карта изотопов. Нарисуем карту изотопов, роль координат в которой будут играть числа протонов Z и нейтронов N в ядре, а цветом, как высоту на географических картах, будем изображать время жизни изотопа. Тогда область возможных ядер можно представить себе в виде материка, вдоль которого протянулся горный хребет стабильных изотопов, окруженный обширными долинами радиоактивных нейтронодефицитных и нейтронообогащенных ядер. Материк Стабильности окружает море Нестабильности. Ядра, лежащие на дне моря, недоступны изучению — они погибают мгновенно.
Горный хребет занимает малую часть материка — известно около 300 стабильных изотопов. После открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности ученые синтезировали еще более 1800 нестабильных изотопов известных элементов. По подсчетам это составляет всего лишь третью часть полного числа ядер. Для того чтобы освоить необъятные просторы материка Стабильности и добраться до побережья моря Нестабильности, ученым предстоит затратить немало труда. Здесь исследователей ждет еще много загадок и открытий, но наш путь будет лежать дальше: через пролив Радиоактивности к острову Тяжелых ядер.
Последний естественный элемент. На юго-западе острова Тяжелых ядер возвышается двуглавая вершина. Это торий (Z=90) и уран (Z=92). Ядро урана самое тяжелое из найденных в природе. Открыт этот элемент был в 1789 г. В 1874 г. Д. И. Менделеев поместил его в самую дальнюю клетку периодической таблицы, и в течение 70 лет уран оставался послед-
ним элементом таблицы. Особое положение элемента № 92, естественно, привлекло к нему пристальное внимание ученых. Д. И. Менделеев писал: «Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особенно тщательно заниматься урановыми соединениями».
Остается только удивляться гениальной прозорливости творца периодической системы. Действительно, именно в таких исследованиях было сделано важнейшее в ядерной физике открытие явления радиоактивности. Вскоре после этого, в 1898 г., Мария и Пьер Кюри выделили из урановой смолки первые радиоактивные элементы — полоний и радий. Спустя 40 лет О. Ган и Ф. Штрасман открыли процесс деления ядер урана нейтронами. Наконец, в 1939 г., на заре атомной эпохи, одному из нас вместе с К. А. Пе-тржаком посчастливилось доказать, что ядра урана могут делиться самопроизвольно, без воздействия извне. Был открыт новый необычный тип радиоактивного распада — спонтанное деление, который существует в области тяжелых ядер. Дело в том, что огромные электростатические силы расталкивания между таким большим числом протонов могут привести не только к вынужденному, но даже к самопроизвольному делению ядра на два приблизительно равных осколка. При этом выделяется огромная энергия, заключенная в ядре. Открытие процесса деления ядер дало человечеству новый мощный источник энергии, овладение которым привело к созданию в 50-х гг. XX в. ядерной энергетики.
Шахматная задача. Попытаемся разобраться, почему в природе не было обнаружено ядер тяжелее урана. Для этого нам нужно перенестись в те далекие времена, когда еще не было не только Земли, но и Солнца.
Карта изотопов.
По горизонтальной оси отложено число нейтронов, а по вертикальной — число протонов в ядре. Цифрами отмечены магические числа. Голубым цветом окрашены области ядер, время жизни которых заключено в интервале между Ю~10 с и 1 с, зеленым — между 1 с и 1 годом,
светло-коричневым — между 1 годом и 1 млрд. лет. Темно-коричневым цветом отмечены стабильные ядра, живущие более 1 млрд. лет. Белым цветом показаны «магические» вершины. За рамками карты лежат еще не изученные «земли». Путь к другим островам архипелага Стабильности лежит дальше на северо-восток от первого острова. Материк Антиядер примыкает к юго-западным окраинам материка Стабильности. Далеко на востоке расположен материк Звездного вещества — нейтронных капель.
нечной системы. Свыше 5 млрд. лет назад, когда огромные массы галактического водорода сжались и в результате резко повысилась его температура, ядра водорода начали образовывать более сложные ядра других элементов. Произошел синтез элементов Солнечной системы. В то время образовались всевозможные ядра — и стабильные, и нестабильные, но судьба их сложилась по-разному. Образовавшиеся во время великого синтеза стабильные «бессмертные» изотопы благополучно дожили до наших дней, а нестабильные ядра с того времени непрерывно вымирали.
Определим, какая часть первозданных атомов какого-нибудь нестабильного изотопа «выживет», если его период полураспада равен 100 млн. лет. Как правило, для древних задач есть старые способы решения.
Как гласит предание, великий магараджа предложил изобретателю шахмат выбрать награду себе за труды. Мудрец попросил, казалось бы, совсем немного зерна: столько, сколько придется на 64-ю клетку шахматной доски, если на первую положить два зерна (21), на вторую — четыре (22), на третью — восемь (23)... и так удваивать до 64-й клетки. Но после простого подсчета стало ясно, что на последнее шахматное поле придется отгрузить намного больше годового урожая всей Земли!
Распад ядер подчиняется обратному «шахматному» закону. Природа поместила наш изотоп в 50-ю клетку шахматной доски и каждые сто миллионов лет перекладывала его на соседнюю с меньшим номером и с половинной массой вещества. Всего процесс занял 5 млрд. лет, а сохранилась только 10~15 доля первозданного вещества. Это означает, что все нестабильные изотопы с периодом полураспада меньше 100 млн. лет, в том числе и изотопы всех трансурановых элементов, практически давным-давно вымерли.
За урановую вершину вел только один путь — нужно было возродить ядра, вымершие за многие миллиарды лет до появления жизни на Земле! Вряд ли можно предположить, что когда-либо в будущем в лаборатории биолога удастся вырастить живого мамонта или бронтозавра. А возвращение к жизни ядерных «бронтозавров» успешно осуществляется во многих лабораториях мира.
Нейтронный синтез
Первым попытался перешагнуть через поставленную природой границу периодической таблицы итальянский физик Э. Ферми. Выше мы уже писали о том, что если к ядру стабильного изотопа добавить нейтрон, то новое ядро может испытать р--распад, в результате которого заряд ядра увеличится на единицу. Это обстоятельство и решил использовать Ферми в своих опытах по синтезу 93-го элемента при облучении урана нейтронами. И хотя в 1934 г. ему не удалось достичь цели, нейтронный способ и по сей день широко применяется для получения многих трансурановых элементов.
Реакторный способ. Поместим большое количество изотопа урана-238 в ядерный реактор, где происходит «сжигание» ядерного горючего путем осуществления цепной реакции деления его ядер. (Кстати, первый в мире ядерный реактор был также построен под руководством Э. Ферми. Запущен в 1942 г. А в 1946 г. заработал первый в СССР и в Европе ядерный реактор, построенный под руководством И. В. Курчатова.) В результате деления ядра кроме двух осколков вылетает еще несколько нейтронов, которые, в свою очередь, вызывают деление новых ядер, каждое из вновь разделившихся ядер опять испускает несколько нейтронов и т. д. Поэтому в реакторе возникают огромные потоки нейтронов (через площадку в 1 см2 за 1 с проходит до 1015 нейтронов), которые и будут облучать наш уран.
Ядро урана-238 легко поглощает нейтрон, новое ядро урана-239 испытывает р "-распад и превращается в ядро 93-го элемента — нептуния-239: (...)
Если облучение в реакторе проводить достаточно долго (год или более), то за это время в нашем образце накопятся довольно большие количества не только нептуния, но и следующих за ним элементов, которые образуются в реакторе в результате дальнейших ядер-ных превращений. Например, нептуний-239 может за счет р~-распада превратиться в 94-й элемент — плутоний-239. Затем ядро этого элемента захватывает два нейтрона, после чего плутоний-241 испытывает р~-распад и превращается в ядро 95-го элемента — америция и т. д. На с. 19 показаны дальнейшие превращения плутония-239 во все более тяжелые элементы.
После длительного облучения урановый образец достают из реактора, и химики извлекают из него и отделяют друг от друга синтетические элементы. Поскольку все эти элементы очень радиоактивны, все операции по их извлечению производятся с особыми мерами предосторожности: за защитными экранами, механическими руками — манипуляторами. Эти процессы осуществляются на огромных химических предприятиях, оснащенных самой передовой техникой.
Казалось, для ученых наступила легкая жизнь. Сиди себе у реактора — «инкубатора» и жди, пока «вылупится» новый ядерный «бронтозавр». Но следующие за калифорнием (Z=98) новые элементы упорно не хотели появляться на свет в ядерном реакторе В чем же дело?
Чем тяжелее получаемый элемент, тем с болыни
ми трудностями нам приходится встречаться. Взглянем снова на с. 19. При превращении одного ядра в другое количество начального вещества уменьшается в несколько раз. Дело в том, что не все ядра одного и того же изотопа после поглощения нейтрона испыты-ваютР-распад. Большая часть ядер или делится, или распадается другими способами, которые сбивают ядра с «правильного пути». И чем большее число превращений испытает первичный изотоп, тем меньшая доля начальных ядер преобразуется в ядра нужного элемента. (Вспомним еще раз шахматную задачу.)
Но это все. технические трудности, которые можно было бы преодолеть, если построить еще более мощные реакторы. А оказалось, что есть еще трудности принципиальные. На пути к новым элементам другие виды распада расставили коварные ловушки, когда после длинной серии метаморфоз вновь образуется начальный изотоп. К этому, например, может привести а-распад какого-нибудь ядра: (...)
Непреодолимое препятствие для реакторного способа также возникает в результате того, что одно из звеньев в цепочке превращений может выпасть. Такой тупик образуется, когда в этом звене ядро живет очень малое время или полностью распадается нежелательным образом, например путем спонтанного деления.
Рожденные взрывом. Выход из создавшегося тупика помог найти случай. В радиоактивной пыли, образовавшейся после взрыва термоядерного устройства, который был произведен США в 1952 г., были обнаружены неизвестные тяжелые изотопы плутония-244 и плутония-246. Этот факт о многом сказал ученым.
Сгорание термоядерной дейтериево-тритиевой смеси происходит при огромной температуре — в сотни миллионов градусов, в течение ничтожного времени — одной миллионной доли секунды. За такой короткий промежуток времени через урановую оболочку бомбы проходит поток нейтронов, намного превышающий поток нейтронов в реакторе. (...)
Ученые срочно запрашивают с атолла Эниветок, где произошел взрыв, около тонны кораллов. И вот в результате огромного труда по химической переработке этой породы были выделены ничтожные количества изотопов эйнштейния-253 (элемент № 99) и фермия-255 (элемент № 100). Окрыленные успехом, американские физики строят планы по получению следующих элементов в термоядерных взрывах. Казалось, для достижения цели нужно было только еще увеличить потоки нейтронов. В 60-х гг. в США была произведена серия подземных ядерных взрывов. В самом мощном из них поток нейтронов в 10 раз превышал поток первого взрыва. Но тщательнейший анализ продуктов, извлеченных из полости, где только что бушевало ядерное пламя, не обнаружил присутствия новых элементов с порядковым номером больше 100.
Почему же в термоядерных взрывах до сих пор не родился ни один из элементов второй сотни? Несомненно, прыжок через несколько десятков ступеней превращений, который делает ядро, мгновенно поглощая большое число нейтронов, позволяет преодолеть многие препятствия, лежащие на пути ядра в обычном реакторном способе. Уменьшение полного числа превращений ослабляет фатальное действие «шахматного» закона, что приводит к увеличению числа образовавшихся ядер. Но все-таки после «прыжка» должна быть длинная цепочка последовательных p-распадов. Одно из первых звеньев этой цепочки, ведущей к образованию трансфермиевых элементов, оказывается разорванным. Это звено разрубил другой могущественный тип радиоактивного распада — спонтанное деление* которое царствует в стране тяжелых ядер.
Итак, надежды ученых достичь области более тяжелых элементов, двигаясь вдоль нейтроноизбыточного побережья моря Нестабильности (ядерные
Получение трансурановых элементов при импульсном облучении нейтронами в подземном ядерном взрыве. Как и в реакторном способе, здесь в каждом новом звене цепочки превращений доля начальных ядер резко уменьшается.
реакторы) или прыгнув с урановой вершины далеко в море Нестабильности, а затем подплывая к берегу (термоядерные взрывы), не сбылись. Возможности нейтронного метода синтеза новых элементов, впервые примененного Э. Ферми, были исчерпаны на
100-м элементе, названном фермием. Сейчас таким способом трансфермиевые элементы рождаются только в неземных условиях, близких к тем, при которых происходил начальный синтез во Вселенной. Например, такие процессы могут протекать при взрывах сверхновых звезд или в недрах недавно открытых астрономами необычных звезд — пульсаров, которые являются остатками таких взрывов.
Трансураны
Восемь элементов, завершающих первую сотню периодической таблицы, были открыты американскими учеными. Честь открытия семи из них принадлежит коллективу, возглавлявшемуся крупнейшим радиохимиком Г. Сиборгом. Сейчас физические и химические свойства некоторых трансуранов изучены даже лучше, чем у «старожилов» таблицы Менделеева. Объясняется это огромной ролью, которую играют синтетические элементы в науке и технике XX в.
Атом за работой. Итак, что же дал человеку синтез трансурановых элементов? О научном значении этих открытий мы поговорим позднее. Конечно, хорошо возродить ядерного «бронтозавра», «сфотографировать» и описать его в учебниках. Но ученые не остановились на этом. Они сумели приручить «бронтозавра», заставить его работать на людей, научились использовать его огромную ядерную мощь.
Самым «работящим» из всех трансуранов оказался изотоп плутоний-239. Дело в том, что в современных ядерных реакторах обычно «сжигают» ядра урана-235. Но в природном уране содержится всего 0,7% этого изотопа, а основную массу составляет изотоп урана-238, который не является ядерным горючим. Примерно через сто лет человечество полностью исчерпало бы все земные запасы урана-235.
Здесь-то и пригодились ценные свойства изотопа плутония-239. Оказалось, что это ядерное горючее даже лучшего качества, чем уран-235. Только нужно было найти такой способ попутного превращения «негорючего» урана-238 в плутоний-239, чтобы при работе реактора нового горючего (^Ри) образовалось бы больше, чем сгорало старого В этом случае можно было бы накапливать и увеличивать запасы ядерного топлива.
Основной тип действующих реакторов для этой цели не подходит. Обычно эти реакторы называют тепловыми, потому что они работают на тепловых нейтронах, скорость которых в среднем равна примерно 2000 м/с. После захвата ядром урана-235 теплового нейтрона в среднем образуется чуть больше двух нейтронов. Один из них нужен для поддержания цепной реакции. Часть нейтронов поглощается конструктивными материалами установки, а остаток идет на образование плутония-239 из урана-238: (...)
Для «тепловых» реакторов остаток меньше единицы, следовательно, при сгорании урановой смеси плутония получается меньше, чем «выгоревшего» урана-235.
Для решения проблемы расширенного воспроизводства ядерного горючего академик АН УССР А. И. Лейпунский предложил использовать реакторы на быстрых нейтронах. Скорость быстрых нейтронов превышает 10 ООО м/с. Такие реакторы не могут работать на природной смеси изотопов урана — в них нужно загружать или обогащенный уран-235, или плутоний-239. Зато теперь после деления одного ядра на накопление плутония-239 в среднем идет 1,6 нейтрона.
Если в «быстрый» реактор поместить уран-238, то после сгорания 1 кг ядерного топлива кроме огромной тепловой энергии, которую можно преобразовать в электрическую, образуется еще 1,6 кг плутония-239! Принцип цепной реакции можно распространить на сами атомные электростанции: каждая электростанция будет давать ядерное горючее для новых электростанций, увеличение числа работающих электростанций приведет к еще большему росту производимого топлива и т. д. А это означает, что элемент № 94 — плутоний будет главным материалом энергетики будущего!
Область применения изотопов плутония и других синтетических элементов настолько огромна, что для ее описания понадобилось бы несколько таких книг. Мы лишь скажем, что искусственные элементы работают сейчас и в космосе, и глубоко под водой, и в самых труднодоступных уголках земного шара, и в груди человека, помогая биться больному сердцу. На этой основе во многих странах развилась мощная промышленность и энергетика. За короткий промежуток времени (всего около 20 лет) производство синтетических элементов возросло с миллиардных долей грамма до многих килограммов и даже тонн. И этот рост продолжается, вызванный все более и более широким применением рукотворных элементов. Однако возвратимся все же к основной теме нашего рассказа. Какие научные открытия, сделанные при изучении свойств синтетических элементов, обогатили химию и физику, углубили наше понимание периодической системы?
Как устроен 7-й период? Обнаружение всех новых элементов производилось химическим способом. В этом случае исследователи сначала определяли различные химические свойства нового элемента, а затем сравнивали их с соответствующими свойства-
ми соседей по таблице Менделеева и со свойствами более легкого аналога, т. е. члена той же химической группы. Как видим, все целиком опирается на периодический закон Менделеева.
В те времена, когда уран еще был самым тяжелым из известных элементов, химики помещали в периодической системе торий, протактиний и уран в IV, V, VI группу. Но после того, как были открыты первые трансурановые элементы, химики были удивлены. Нептуний и плутоний по своим свойствам оказались похожи на уран, а не на элементы VII и VIII групп — рений, осмий и иридий. Объяснение помогла найти сама периодическая система. Подобно тому как в 6-м периоде за лантаном следуют 14 лантаноидных элементов, в той же колонке 7-го периода за актинием должно располагаться столь же многочисленное семейство актиноидов. И действительно, все последующие трансурановые элементы оказались похожими на свои аналоги в группе лантаноидов. После этого уточнения периодическая система опять могла надежно предсказывать химические свойства еще не открытых элементов.
Ядерная нестабильность и граница таблицы Менделеева. Очень интересными оказались и радиоактивные свойства ядер трансурановых элементов. В ядрах с таким большим числом нуклонов даже ядерные силы притяжения (самые мощные из известных в природе) уже с трудом сдерживают огромные электрические силы отталкивания между протонами, которые стремятся развалить ядро. Поэтому чем больше порядковый номер ядра, тем меньше его время жизни, тем быстрее оно распадается. Например, ядро плутония-244 живет около 100 млн. лет, ядро калифорния-250 — уже около 10 лет, а ядро фермия-252 — только 20 часов.
Виновниками такого катастрофического падения времени жизни трансуранов оказались а-распад и спонтанное деление. Причем чем тяжелее изотоп, тем большую роль играет второй тип распада, и время жизни — стабильность — элементов второй сотни уже практически целиком определяется спонтанным делением.
Легко продолжить тенденцию уменьшения времени жизни в область еще пока неизвестных ядер. Получается, что изотопы 102-го и 104-го элементов должны жить уже минуты и микросекунды, а ядра 110-го и более тяжелых элементов будут иметь периоды полураспада, измеряемые ничтожной величиной 10 ~15 с. Этого времени недостаточно даже для образования вокруг ядра электронной оболочки. Тогда нет больше смысла говорить о химических элементах.
Итак, стало ясно, что на вопрос о том, где находится граница периодической системы Менделеева, ответ должны дать физики-ядерщики. Казалось, до границы осталось всего несколько шагов, но сделать их было не так просто! Ведь с помощью нейтронного метода — основы синтеза всех трансуранов — нельзя было получить элементы второй сотни.
Тяжелые ионы
Идея о том, как можно преодолеть очередное препятствие на пути к еще более тяжелым элементам, к этому времени уже не только витала в воздухе, но даже была опробована в опытах по получению некоторых трансурановых элементов. Если заставить два ядра слиться в единое целое, то заряд нового ядра станет равен сумме зарядов двух ядер, и мы совершим прыжок в клетку с нужным нам элементом таблицы Менделеева.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
