Наука - Вселенная своими руками

Наука - Вселенная своими руками

Люди как боги
В августовском номере «Популярная механика» написала о том, что русские и американские ученые создали два новых элемента таблицы Менделеева. В продолжение темы – подробный рассказ об истории создания рукотворных элементов и эксклюзивный рецепт приготовления элемента №114 от Ливерморской национальной лаборатории.

Самый тяжелый из природных химических элементов – уран – был открыт в 1789 году. Немецкий ученый Мартин Клапрот под впечатлением достижений астрономии назвал обнаруженный им элемент в честь открытой незадолго до этого планеты Солнечной системы – Урана. Впоследствии уран разместился в клетке с номером 92 таблицы Менделеева и довольно долго замыкал список химических элементов, пока в середине прошлого века человек не научился получать расположенные за ураном в Периодической таблице элементы – трансураны – искусственным путем.

Отсутствие таких элементов в природе связано с высокой скоростью их радиоактивного распада. Самые долгоживущие из трансуранов имеют период полураспада несколько десятков миллионов лет, а возраст Земли исчисляется миллиардами. Так что если такие элементы и образовались при возникновении Солнечной системы, то за время существования нашей планеты они или полностью исчезли, или их количество уменьшилось в триллионы раз. Все, что удалось пока найти в природных минералах, – это микроколичества плутония и следы нептуния и плутония, постоянно образующихся в урановых рудах.

Вокруг урана

История рукотворных элементов берет свое начало в 30-х годах прошлого века. Вскоре после открытия нейтрона было обнаружено, что, облучая этими нейтральными частицами разные вещества, можно получить другие, следующие по номеру элементы таблицы Менделеева. Возник закономерный вопрос: а что произойдет, если облучить нейтронами самый тяжелый элемент – уран? Знаменитый итальянский физик Энрико Ферми предположил, что в результате должно появиться новое, дотоле неизвестное вещество, еще тяжелее урана.

Весной 1934 года Ферми и его сотрудники в Римском университете, бомбардируя нейтронами уран и торий, получили сложную смесь радиоактивных веществ и после ее исследования пришли к выводу, что в ней присутствуют новые элементы с атомными номерами 93 и 94. Их назвали аусонием и эсперием. Научное сообщество отнеслось к этому открытию с недоверием, а потом и вовсе потеряло к нему интерес, поскольку вскоре в опытах с ураном был обнаружен другой, гораздо более важный эффект: в 1939 году пришло сообщение о наблюдении «взрывного расщепления ядер урана под действием нейтронов», и начались работы по освоению ядерной энергии. На это направление были брошены все основные научные силы, и экспериментальные, и теоретические.

Один из физиков, работавших в Калифорнийском университете, Эдвин Макмиллан, решил измерить, насколько глубоко продукты деления урана могут проникать в разные материалы. Тонкий слой оксида урана, нанесенный на лист фильтровальной бумаги, облучался нейтронами. За ним располагалась ловушка для продуктов деления – стопка листков алюминиевой фольги, которую потом заменили слои папиросной бумаги, а затем и целлофана. Измеряя радиоактивность каждого отдельного слоя после облучения, можно было определить, насколько далеко проникли радиоактивные продукты деления урана. Для листков ловушки результат получился вполне предсказуемый, но сама урановая мишень вела себя странно. В ней появился не наблюдавшийся никогда ранее источник радиоактивности с периодом полураспада 2,3 дня. Что это за вещество, Макмиллан попытался выяснить у химиков. Их вердикт был таков: скорее всего, это новый изотоп одного из редкоземельных металлов, которые присутствуют среди продуктов деления урана. Казалось, вопрос был закрыт. Но, вопреки заключению химиков, Макмиллан вернулся к этим исследованиям в начале 1940 года, еще не предполагая, что десять лет спустя этот шаг по иронии судьбы принесет ему Нобелевскую премию именно по химии! «Тут мне пришлось немного заняться химией, – рассказывал он в своей нобелевской лекции, – но что бы ни думал по этому поводу Нобелевский комитет, я все-таки не химик». А будучи настоящим физиком, Макмиллан просто не мог смириться с явным противоречием: если обнаруженный им источник радиоактивности – один из продуктов деления урана, то почему он, в отличие от других, не пролетает дальше, в слои ловушки? На помощь Макмиллану пришел Филип Эйблсон, который приехал в то время в Беркли на короткие каникулы и тоже интересовался этой проблемой. Они взяли на себя смелость предположить нетрадиционное химическое поведение нового вещества и в итоге добились своего – выделили элемент 93, о чем и появилось сообщение в одном из ведущих научных журналов Physical Review. Так заново, но уже наверняка, был, наконец, открыт первый трансурановый элемент, который по предложению Макмиллана получил название в честь следующей за Ураном планеты – нептуний.

От плутония до калифорния

В ноябре 1940 года Макмиллан покинул Беркли, передав эстафету по синтезу новых элементов химикам. Возглавил группу исследователей Гленн Сиборг. Подвергнув уран бомбардировке дейтронами, они уже через месяц, в декабре 1940-го, получили следующий элемент 94 и, следуя астрономической традиции, назвали его плутонием.

Первый из синтезированных изотопов плутония – ²³⁸Pu – не очень-то интересовал создателей атомной бомбы, в качестве ядерного горючего он был непригоден. Но в 1941 году удалось получить другой изотоп ²³⁹Pu, а он уже по своим свойствам вполне мог конкурировать с ²³⁵U. В наше время, как известно, основной начинкой для ядерных арсеналов служит именно ²³⁹Pu, накапливаемый в ядерных реакторах из самого распространенного природного изотопа ²³⁸U. Небольшой шарик плутония, диаметром чуть больше 4 см, уже имеет взрывоопасную критическую массу. Список планет на этом был исчерпан, а история трансурановых элементов только начиналась. Стратегия их синтеза казалась очевидной: облучать нейтронами уже не уран, а накопленный плутоний – и получится следующий элемент. Но если бы все было так просто! Месяцы шел эксперимент, а результатов не было. Решили вместо нейтронов использовать альфа-частицы, и тогда удалось, наконец, синтезировать сначала элемент 96, а потом и 95. Но химической идентификации вновь открытые элементы никак не поддавались. Они не проявляли ожидаемых химических свойств, характерных для соответствующих групп Периодической таблицы. Через полгода мучений коллеги стали называть их между собой «ад» и «бред». Дело сдвинулось с мертвой точки благодаря замечательной догадке Сиборга о том, что эти элементы относятся к новому радиоактивному семейству Периодической системы – семейству актиноидов. Все они обладают схожими химическими свойствами и располагаются как бы в одной клетке таблицы Менделеева (Ac). За свою актиноидную теорию и вклад в синтез трансурановых элементов Гленн Сиборг и получил в 1951 году Нобелевскую премию по химии одновременно с Эдвином Макмилланом.

Для изучения новых элементов, получивших, в конце концов, названия америций и кюрий, понадобилась не только актиноидная теория, но и новое направление – ультрамикрохимия, чтобы идентифицировать получаемые крошечные количества новых веществ: первый препарат чистого америция весил всего 20 микрограммов! Через пять лет, когда было накоплено достаточное для создания мишени количество америция, пришла очередь следующего элемента – за номером 97. Назвали его берклием в честь города, где все эти годы велись исследования трансуранов, а еще через год на том же циклотроне в Беркли получили калифорний, только мишень уже была сделана из кюрия.

В эпицентре ядерного взрыва

Следующая страница истории получения трансуранов вполне оправдывает поговорку, что нет худа без добра. В ноябре 1952 года на островке в Тихом океане было взорвано первое термоядерное устройство. Во время взрыва входивший в его состав уран подвергся такому интенсивному облучению нейтронами, какого достигнуть в обычных условиях невозможно, и это был шанс найти новые изотопы трансуранов. В декабре 1952 года Сиборг и его коллеги, анализируя образцы почв из района взрыва и рассчитывая найти новые изотопы уже известного элемента калифорния, неожиданно обнаружили несколько сотен более тяжелых атомов. Это оказался элемент 99, впоследствии названный эйнштейнием. А еще месяц спустя изучение следов термоядерного взрыва помогло заполнить сотую клетку таблицы Менделеева – в ней разместился фермий.

Время не ждет

Двигаться дальше становилось все труднее. Мало того, что количества были мизерными, изотопы новых элементов к тому же так быстро распадались, что не хватало времени на их изучение. Образец эйнштейния-253, с которым пришлось работать химикам, весил всего 0,01 микрограмма(!), а период полураспада этого изотопа составлял 20 дней. Первый синтезированный изотоп калифорния ²⁴⁵Cf имел период полураспада 44 минуты. Это значит, что половина из нескольких тысяч полученных атомов исчезала уже через 44 минуты после своего появления! Для их идентификации требовалась изобретательность и необычайное экспериментальное мастерство. Тем не менее ученым из Беркли удалось изготовить из эйнштейния мишень, облучить ее ядрами гелия и положить начало новой сотне химических элементов. Это произошло в 1955 году. Элемент 101, менделевий, производился буквально по атому. Исследовать полученный изотоп менделевия-256 надо было очень быстро, потому что период его полураспада составлял около полутора часов. К тому времени стало понятно, что старые методы себя исчерпали и для синтеза следующих элементов нужно бомбардировать мишень более тяжелыми ядрами – азотом, углеродом, кислородом, чтобы «загнать» туда сразу много протонов и нейтронов. Требовались новые ускорители, мощные источники ионов, новая методика эксперимента. В конце 50-х годов у Национальной лаборатории в Беркли появился, наконец, достойный соперник и соратник одновременно – Лаборатория ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне под руководством Г.Н. Флерова. Метод бомбардировки тяжелыми ионами позволил Флерову и его коллегам впервые синтезировать многие изотопы сверхтяжелых элементов второй сотни. В признание заслуг этого научного центра элемент 105, открытый здесь в 1970 году, получил название дубний. В 70-е годы к двум лидерам присоединился еще один научный коллектив – Общество по исследованию тяжелых ионов в Дармштадте, Германия. Каждый новый элемент с номером, большим 100, представляет собой «штучный товар», существующий к тому же всего минуты, секунды, а то и меньше. Самый долгоживущий из известных изотопов элемента 103 имеет период полураспада 3 минуты, а элемента 106 – 40 секунд. Времена жизни изотопов элементов 110 и 112, открытых в 1994 и 1995 году в Дармштадте, исчислялись долями миллисекунд (!). Похоже, сбывалось предсказание Гленна Сиборга, который еще в 1963 году, когда шли работы по синтезу 102 и 103 элементов, написал в одной из своих статей: «Ожидаемые времена жизни так быстро уменьшаются с увеличением атомного номера, что явно будет невозможно синтезировать и обнаружить элементы с номерами выше примерно 110, а изучение их химических свойств может оказаться неосуществимым задолго до этого атомного номера».

На пути к стабильности

Однако пессимистические прогнозы знаменитого экспериментатора не смутили теоретиков, и в 60-е годы ими была выдвинута гипотеза об «острове стабильности». Согласно этой гипотезе среди сверхтяжелых изотопов должны существовать ядра с таким соотношением протонов и нейтронов, которое позволит им «жить» достаточно долго. Первый повод для оптимизма появился в 1999 году, когда в лаборатории им. Г.Н. Флерова в Дубне в сотрудничестве с учеными из Ливерморской национальной лаборатории США удалось синтезировать изотоп элемента 114, бомбардируя плутоний ионами ⁴⁸Ca. Главный результат состоял в том, что нуклид ²⁸⁷114 имел период полураспада, измеряемый секундами, а возникшие в результате его альфа-распада новые изотопы элементов 110 и 112 «жили» минуты (в миллион раз дольше тех, что были впервые зарегистрированы в Дармштадте!).

Причина успеха была в удачно подобранной ядерной реакции, которая позволяла «впихнуть» в ядро на шесть нейтронов больше, чем прежде. На следующий год, заменив плутониевую мишень мишенью из кюрия, там же в Дубне наблюдали образование элемента 116. Очередной этап наступил в 2003 году. Теперь использовали мишень из америция-243 и зарегистрировали цепочку альфа-распадов, начинавшуюся с изотопа ²⁸⁸115. Изотоп, находившийся на конце этой цепочки (символично, но это оказался именно дубний), прожил целых 20 часов! Похоже, «остров стабильности» действительно существует и уже просматривается на горизонте. Несколько очередных сверхтяжелых ядер – это очень важный для фундаментальной науки, но пока весьма далекий от практической жизни результат. Однако вспомним, что еще в 1934 году технические энциклопедии писали: «Элементарный уран практического применения не имеет». В наше время широко используется не только уран, но и некоторые трансурановые элементы. К счастью, это не только оружейный плутоний-239. Батарейки на основе радиоактивного, но безопасного плутония-238 чрезвычайно удобны там, где нужен долгосрочный и надежный источник энергии, например в кардиостимуляторах. Америций-241 как источник мягких гамма-лучей применяется в целях медицинской диагностики и в приборах для контроля за толщиной стальной ленты и листового стекла. На основе кюрия-242 делают генераторы для питания бортовой аппаратуры космических станций, а калифорний-252 используют в нейтронной радиографии как чрезвычайно мощный источник нейтронов.

Пока еще не придуман способ получения предсказанного теоретиками стабильного «магического» ядра 298114. Недостает по меньшей мере полдюжины нейтронов. Но если удастся синтезировать действительно стабильный сверхтяжелый элемент, это будет не просто научное открытие, а путь к новым техническим достижениям и фантастическим технологиям.

Рецепт приготовления элемента №114 от Ливерморской национальной лаборатории

Время приготовления: Пара сотен дней.

Ингредиенты:
• 2 грамма ⁴⁸Ca (редкий изотоп кальция с большим числом нейтронов, его процентное содержание в природе – 0,187%, стоимость 1 грамма – 250 тыс. долларов).
• 30 миллиграммов ²⁴⁴Pu (самый богатый нейтронами долгоживущий изотоп плутония с периодом полураспада 8*10⁷ лет, во всех лабораториях мира накоплено около трех граммов этого вещества).
• Циклотрон У-400 в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне для ускорения ионов Ca до 0,1 от скорости света.
• Специальный электромагнитный сепаратор с газовым наполнением, разработанный в ОИЯИ, для удаления ненужных продуктов реакции.
• Позиционно-чувствительные детекторы для регистрации распадов продуктов реакции.
• Один компьютер для сбора данных и один для их анализа (SUN 450E).
• Большой коллектив российских технических специалистов для обслуживания ускорителя.
• 19 российских ученых.
• 5 американских ученых.

Инструкции: соедините первые семь ингредиентов, добавляя примерно по 0,3 миллиграмма ⁴⁸Ca в час, с большим количеством терпения, щепоткой удачи и кусочком вдохновения и варите шесть месяцев (24 часа в сутки 7 дней в неделю). Используйте последние два ингредиента для анализа 7 гигабайт информации в поисках следов распада элемента 114. Приправьте все это несколькими статьями с описанием результатов.

Результат: деликатесное блюдо! Один атом ²⁸⁹114 (с временем жизни 30 секунд!) и два атома ²⁸⁸114 (с периодом полураспада 2 секунды!).

Строение атомов и изотопы

По современным представлениям окружающее нас вещество, да и мы сами, состоит из молекул, молекулы – из атомов, а атомы – из ядер и окружающих их электронов. Ядра атомов, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов – частиц, имеющих примерно одинаковую массу, но отличающихся электрическим зарядом. Заряд протона равен заряду электрона, только со знаком плюс, а нейтрон – нейтральная частица, за что он и получил свое название. В самом простом атоме водорода всего один протон, а вокруг него вращается один электрон. Есть и другие элементы с одним протоном в ядре – это дейтерий и тритий. Но в ядре дейтерия две частицы, протон и нейтрон, а в ядре трития целых три – два нейтрона и протон. В результате дейтерий почти в два раза, а тритий – в три раза тяжелее обычного водорода. Каждый элемент таблицы Менделеева характеризуется строго определенным числом протонов, но может иметь разное число нейтронов в ядре. Такие разновидности элементов называются изотопами. Например, основной встречающийся в природе изотоп углерода обозначается 12С, в его ядре 6 протонов и 6 нейтронов. А радиоактивный изотоп 14С, который используют для радиоуглеродной датировки, содержит 6 протонов и 8 нейтронов. Химические свойства изотопов одного элемента практически одинаковы.

Многие ядра с избытком или недостатком нейтронов оказываются нестабильными и норовят превратиться в стабильные элементы путем радиоактивного распада или спонтанного деления. Самыми стабильными являются так называемые «магические ядра»: гелий (2 протона + 2 нейтрона), кислород (8 + 8), кальций (20 + 20). Для стабильности более тяжелых элементов доля нейтронов должна быть повыше. Поэтому следующее очень устойчивое «магическое» ядро свинца содержит 82 протона и 126 нейтронов. А предсказанный стабильный трансурановый элемент должен содержать 114 протонов и 184 нейтрона.

Радиоактивный распад

Есть два типа радиоактивного распада. Бета-распад, когда нейтрон в ядре распадается на протон, электрон и нейтрино. Две последние частицы улетают, а в ядре остается дополнительный протон – и получается следующий элемент Периодической системы. Другой радиоактивный распад с испусканием альфа-частиц (ядер гелия) сдвигает элемент, наоборот, на две клетки назад в таблице Менделеева и является своеобразным «отпечатком пальцев» радиоактивного элемента, поскольку каждый изотоп испускает альфа-частицы вполне определенной, только ему свойственной энергии. Зарегистрировав эти частицы и измерив их энергию, можно точно сказать, какой изотоп какого химического элемента их испустил. А если подобные альфа-частицы ранее нигде не встречались – значит, получен новый изотоп.