В эпоху географических
открытий людей пытливых и смелых манили к себе белые пятна на картах.
Там скрывались неведомые | страны.
Какими же картами и лоциями руководствовались мы, физики, намечая трассу
к новым, еще неизвестным элементам - к белым пятнам таблицы
периодической системы Менделеева? Это прежде всего сама система
элементов.
На рисунке изображена' часть таблицы Менделеева. После 88-й клетки идет
клетка 89-103. В ней расположена семья "трансурановых элементов - от
93-го до 103-го. Все ее члены мало отличаются друг от друга химическими
свойствами и поэтому находятся в одной клетке. Они входят в ряд
актиноидов, и все созданы человеком. А какой элемент займет соседнюю
клетку, расположенную под гафнием?
Теория предсказывала, что 104-й должен резко отличаться от своих
предшественников - актиноидов. Его поведение в химических реакциях
должно напоминать гафний. Экагафний - такое имя дал бы ему Д. И.
Менделеев.
Напомним, что номер элемента в периодической системе равен числу
протонов, входящих в его ядро. Число нейтронов в ядре того же самого
элемента может меняться, а значит, могут существовать атомы элемента с
разным количеством нейтронов. Такие атомы называются изотопами. Сумма
протонов и нейтронов ядра называется массовым числом. Это число примерно
равно массе ядра изотопа, выраженной в массовых единицах. Массовая
единица - одна шестнадцатая массы атома кислорода.
Оценивая возможность синтеза изотопов 104-го, мы пришли к выводу, что с
нашими экспериментальными средствами проще всего получите- и обнаружить
ядро нового элемента 104 с массовым числом 259-260.
Какие же свойства этого ядра мы могли предвидеть? Все трансурановые
элементы нев*габильны. Они непрерывно распадаются. Один из способов -
альфа-распад. Например, ядро Ю4260 может делиться на два ядра:
ядро гелия с зарядом 2 и массой 4 и ядро 102-го элемента с зарядом 102 и
массой 256:
Ю4260 --*102256 + оНе4.
Другой способ - спонтанное деление: ядро самопроизвольно (спонтанно)
делится на два примерно равных по массе ядра, которые называются
осколками.
Хотя мы не располагали надежной теорией, объясняющей свойства
трансурановых элементов, способ распада ядра 104-го удалось предсказать.
Наши оценки показывали, что новый элемент с массой 259-260 в основном
будет делиться спонтанно.
Если заряд
первоначального ядра увеличить, например, на две единицы, то на столько
же единиц возрастет порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Но
как это сделать? Обстреляем нейтронами плуто-ний-242. Ядро 94PU242,
захватив нейтрон, заряд которого нуль, а масса - единица, превратится в
изотоп того же самого элемента плутония с массой в 243 единицы: 94PU243.
Ядро изотопа 94PU243 само повышает свой заряд на одну единицу, испуская
Р-части-цу - электрон, а следовательно, переходит в ядро с зарядом 95 -
в ядро элемента америция 95Агп243.
В ядерных реакторах с интенсивными потоками нейтронов так могут быть
получены все элементы, вплоть до 100-го - фермия. Может быть, так
удастся получить 101-й - менделевий. Но к высшим элементам (102, 103, а
тем более к 104-му) такой путь закрыт.
Дело в том, что изотопы элементов, атомный номер которых больше чем 101,
живут в лучшем случае десятки секунд, а захват нейтронов даже в новейших
реакторах с очень большой интенсивностью потока нейтронов требует
длительного времени. Это - десятки дней, а то и месяцы. Ядра изотопов
высшего элемента гибнут, не успев родиться.
Есть другой путь: увеличить атомный номер ядра скачком, слив два сложных
яДра. Если, например, с ядром урана (заряд 92) слить воедино ядро неона
(заряд 10), то образуется составное ядро с зарядом 92 + 10 = = 102, т.
е. ядро 102-го элемента.
92U238 + ioNe22 10 2260.
Простая арифметика, но на деле явление оказывается весьма сложным.
Сложность его прежде всего в том, что слияние таких ядер может произойти
лишь в том случае, если они сближаются с большой скоростью.
Как известно, между ядрами действуют силы двух типов - отталкивание (так
как они одноименно заряжены) и ядерное притяжение. Ядерные силы
притяжения вступают в действие лишь на очень малом расстоянии между
центрами ядер, когда ядра уже соприкасаются поверхностями. Электрические
же силы отталкивания действуют на значительно большем расстоянии.
Поэтому в обычных условиях ядра не могут слиться. Для этого они должны
обладать достаточно большой скоростью. Например, чтобы ядро неона
слилось с ядром урана, его скорость должна быть не менее 90 млн. км/час
- в 30 000 раз больше скорости самого современного реактивного
истребителя!
Рассмотрим процесс слияния ядер изотопов неона-22 и плутония-242:
94Pu242 + ioNe22.
В результате этого процесса в новом ядре будет 104 протона (сумма
зарядов неона и плутония), а его масса равна 242 + 22 = = 264 атомным
единицам. Вновь образовавшееся ядро называется промежуточным, это ядро
неустойчиво. Таким его делает энергия возбуждения, внесенная тяжелым
снарядом - неоном. Составное ядро деформируется, начинает совершать
колебания и делится практически мгновенно на ядра-осколки.
Новый элемент не получился. Но...
К счастью, не всегда
составное ядро мгновенно делится. В одном из десяти миллиардов случаев
образовавшееся составное ядро 104264 не разделится, а "испарит" один за
другим четыре или пять нейтронов, отдаст с ними излишнюю энергию и
останется жить. "Испарение" нейтронов не влияет на заряд ядра. Только
масса за счет потери нейтронов уменьшится на четыре или пять единиц.
А где взять ядра неона, движущиеся со скоростью 30 ООО км/сек? Нужен
специальный ускоритель ядерных частиц. В нашей лаборатории (Лаборатория
ядерных реакций в Дубне) установлен циклотрон тяжелых ионов - самый
мощный в мире. В нем разгоняют ионы - заряженные атомы тяжелее гелия:
кислород, неон, аргон.
Магнит циклотрона, в котором ускоряются такие "тяжелые" ионы, должен
быть большим; диаметр его полюсных наконечников 310 см, а вес 2500 т.
Остальные узлы и детали циклотрона под стать размерам магнита. Зал
циклотрона - огромное помещение высотой 18 ж и площадью 1500 м2. Почти
зал Большого театра!
Но при всей мощности техники коэффициент полезного действия такого
"снаряда", как неон, очень мал. Из-за этого обнаружить ядра 104-го
элемента, среди неимоверно огромного количества осколков деления и
остатков других побочных явлений во много
раз труднее, чем, например, ядра 101-го элемента, выход которых в
ядерных реакциях в тысячу раз больше.
Если ядра плутония и
ускоренные ядра неона - главные "действующие лица" в создании нового,
104-го элемента, то плутониевая мишень-"арена", где происходит это
ядерное превращение.
Плутониевая мишень устроена так. На 2 см2 алюминиевой фольги толщиной в
6-10 мк нанесен слой плутония. Фольга с плутонием зажата между медными
решетками, которые отводят от нее тепло, выделяющееся, когда ядра неона
бомбардируют мишень.
Не всякий плутоний годится для получения 104-го элемента. У плутония
известно 15 изотопов с самыми различными свойствами. Например, время
жизни плуто-ния-232 - 50 минут, а плутония-244 - около 100 млн. лет. Для
синтеза 104-го нужен изотоп 94Р11242, и на нашу мишень нужно всего 0,002
г этого изотопа.
Устройство, с помощью которого мишень вводится внутрь циклотрона в пучок
ускоренных ионов, называется пробником. В пробнике помещена и вся
основная аппаратура, необходимая для регистрации ядерных процессов.
Рисунок (стр. 106) изображает схему получения 104-го элемента. На мишень
1 падает пучок ядер неона. Пройдя алюминиевую фольгу-подложку 2, неон
попадает в плутониевый слой. Сначала ядра неона и плутония сливаются в
составное ядро.
Камерой Б зарегистрировано вдвое меньше импульсов, чем камерой А,
следовательно, число ядер 104-го элемента, прошедших мимо камеры Б,
также вдвое меньше. За время переноса на расстояние / спонтанно
разделилась половина всех ядер. Значит, t0 - это время, за которое число
ядер 104-го уменьшается вдвое, иными словами, t0 - период полураспада
104-го элемента.
Расстояние I и скорость V мы выбираем сами. Зная эти величины, можно
вычислить
одну из самых важных характеристик ядра 104-го элемента - период его
полураспада. Скорость ленты и расстояние между счетчиками можно
изменять. Так, если I = 0,3 м, a v = 1 м/сек, то период полураспада ядер
близок к 0,3 сек; если и = 10 м/сек, а расстояние то же, то период
полураспада ядер 0,03 сек.
В первом опыте
скорость v была выбрана так, чтобы изучить ядра с временем жизни около
0,01сек. И сразу же удача. Зарегистрированы спонтанно делящиеся ядра с
периодом полураспада 0,014 сек. Казалось, не нужно и сомневаться, что
эти ядра принадлежат 104-му элементу: у ядер всех элементов с меньшим
атомным номером период полураспада гораздо больше.
Как мы знаем, только одно из десяти миллиардов составных ядер испускает
четыре или пять нейтронов и становится ядром 104-го элемента. За счет
импульса, внесенного ядром неона, ядро 104-го элемента вылетает из
мишени и попадает на движущуюся ленту-конвейер 3.
Теперь ядра нового элемента движутся вместе с лентой. Их нужно
обнаружить. Мы знаем, что ядро 104-го должно разделиться, но не
мгновенно, а через какое-то время после его рождения. За это время
никелевая лента успеет перенести ядра 104-го элемента к регистраторам
осколков деления. Такими
регистраторами могут быть, например, ионизационные камеры А и Б.
Ядра нового элемента нестабильны и все время самопроизвольно делятся на
ленте-конвейере на осколки. Поэтому мимо ионизационной камеры Б лента
всегда пронесет меньшее число новых ядер, чем мимо камеры А, и число
ядер, разделившихся у камеры А, будет больше, чем у камеры Б.
Если ядро спонтанно разделилось, допустим, около ионизационной камеры А,
то один из осколков деления вызовет в ней импульс электрического
напряжения. Этот импульс поступает по кабелю на электронный усилитель 4,
усиленный импульс уже можно передать на счетное устройство ,
расположенное далеко от пробника, на пульте управления циклотроном.
Импульс напряжения, попадая на счетное устройство, заставляет стрелку
механического счетчика перепрыгнуть на одно деление. Когда опыт
закончен, физики записывают число импульсов, поступивших из
ионизационных камер на счетные устройства.
Допустим, на одном счетчике зарегистрировано 40, а на другом - 20
импульсов. Следовательно, около камеры А разделилось 40, а около камеры
Б - 20 ядер 104-го. Если скорость ленты v, а расстояние между
ионизационными камерами /, то от камеры А до камеры Б ядра нового
элемента транспортируются за время но, может быть, это ложные импульсы,
обусловленные нечеткой работой аппаратуры? Камеры каждый час
регистрировали около 20 осколков. Нас смущал слишком большой выход
104-го. По расчетам, должно было образовываться не более одного ядра за
час работы циклотрона.
Подготовили новый опыт, чтобы убедиться, что мы действительно открыли
104-й элемент. Вместо плутониевой мишени в пробник была поставлена
мишень из урана. Если эту мишень облучать неоном
92U238 + i0Ne22 10 2260,
максимальный заряд ядра будет 102. 104-й в этой реакции не образуется.
Для чего нужно было облучать уран? Что дает этот опыт? В реакции s4Pu242
+ ioNe22, кроме ядер 104-го, получается значительно большее количество
других элементов. Ядра плутония и неона сравнительно редко сливаются
полностью. Чаще ядро неона передает ядру плутония только несколько
нуклонов. В результате на ленту пробника попадают не только осколки
деления, но и более тяжелые ядра, испускающие все виды радиоактивных
излучений. В таких условиях могут возникнуть ложные, или, как мы их
называем, фоновые, импульсы. Новый опыт был поставлен для того, чтобы
убедиться, присутствуют эти же ложные импульсы в другом варианте
облучения или нет (в варианте, когда 104-й не может появиться).
В
лабораторном журнале после первого облучения урана-238 неоном-22
появилась запись: "Облучение урана неоном. Получены фоновые импульсы,
имитирующие период полураспада спонтанно делящихся ядер порядка 0,014
сек".
Откуда же взялись такие спонтанно делящиеся ядра?.. Их ведь не должно
быть! Теория и эксперимент указывали: все ядра с порядковым номером
меньше 104 имеют гораздо больший период полураспада и спонтанно делятся
на осколки. Проще всего это можно было объяснить тем, что аппаратура,
которую готовили свыше года, непригодна: в ней создаются ложные
импульсы.
Попробовали применить более легкие бомбардирующие ядра: азот, бор. Если
в аппаратуре есть какая-либо погрешность, то при бомбардировке мишеней
легкими ядрами число ложных импульсов не должно меняться. Неожиданно
выход ядер с периодом 0,014 сек резко возрос. Тогда стало очевидным:
открыт вариант деления ядер, не предсказанный теорией.
В дальнейшем было выяснено, что с периодом 0,014 сек делится ядро
америция-242, образующееся в возбужденном состоянии в процессе ядерной
реакции. Это явление наукой еще до конца не понято. Во всем мире ученые
начали исследовать "странные" ядра америция. Но нас продолжал
интересовать именно 104-й элемент.
Возникла новая опасность: может быть, у 104-го и у америция-242 в
возбужденном состоянии периоды полураспада одинаковы? Тогда осколки
спонтанного деления нового излучателя замаскируют осколки 104-го. Как же
искать 104-й элемент?
Оставалась надежда, что время жизни 104-го лежит в другом временном
интервале. Перед нами встала задача - изучить спонтанно делящиеся ядра
со временем жизни от 0,0001 сек до 1 сек.
Придумали новый способ регистрации ядер 104-го элемента. В принципе он
не отличается от прежнего, только вдоль ленты вместо счетчиков
установили на гораздо большем расстоянии несколько стеклянных пластинок
- детекторов, на которых остаются следы осколков. Это позволило сразу в
одном опыте регистрировать осколки спонтанного деления в широком
интервале времени жизни ядер. Если скорость ленты 1 м/сек, первый
детектор поставлен в 3 см от мишени, а последний - в 8 м от нее, то
будут зарегистрированы осколки спонтанного деления ядер с периодом
полураспада от 0,03 сек до 4 сек.
И опять эксперименты. Ищем 104-й в "щелях" времени между фоновыми
треками. Решили установить скорость ленты в 1 м/сек. Эта скорость
позволяла изучить периоды полураспада спонтанно делящихся ядер во
временном интервале от 0,1 до 1 сек, свободном от изомеров.
Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень.
Сорок часов лента несет ядра отдачи к стеклянным пластинкам. Наконец
закончено облучение. Извлечены стеклянные пластинки и переданы в
лабораторию на обработку. С нетерпением ждем результатов. Проходит
несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков (следов ядер).
Вычислен период полураспада по положению треков и скорости ленты.
Величина периода оказалась равной 0,3 +0,2 сек, т. е. от 0,1 сек до 0,5
сек. Новые опыты - ив каждом четко проявлялись следы ядер, спонтанно
делящихся с периодом 0,3 сек. Мы установили, что больше всего новых ядер
образуется, когда скорость ионов неона 31 500 км/сек. При такой скорости
за 5 часов образуется два новых ядра. Если же скорость неона увеличится
до 32 ООО км/сек, то за это
же время образуется только одно ядро 104-го. Такое отношение выхода
нового ядра к скорости бомбардирующих ионов неона могло быть, только
если синтезировался именно 104-й. У изученных раньше делящихся спонтанно
ядер-изомеров с ростом энергии выход убывал менее резко.
Было поставлено еще несколько контрольных опытов. Все они подтвердили:
новый, 104-й элемент открыт!
Так был сделан первый шаг, на который затратили 4 года. А чтобы сделать
второй - исследовать химические свойства нового элемента, понадобилось
еще 2 года работы: лишь в марте 1966 г. интернациональная группа ученых
Объединенного института ядерных исследований решила эту задачу.
Нужно было разработать совершенно новый скоростной метод химического
исследования 104-го элемента. Обычная, как мы говорим, "мокрая" химия не
подходила - слишком медленно идут реакции в водной среде, чтобы успеть
исследовать химические свойства 104-го до того, как он распадется.
Элемент 103 стал "замыкающим" в ряду актиноидов. Было известно, что
соединения этих элементов с хлором - так называемые хлориды актиноидов -
могут быть легко осаждены на фильтре. Элемент же 104, согласно
периодическому закону, как уже было сказано, должен обладать свойствами,
сходными со свойствами гафния, образующего с хлором летучие соединения,
не осаждающиеся на фильтре. Эта аналогия и была положена в основу метода
химического исследования элемента 104.
Во время проведения этих исследований позади мишени из плутония-242
располагалась камера-пробник, в начало которой подавался поток азота,
затормаживающий ядра, вылетающие из мишени. Этот поток подхватывал
выбитые из мишени ядра элемента 104 и побочных продуктов и доставлял их
в зону хлорирования. Сюда по другому патрубку поступал поток
тетрахлорида циркония, в результате взаимодействия
Схема эксперимента по изучению химических свойств 104-го элемента : 1 -
область, где образуются ядра 104-го элемента; 2 - хлорирование и перенос
атомов 104-го; 3 - отделение актиноидов; 4 - область, где слюдяные
детекторы регистрируют осколки спонтанного деления 104-го.
с которым образовывался тетрахлорид элемента 104 и хлориды актиноидов.
Увлекаемые тетрахлоридом циркония, одновременно играющим роль носителя,
эти соединения попадали в фильтр, где хлориды актиноидов осаждались, а
тетрахлорид 104-го элемента продолжал свой путь. После фильтра он
попадал в камеру, где самопроизвольно распадался на осколки, которые
регистрировались слюдяными детекторами. Так как фильтр закрывал проход
ядрам актиноидов, получаемые на детекторах следы могли быть следами
только элемента 104.
Это указывало, что химические свойства 104-го аналогичны свойствам
гафния и что он не принадлежит к ряду актиноидов.
Химические исследования подтвердили работы 1964 г. по синтезу 104-го
элемента. В честь выдающегося советского физика академика И. В.
Курчатова элемент 104 был назван курчатовием (Ки).
Трансурановые
элементы уже применяются для технических и научных целей. Плуто-ний-239
- лучшее ядерное горючее, так как этот изотоп делится нейтронами с малой
энергией-"тепловыми нейтронами". Колоссальные запасы урана-238, который
прежде мы не умели использовать, могут быть переведены в плутоний с
помощью специальных реакторов на быстрых нейтронах. Запасов энергии,
которую можно получать этим способом, человечеству хватит на десятки
тысяч лет. Ясны перспективы использования и многих других трансурановых
элементов.
В момент открытия нового физического явления иногда сами исследователи
не знают, где и как будет применяться их открытие. В 30-х годах нашего
века, или, как говорят люди старшего поколения, "до войны", всю ядерную
физику большинство ученых считали отраслью, не имеющей практического
значения. Полагали, что не менее сотни лет потребуется человечеству,
чтобы освоить энергию ядра. Но уже через несколько лет работал первый
ядерный реактор (1942), затем вошла в строй атомная электростанция
(1954).
В земной коре, кроме ничтожных количеств нептуния и плутония,
трансурановых элементов нет. А вот в некоторых звездах трансурановые
элементы образуются непрерывно в результате ядерных процессов. Изучение
свойств высших, трансурановых элементов поможет человеку понять многие
явления, происходящие в звездной материи, проникнуть в тайны Вселенной.
Г.Н. Флеров, В.И. Кузнецов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
