Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 20:18 дата обновления страницы
Вещество и энергия. Числа и фигуры
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 20:18
icq:
613603564
Еще не открытые элементы
Не правда ли удивительно: элементы еще не открыты, а
мы уже пытаемся о них рассказать? Но такова наука. Прежде чем начать
путешествие в страну неизвестного, ученый намечает путь, используя
существующие теоретические представления. Вот о таком еще не пройденном
пути в область далеких трансурановых элементов-"сверхэлементов" - будет
идти наш рассказ. Окажется ли этот путь прямым и путешествие пройдет без
приключений, или встретятся непредвиденные препятствия, покажут будущие
эксперименты, в которых, быть может, примут участие и сегодняшние
школьники - читатели этой статьи.
Открытие и изучение химических свойств курчатовия (элемент 104)
позволяет предсказать химические свойства и даже ориентировочно время
жизни элементов 105, 106, 107... Но каковы детальные ядерные свойства
(характеристики) этих элементов или элементов с порядковым номером 114-
126? У ученых есть и на этот счет рассуждения и теории.
Все известные трансурановые элементы, кроме 104-го - курчатовия, входят
в ряд актиноидов. У этих элементов химические свойства сходны со
свойствами лантаноидов - элементов редкоземельного ряда. Уже удалось
изучить химию 102-го и 103-го элементов. Опыты, выполненные в Дубне, с
несомненностью показали, что курчато-вий - аналог гафния. Основываясь на
этих опытах, можно с большей уверенностью предсказывать химические
свойства еще не открытых далеких элементов. Теперь, если взглянуть на
рисунок 1, станет ясно, что элемент 105 должен быть химическим аналогом
тантала, 106 - вольфрама, 107 - рения, и так до 118-го, который должен
быть сверхтяжелым благородным газом. (Попробуйте вычислить плотность
этого газа при нормальных условиях. Атомный вес 118-го элемента можно
считать равным 300.) Элементы 119, 120 и 121 помещены в клетках под
францием, радием и актинием и сходны с ними по химическим свойствам.
После 121-го начинается третий ряд, элементы которого аналогичны в
химическом отношении элементам
лантаноидного и актиноидного рядов. Эти выводы мы делаем, основываясь на
периодическом законе Д. И. Менделеева.
Ядерные свойства еще не открытых элементов предвидеть значительно
сложнее. А ведь именно ядерными свойствами определяется время жизни
элемента, а значит, во многом и возможность его изучения.
Давайте вспомним, что это такое "время жизни". (Здесь речь идет о
среднем времени жизни. Но для краткости всюду мы будем писать просто "время жизни".) Все трансурановые элементы нестабильны. Их изотопы
распадаются, испуская альфа-частицы (ядра гелия), или делятся на два
примерно одинаковых по массе ядра путем самопроизвольного (спонтанного)
деления, причем ядра одного и того же изотопа могут и делиться
спонтанно, и испускать альфа-частицы. Так, у калифорния-252 из 30
распавшихся ядер в среднем 29 распадаются путем альфа-распада, а одно
делится спонтанно. Время жизни изотопа элемента т определяется величиной
где п - число ядер, распадающихся за
единицу времени всеми способами распада, a iV0 - общее количество ядер
распадающегося изотопа в момент времени, когда измеряется величина п.
Если время жизни изотопа то период его полураспада 0,693 т.
Время жизни 105, 106, 107-го и других элементов, недалеко отстоящих от
курчатовия, можно оценить, основываясь на уже известном значении
периода полураспада изотопа курчатовий-260, равного 0,3 сек. Так, время
жизни изотопов 105-го элемента порядка 0,01 сек, а 106-го и 107-го -
порядка 0,001 сек. Изучить изотопы элементов за такое короткое время
очень сложно. Но основные трудности связаны с тем, что во время опыта
получается очень мало таких ядер - значительно меньше, чем ядер 104-го
элемента. Может оказаться, что трудности, которые мы встретим на этом
пути, окажутся совершенно непреодолимыми, начиная уже со 107-го - 108-го
элементов. Означаетли это, что проблема исследования
трансурановых элементов зайдет в тупик?..
Посмотрим внимательно на таблицу периодического закона (рис. 1). За 83-м
элементом - висмутом идут полоний, астатин, радон и другие элементы с
очень коротким временем жизни их изотопов. Но изотопы более тяжелых
элементов - тория, урана, плутония оказываются значительно устойчивее и
время их жизни значительно длительнее.
Вот как идет кривая времени жизни тяжелых элементов (рис. 2): после
резкого спада за висмутом время жизни тяжелых элементов возрастает
(торий, уран, плутоний), а затем вновь убывает (америций, кюрий, ...,
102-й, 103-й, курчатовий). Будет ли новый подъем? Существуют ли
долгоживущие элементы с атомным номером, большим 104-го?
Еще на заре ядерной физики - в начале 30-х годов - была замечена
странная закономерность: атомные ядра, в которых число протонов или
нейтронов равнялось 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126, отличались высокой
стабильностью (устойчивостью). Эта закономерность подтверждалась не
только физическими экспериментами, но и анализом распространенности
разных элементов в природе (по распространенности можно судить о том,
насколько стабилен тот или иной элемент). Оказалось, что природные
запасы таких элементов, как олово с 50 протонами в ядре, барий с 82
нейтронами и свинец, в ядре которого 82 протона, значительно больше, чем
запасы их "соседей" по периодической системе. В то время эти факты не
нашли объяснения, и такие числа протонов и нейтронов физики стали в
шутку называть магическими. Это название осталось и до нашего времени.
Тогда же было отмечено, что если и число протонов, и число нейтронов
равны магическим числам, то ядро отличается особо высокой устойчивостью.
Примером такого
дважды магического ядра может служить ядро изотопа свинец-208, которое
содержит 126 нейтронов и 82 протона.
Современной теории удалось объяснить закономерности образования
магических чисел. Оказывается, как и атомные электроны, нуклоны в
атомных ядрах образуют нейтронные и протонные оболочки. Строение ядерных
оболочек совсем иное, чем электронных, но наиболее устойчивы ядра тех
изотопов, у которых нейтронные и протонные оболочки заполнены. "Сверхэлементом",
у которого может существовать дважды магическое ядро, будет 126-й
элемент. Ядро дважды магического изотопа этого элемента должно содержать
184 нейтрона. Это магическое число было вычислено теоретически. В
области атомного номера 126 поэтому можно ожидать появления изотопов со
временем жизни, достаточным для изучения их свойств. Но как долго будут
жить такие изотопы - дни, месяцы, годы, пока предсказать невозможно.
Ожидается еще одна область стабильных изотопов около атомного номера
114.
Перед учеными встают большие трудности, когда требуется определить
свойства таких далеких элементов, как 114 или 126. Еще нет абсолютной
уверенности, что вообще должны существовать области стабильности. Но тем
интереснее поиск. Ведь в случае, если области стабильности не будут
обнаружены, придется во многом пересмотреть современные представления о
структуре ядра. Если же предсказание о существовании новых областей
стабильности элементов оправдается, то это не только откроет новые
перспективы для исследований свойств трансурановых элементов, но и
внесет большой вклад в ядерную физику, подтвердив существующие
представления о строении ядра.
Посмотрим, что нужно сделать, чтобы проверить эти теоретические
предсказания. Попробуем попасть в область 114-го элемента. Для этого
необходимо слить два сложных ядра и "перешагнуть" сразу через многие
клетки таблицы периодического закона. Самый тяжелый элемент, облучая
ядра которого можно получить 114-й элемент,- кюрий. Более далекие
элементы трудно использовать из-за их высокой активности. Заряд ядра
кюрия - 96.
96 + 18 = 114.
Значит, если слить с ядром кюрия ядро аргона (заряд 18), получится 114-й
элемент, а чтобы получить ядро 126-го элемента, облучая торий, нужны
ускоренные ядра криптона. Вот ядерная реакция, в которой можно получить
ядро 126-го элемента:
90Th232 + збКг82 126310 + 4п.
Элемент 114 - химический аналог свинца, а 126-й входит в третий,
редкоземельный ряд. Этот элемент - аналог плутония (рис. 1).
Чтобы шел процесс слияния ядер тория и криптона, скорость ядра криптона
должна быть порядка 20 ООО км/сек - в 2500 раз больше скорости
искусственного спутника Земли. Самый мощный циклотрон в мире,
установленный в Лаборатории ядерных реакций в Дубне, не ускоряет ионы
криптона до таких скоростей. Чтобы совершить прыжок через пропасть
нестабильности, необходимо построить еще более мощные ускорители. Нужно
сделать и многое другое. Так, очень трудной и важной задачей будет
создание источника ионов криптона, которые необходимо вводить в
циклотрон для ускорения. Эти работы ведутся в Советском Союзе, Франции,
США. Есть и другой путь получения элементов, лежащих в предполагаемых
областях стабильности. Это облучение урана ядрами урана, ускоренными до
энергий, позволяющих ядрам урана слиться между собой в промежуточное
ядро. Заряд такого промежуточного ядра будет равен 184, а массовое
число- 476. Мы уже знаем (см. ст. "104-й - курчатовий"), что даже более
легкие составные ядра, полученные, например, при бомбардировке урана
неоном, как правило, делятся. А такой тяжелый снаряд, как ядро урана,
вносит в составное ядро настолько большую энергию возбуждения, что все
без исключения составные ядра будут делиться. И среди осколков этого
гигантского составного ядра могут оказаться ядра далеких трансурановых
элементов, в частности и 114-й и 126-й элементы. Вот пример такой
возможной реакции:
92U233+82U238^1841 1 -0Yb16e+12 п.
Чтобы осуществить такую реакцию, необходимо получить пучки ускоренных
ядер урана большой интенсивности. Для этого потребуется циклотрон с
диаметром полюсных наконечников не менее 10 м и весом в десятки тысяч
тонн. Построить такой ускоритель - довольно трудная задача, но она под
силу инженерам и ученым, и думается, в недалеком будущем ускорители
урана будут созданы. Удастся ли синтезировать и изучить химические
свойства 114-го или 126-го элемента в ближайшие годы? Это настолько
сложная задача, что сам по себе напрашивается отрицательный ответ. Но
ведь совсем недавно не менее фантастической казалась задача исследования
химических свойств курчатовия.
В.И. Кузнецов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.