Вісімдесят років творіння

З 26 відомих зараз трансуранових елементів 24 не зустрічаються на нашій планеті. Вони були створені людиною. Як синтезують важкі й надважкі елементи?

Перший список з тридцяти трьох передбачуваних елементів, «Таблицю субстанцій, що належать всім царствам природи, які можуть вважатися найпростішими складовими частинами тіл», опублікував Антуан Лоран Лавуазьє в 1789 році. Разом з киснем, азотом, воднем, сімнадцятьма металами і ще кількома справжніми елементами в ньому фігурували світло, теплород і деякі окиси. А коли 80 років потому Менделєєв придумав Періодичну систему, хіміки знали 62 елементи. На початку XX століття вважалося, що в природі існують 92 елементи — від водню до урану, хоча деякі з них ще не були відкриті.

Проте вже наприкінці XIX століття вчені допускали існування елементів, що прямують у таблиці Менделєєва за ураном (трансуранів), але виявити їх ніяк не вдавалося. Наразі відомо, що у земній корі містяться слідові кількості 93-го та 94-го елементів — нептунію та плутонію. Але історично ці елементи спочатку отримали штучно і лише потім виявили в складі мінералів.

З 94 перших елементів у 83 є або стабільні, або довгоживучі ізотопи, період напіврозпаду яких порівняємо з віком Сонячної системи (вони потрапили на нашу планету з протопланетної хмари). Життя інших 11 природних елементів багато коротше, і тому вони виникають в земній корі лише в результаті радіоактивних розпадів на короткий час. А як же всі інші елементи, від 95-го до 118-го? На нашій планеті їх немає. Всі вони були отримані штучним шляхом.

Перший штучний

Створення штучних елементів має довгу історію. Принципова можливість цього стала зрозуміла в 1932 році, коли Вернер Гейзенберг і Дмитро Іваненко дійшли висновку, що атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. Через два роки група Енріко Фермі спробувала отримати трансурани, опромінюючи уран повільними нейтронами. Передбачалося, що ядро урану захопить один або два нейтрони, після чого зазнає бета-розпад з народженням 93-го або 94-го елементів. Вони навіть поспішили оголосити про відкриття трансуранів, які в 1938 році у своїй Нобелівській промові Фермі назвав аусонієм і гесперієм. Однак німецькі радіохіміки Отто Ган і Фріц Штрассман разом з австрійським фізиком Лізою Мейтнер незабаром показали, що Фермі помилився: ці нукліди були ізотопами вже відомих елементів, що виникли в результаті розщеплення ядер урану на пари осколків приблизно однакової маси. Саме це відкриття, вчинене в грудні 1938 року, уможливило створення ядерного реактора й атомної бомби.

Першим же синтезованим елементом став зовсім не трансуран, а передбачений ще Менделєєвим екамарганець. Його шукали в різних рудах, але безуспішно. А в 1937 році екамарганець, пізніше названий технецієм (від грецького в’язня — штучний), був отриманий при обстрілі молібденової мішені ядрами дейтерія, розігнаними в циклотроні ^ Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі.

Легкі снаряди

Елементи з 93-го до 101-го були отримані при взаємодії ядер урану або наступних за ним трансуранів з нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерію) або альфа-частинками (ядрами гелію). Першого успіху тут домоглися американці Едвін Макміллан і Філіп Ейбелсон, які в 1940 році синтезували нептуній-239, відпрацювавши ідею Фермі: захоплення ураном-238 повільних нейтронів і подальший бета-розпад урану-239.

Наступний, 94-й елемент — плутоній — вперше виявили при вивченні бета-розпаду нептунію-238, отриманого дейтронним бомбардуванням урану на циклотроні Каліфорнійського університету в Берклі на початку 1941 року. А незабаром стало зрозуміло, що плутоній-239 під дією повільних нейтронів ділиться не гірше урану-235 і може служити начинкою атомної бомби. Тому всі відомості про отримання і властивості цього елемента засекретили, і стаття Макміллана, Гленна Сіборга (за свої відкриття вони розділили Нобелівську премію 1951 року) і їх колег з повідомленням про другого трансурана з’явилася в друку лише в 1946 році.

Американська влада майже на шість років затримала і публікацію про відкриття 95-го елемента, америція, який наприкінці 1944 року був виділений групою Сіборга з продуктів нейтронного бомбардування плутонію в ядерному реакторі. Кількома місяцями раніше фізики з цієї ж команди отримали перший ізотоп 96-го елемента з атомною вагою 242, синтезований при бомбардуванні урану-239 прискореними альфа-частинками. Його назвали кюрієм на знак визнання наукових заслуг П’єра і Марії Кюрі, відкривши тим самим традицію найменування трансуранів на честь класиків фізики і хімії.

60-дюймовий циклотрон Каліфорнійського університету став місцем створення ще трьох елементів, 97-го, 98-го і 101-го. Перші два назвали за місцем народження — берклієм і каліфорнієм. Берклій був синтезований у грудні 1949 року при обстрілі альфа-частинками мішені з Америки, каліфорній — двома місяцями пізніше при такому ж бомбардуванні кюрію. 99-й і 100-й елементи, ейнштейній і фермій, були виявлені при радіохімічному аналізі проб, зібраних в районі атола Еніветок, де 1 листопада 1952 року американці підірвали десятимегатонний термоядерний заряд «Майк», оболонка якого була виготовлена з урану-238. Під час вибуху ядра урану поглинали до п’ятнадцяти нейтронів, після чого зазнавали ланцюжка бета-розпадів, які і вели до утворення цих елементів. 101-й елемент, менделевий, був отриманий на початку 1955 року. Сіборг, Альберт Гіорсо, Бернард Харві, Грегорі Чоппін і Стенлі Томсон піддали альфа-частковому бомбардуванню близько мільярда (це дуже мало, але більше просто не було) атомів ейнштейнію, електролітично нанесених на золоту фольгу. Незважаючи на надзвичайно високу щільність пучка (60 трлн. альфа-частинок в секунду), було отримано лише 17 атомів менделевію, але при цьому вдалося встановити їх радіаційні та хімічні властивості.

Важкі іони

Менделевій став останнім трансураном, отриманим за допомогою нейтронів, дейтронів або альфа-частинок. Для отримання наступних елементів потрібні були мішені з елемента номер 100 — фермія, які тоді було неможливо виготовити (навіть зараз у ядерних реакторах фермій отримують у нанограмових кількостях).

Вчені пішли іншим шляхом: використовували для бомбардування мішеней іонізовані атоми, чиї ядра містять більше двох протонів (їх називають важкими іонами). Для розгону іонних пучків знадобилися спеціалізовані прискорювачі. Першу таку машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Берклі 1957 року, другу, циклотрон U-300, — у Лабораторії ядерних реакцій Об’єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні 1960-го. Пізніше в Дубні запрацювали і більш потужні установки U-400 і U-400M. Ще один прискорювач, UNILAC (Universal Linear Accelerator), з кінця 1975 року діє в німецькому Центрі з дослідження важких іонів імені Гельмгольца, у Віксхаузені, одному з районів Дармштадта.

Під час бомбардувань важкими іонами мішеней зі свинцю, вісмуту, урану або трансуранів виникають сильно збуджені (гарячі) ядра, які або розвалюються, або скидають надлишкову енергію за допомогою випаровування (випаровування) нейтронів. Іноді ці ядра випускають один-два нейтрони, після чого зазнають і інші перетворення — наприклад, альфа-розпад. Такий тип синтезу називається холодним. У Дармштадті з його допомогою отримали елементи з номерами від 107 (борій) до 112 (коперніцій). Цим же способом в 2004 році японські фізики створили один атом 113-го елемента (роком раніше він був отриманий в Дубні). При гарячому синтезі новонароджені ядра втрачають більше нейтронів — від трьох до п’яти. Цим способом у Берклі і в Дубні синтезували елементи зі 102-го (нобелій) до 106-го (сиборгій, на честь Гленна Сіборга, під керівництвом якого було створено дев’ять нових елементів). Пізніше в Дубні таким шляхом виготовили шість наймасивніших надважковаговиків — з 113-го по 118-й. Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) поки затвердив лише імена 114-го (флеровий) і 116-го (ліверморій) елементів.

Дубнінський метод

Рецепт для надважких При

потраплянні важкого іона в область ядерних сил мішені може утворитися складове ядро в збудженому стані. Воно або розпадається на осколки приблизно рівної маси, або випускає (випаровує) кілька нейтронів і переходить в основний (неприпустимий) стан

«Елементи з 113-го по 118-й створені на основі чудового методу, розробленого в Дубні під керівництвом Юрія Оганесяна, — пояснює учасник дармштадської команди Олександр Якушев. — Замість нікелю і цинку, що застосовувалися для обстрілу мішеней в Дармштадті, Оганесян взяв ізотоп з куди меншою атомною масою — кальцій-48. Справа в тому, що використання легких ядер підвищує ймовірність їх злиття з ядрами мішені. Ядро кальцію-48 до того ж двічі магічне, оскільки складено з 20 протонів і 28 нейтронів. Тому вибір Оганесяна сильно сприяв виживанню складових ядер, що виникають при обстрілі мішені. Адже ядро може скинути кілька нейтронів і дати початок новому трансурану тільки в тому випадку, якщо воно відразу після народження не розвалюється на осколки. Щоб синтезувати таким чином надважкі елементи, дубнінські фізики робили мішені з напрацьованих у США трансуранів — спочатку плутонію, потім америція, кюрія, каліфорнія і, нарешті, берклію. Кальція-48 в природі всього 0,7%. Його витягують на електромагнітних сепараторах, це дорога процедура. Один міліграм цього ізотопу коштує близько $200. Цієї кількості вистачає на годину-іншу обстрілу мішені, а експерименти тривають місяцями. Самі мішені ще дорожчі, їхня ціна сягає мільйона доларів. Оплата рахунків за електрику теж встає в копієчку — прискорювачі важких іонів споживають мегаватні потужності. Загалом, синтез надважких елементів — задоволення не з дешевих «.

Всього три атоми

118-й елемент з тимчасовою назвою унуноктий і символом Uuo (за правилами IUPAC, тимчасові імена елементів утворюються від латинських і грецьких коренів назв цифр їх атомного номера, un-un-oct (ium) — 118) був створений спільними зусиллями двох наукових груп: дубнінської під керівництвом Юрія Оганесяна та Ліверморської національної лабораторії під керівництвом Кентона Муді, учня Сіборга. Унуноктий в таблиці Менделєєва розташований під радоном і тому може бути благородним газом. Однак його хімічні властивості поки з’ясувати не вдалося, оскільки фізики створили лише три атоми цього елемента з масовим числом 294 (118 протонів, 176 нейтронів) і періодом напіврозпаду близько мілісекунди: два в 2002 році і один в 2005-му. Їх отримали бомбардуванням мішені з каліфорнію-249 (98 протонів, 151 нейтрон) іонами важкого ізотопу кальцію з атомною масою 48 (20 протонів і 28 нейтронів), розігнаними на прискорювачі U-400. Загальна кількість кальцієвих «куль» склала 4,1 ст.1 ¹019, так що продуктивність дубнінського «унуноктієвого генератора» вкрай мала. Однак, за словами Кентона Муді, U-400 — єдина в світі машина, на якій можна було синтезувати 118-й елемент.

«Кожна серія дослідів з синтезу трансуранів додає нову інформацію про структуру ядерної матерії, яку використовують для моделювання властивостей надважких ядер. Зокрема, роботи з синтезу 118-го елементу дозволили відкинути кілька колишніх моделей, — згадує Кентон Муді. — Ми зробили мішень з каліфорнію, оскільки більш важкі елементи в потрібних кількостях були недоступні. Кальцій-48 містить вісім додаткових нейтронів порівняно зі своїм основним ізотопом кальцієм-40. При злитті його ядра з ядром каліфорнія утворювалися ядра з 179 нейтронами. Вони перебували в сильно збуджених і тому особливо нестабільних станах, з яких швидко виходили, скидаючи нейтрони. У результаті ми отримали ізотоп 118-го елемента зі 176 нейтронами. І це були справжні нейтральні атоми з повним набором електронів! Живи вони трохи довше, можна було б судити і про їхні хімічні властивості «.

Мафусаїл номер 117

Елемент 117, він же унсептій, був отриманий пізніше — в березні 2010 року. Цей елемент був народжений на тій же машині U-400, де, як і раніше, обстрілювали іонами кальцію-48 мішень з берклію-249, синтезованого в Окриджській національній лабораторії. При зіткненні ядер берклію і кальцію виникали сильно збуджені ядра унунсептія-297 (117 протонів і 180 нейтронів). Експериментаторам вдалося отримати шість ядер, п’ять з яких випарували по чотири нейтрони і перетворилися на унунсептій-293, а решта випустила три нейтрони і дала початок унунсептию-294.

У порівнянні з унунокттям унсептій виявився справжнім Мафусаїлом. Період напіврозпаду легшого ізотопу — 14 мілісекунд, а більш важкого — цілих 78 мілісекунд! У 2012 році дубнинські фізики отримали ще п’ять атомів унунсептія-293, пізніше — кілька атомів обох ізотопів. Навесні 2014 року вчені з Дармштадта повідомили про синтез чотирьох ядер 117-го елемента, два з яких мали атомну масу 294. Період напіврозпаду цього «важкого» унунсептія, виміряний німецькими вченими, склав близько 51 мілісекунди (це добре узгоджується з оцінками вчених з Дубни).

Зараз у Дармштадті готують проект нового лінійного прискорювача важких іонів на надпровідних магнітах, який дозволить провести синтез 119-го і 120-го елементів. Аналогічні плани здійснюють і в Дубні, де будується новий циклотрон DS-280. Не виключено, що всього через кілька років стане можливим синтез нових надважких трансуранів. І створення 120-го, а то й 126-го елементу зі 184 нейтронами і відкриття острова стабільності стануть реальністю.

Довге життя на острові стабільності

Всередині ядер існують протонні і нейтронні оболонки, в чомусь схожі на електронні оболонки атомів. Ядра з повністю заповненими оболонками особливо стійкі по відношенню до спонтанних перетворень. Числа нейтронів і протонів, що відповідають таким оболонкам, називаються магічними. Деякі з них визначені експериментально — це 2, 8, 20 і 28.

Оболонкові моделі дозволяють вирахувати «магічні числа» надважких ядер і теоретично — правда, без повної гарантії. Є підстави очікувати, що нейтронне число 184 виявиться магічним. Йому можуть відповідати протонні числа 114, 120 і 126, причому останнє знову-таки має бути магічним. Якщо це так, то ізотопи 114-го, 120-го і 126-го елементів, що містять по 184 нейтрони, будуть жити куди довше своїх сусідів по таблиці Менделєєва — хвилини, години, а то й роки (цю область таблиці прийнято називати островом стабільності). Найбільші надії вчені покладають на останній ізотоп з двічі магічним ядром.