Открытие трансурановых элементов

Когда Д. И. Менделеев сделал свое открытие, миру было известно только 62 элемента из 92, вошедших в его знаменитую таблицу. За истекшее столетие найдены все предсказанные им элементы.

Долгое время в таблице Менделеева самым тяжелым элементом был девяносто второй - уран. С помощью новейших исследований удалось открыть и синтезировать 15 элементов тяжелее урана. Их называют трансурановыми. Таким образом, в настоящее время в таблице Менделеева заполнено 107 клеток. Известно, что номер элемента определяется числом протонов в его ядре. Если рассматривать элементы в таблице слева направо, то у каждого следующего элемента ядро содержит на один протон больше.

Атом урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Уран - последний из природных долгоживущих тяжелых элементов. Продолжительность жизни урана сопоставима с продолжительностью существования Земли - 4,5 млрд. лет.

Трансурановые элементы распадаются значительно быстрее, и поэтому в естественных условиях их почти не сохранилось. В природе в небольших количествах встречаются нептуний (девяносто третий элемент) и плутоний (девяносто четвертый элемент).

Несколько трансурановых элементов, в том числе сто первый, названный менделевием, было синтезировано в Беркли (США) Г. Сиборгом и его коллегами. Элементы легче менделевия были получены путем обстрела ядер урана нейтронами. Для элементов тяжелее такой метод синтеза оказался непригоден; Советские физики, открывшие последующие элементы, пользовались другим методом.

Когда сталкиваются ядро-снаряд и ядро-мишень, они сливаются, образуя так называемое составное ядро. Число его протонов и характеризует новый элемент. Для мишени при синтезе, например, сто шестого элемента предпочтительнее свинец, а для снарядов - хром. Расчет простой: в ядре хрома 24 протона, в сумме с 82 протонами ядра свинца они составят необходимую цифру 106.

С начала 60-х гг, среди ядерных лабораторий мира, занимающихся синтезом и изучением свойств трансурановых элементов, ведущее место заняла лаборатория ядерных реакций в Дубне, возглавляемая академиком Г. Н. Флеровым. В активе лаборатории открытие элементов 102, 103, 104, 105, 106 и 107 (17 новых изотопов). В ряде случаев изотопы этих элементов были впоследствии синтезированы в США.

Следует особо подчеркнуть, что в ходе работ по синтезу и изучению изотопов сто четвертого и более тяжелых элементов была обнаружена новая закономерность в свойствах ядер трансурановых элементов, резко изменившая привычные представления об их структуре и устойчивости по отношению к делению. Оказалось, что при переходе от сотого - сто второго элементов к сто четвертому и далее не наблюдается катастрофического уменьшения времени жизни, предсказывавшегося на основании расчетов и экстраполяции экспериментальных данных. По-видимому, действует влияние ядерных оболочек, которое служит источником стабильности сверхтяжелых ядер.

Ученые ряда стран ведут поиск сверхтяжелых элементов с атомным весом 116, 124 и 126. По предположению, продолжительность жизни таких элементов составляет примерно миллиард лет, поэтому их можно считать стабильными. По словам П. Дирака, эти элементы, видимо, являются побочным продуктом распада более тяжелых атомов.

В лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований впервые в мире ускорены ионы кальция-48. В научной печати давно обсуждаются исключительные преимущества, которые могут дать для синтеза сверхтяжелых сверхурановых элементов ускоренные ионы кальция-48. Тяжелый изотоп кальция-48 содержится в природной смеси изотопов кальция в очень малых количествах - всего сотая доля процента. Выделение его - задача весьма сложная и дорогостоящая. Мировые запасы кальция-48 составляют всего несколько десятков граммов. Чрезвычайно сложным является также ускорение кальция-48 до скоростей, необходимых для осуществления ядерных реакций.

В результате длительной и напряженной работы коллектива физиков, химиков, рабочих, инженеров и техников Дубны трудности были преодолены. Создан новый мощный источник многозарядных ионов плазменного типа с рабочим веществом в твердом состоянии. Это позволило экономно ускорять ионы кальция-48, а также ионы ряда других химических элементов. Успех дубненских физиков открывает новые возможности для получения еще неизвестных трансурановых и сверхтяжелых элементов.

Используя мощный пучок ионов кальция-48, физики лаборатории ядерных реакций провели предварительные опыты, синтезировав известный трансурановый элемент с порядковым номером 102. Они использовали разработанный в лаборатории эффективный метод синтеза, позволяющий получать тяжелые и сверхтяжелые ядра в более устойчивых "холодных" состояниях. Опыты показали, что при облучении различных изотопов свинца ионами кальция-48 сто второй элемент образуется в десятки и сотни раз эффективнее, чем в любой другой ядерной реакции, применявшейся до сих пор. Ведется подготовка к синтезу и изучению свойств сверхтяжелых ядер в реакциях с ионами кальция-48.

Установки, на которых образуются новые элементы, находят широкое практическое применение. Так, пучки тяжелых ионов, с помощью которых синтезируют в Дубне трансурановые элементы, ныне уже используют как "микроиглы" для производства фильтров сверхточной очистки во многих отраслях народного хозяйства.

Образование изотопа сто второго элемента периодической системы Менделеева

В 1963 г. физики Е. Д. Донец, В. А. Щеголев и В. А. Ермаков из Объединенного института ядерных исследований открыли ранее неизвестное явление образования изотопа сто второго элемента с массовым числом 256. Измерен период полураспада изотопа, который, по уточненным в 1966 г. данным, равен 3,7±0,5 с.

Экспериментальные исследования, посвященные синтезу и изучению сто второго элемента, были проведены в лабораториях Института атомной энергии имени И. В. Курчатова в Москве и Института физики в Стокгольме и в Радиационной лаборатории имени Э. Лоуренса в Беркли (США). Однако в ходе этих исследований не была произведена однозначная идентификация изотопов сто второго элемента, и экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях, не согласовывались между собой.

Советским физикам - авторам открытия - удалось впервые синтезировать изотоп сто второго элемента и провести надежную идентификацию его с массовым числом 256. Явление образования изотопа сто второго элемента подтвердилось работами советских и иностранных ученых. На основании открытия были пересмотрены некоторые теоретические представления о стабильности элементов с атомным номером 102 и выше.

Названное открытие зарегистрировано под № 34 с приоритетом от 9 июля 1963г.

Следует заметить, что но данному открытию возник международный спор о приоритете. Сведения об открытии элемента 102 в Швеции, а затем в США, вошедшие в научную литературу и в учебники, оказались ошибочными. В связи с этим Г. Н. Флеров на Международной конференции по физике тяжелых ионов, проходившей в Дубне в октябре 1966 г., сделал следующее заявление: "Тщательные многократные эксперименты, ныне завершенные, доказали, что в действительности авторами открытия элемента 102 являются советские ученые, опубликовавшие свои работы в 1963 г.".

Г. Н. Флеров напомнил, что в 1956-1958 гг. работы по синтезу сто второго элемента проводились в Швеции, СССР и США. В каждой из этих стран был получен какой-то изотоп и даны сведения о его свойствах. Объединенная шведско-англо-американская группа, работавшая в Стокгольме, в Нобелевском институте, первой опубликовала сведения об открытии нового химического элемента и назвала его нобелием. Стокгольмское "открытие", сказал ученый, с самого начала вызвало удивление своей недоказанностью. Достаточно сказать, что не было определено массовое число нового элемента. Ученые Радиационной лаборатории имени Э. Лоуренса в Беркли (США), попытавшиеся повторить стокгольмские опыты в 1958 г., убедительно доказали их ошибочность. В то же время американские данные об открытии сто второго элемента не выдержали проверки.

Второй этап работ по установлению условий существования элемента 102 начался после соответствующей подготовки в 1961 г. в Дубне, располагающей самым мощным циклическим ускорителем тяжелых ионов с диаметром полюсов магнита 310 см. В 1963 г. здесь был получен тяжелый изотоп элемента 102 с массовым числом 256.

Наступление на сто вторую клетку таблицы Менделеева продолжалось широким фронтом. Опыты вели три группы ученых Объединенного института ядерных исследований, создавших каждая свою методику. Коллективность работы, возможность взаимной проверки, хорошие параметры ускорителя и исключительная точность аппаратуры - все это привело к успеху. В Дубне были открыты изотопы элемента 102 с массовыми числами от 251 до 256, с периодами полураспадоЪ от 0,8 с до 3 мин.

Г. Н. Флеров заявил, что ученые Дубны намерены воспользоваться своим правом присвоить элементу 102 новое название, поскольку прежнее основано на опытах, недостоверность которых доказана. Авторы открытия предложили назвать элемент 102 жолиотием (символ Л) в честь огромных заслуг перед человечеством выдающегося французского ученого-физика Фредерика Жолио-Кюри.

Сто третий элемент

В 1965 г. коллектив ученых Объединенного института ядерных исследований, куда вошли академик Г. Н. Флеров, доктор физико-математических наук С. М. Полика-нов, кандидаты физико-математических наук Е. Д. Донец, В. А. Друин, Ю. В. Лобанов, В. Л. Михеев и В. А. Щеголев и сотрудники института А. Г. Демин и Ю. С. Короткий, открыл явление образования химического элемента с атомным номером 103.

Элемент 103 был идентифицирован по альфа-распаду его изотопа с массовым числом 256, синтез элемента был осуществлен при бомбардировке мишени из америция ионами кислорода. В первых опытах по обнаружению сто третьего элемента, проведенных в 1965 г., его идентификация была проведена по продукту его распада - фермию. В этих опытах был измерен период полураспада наблюдавшегося изотопа 103²⁵⁶, равный 35 с. В последующих опытах, проведенных в 1967 г., изучалось непосредственно альфа-излучение этого изотопа. Было обнаружено, что оно имеет сложный спектр в диапазоне 8,35=8,6 МэВ с основной альфа-линией 8,42 МэВ. Эти исследования однозначно доказали явление синтеза нового элемента с атомным номером 103.

Попытка синтеза элемента 103 проводилась и в США в Беркли в 1959-1961 гг. В 1961 г. американские ученые опубликовали работу, в которой сообщались результаты облучения калифорния ионами бора. Исследователи наблюдали альфа-активность с Е=8,6 МэВ и Т=8 с, приписанную ими изотопу 103²⁵⁷. Однако однозначных доказательств факта синтеза нового элемента не приводилось. Последующие работы советских авторов убедительно показали, что американские исследователи не могли претендовать на приоритет открытия элемента 103 и данное ему ими название лоуренсий недействительно. Работы по изотопу 103²⁵⁶, выполненные в Дубне, полностью подтвердились более поздними работами, выполненными в США в 1971 г., т. е. через шесть лет после установленного, приоритета советских физиков.

Химические исследования, проводимые с изотопом 103²⁵⁶, показали, что элемент 103 является замыкающим в актинидной группе периодической системы элементов. Это исключительно важный вывод, свидетельствующий о правильности понимания структуры периодической системы.

Открытие советских ученых зарегистрировано под № 132 с приоритетом от 20 апреля 1965 г. и 10 августа 1967 г. Формула открытия следующая:

"Экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление образования элемента с атомным номером 103, впервые полученный изотоп которого синтезирован при облучении америция-243 (Am²⁴³) ионами кислорода-18 (О¹⁸). Имеет массовое число 256, период полураспада 35 с и сложный спектр энергий альфа-частиц в интервале 8,3-8,6 мегаэлектрон-вольт".

Сто четвертый элемент

Коллектив ученых Объединенного института ядерных исследований в Дубне, в который вошли академик Г. Н. Флеров, кандидаты физико-математических наук В. А. Друин, Ю. В. Лобанов и Ю. Ц. Оганесян, кандидат технических наук В. И. Кузнецов и научные сотрудники В. П. Перелыгин, К. А. Гаврилов, С. П. Третьякова и В. М. Плотко, открыл ранее неизвестное явление образования сто четвертого элемента периодической системы с массовым числом 260. Новый элемент назван курчатовием (символ Кu) в честь выдающегося советского ученого-физика И. В. Курчатова.

В статье "Синтез и поиск трансурановых элементов", опубликованной в журнале "Природа" № 9 за 1972 г., академик Г. Н. Флеров рассказывает: "Исследования по синтезу элемента 104 в США были начаты лишь спустя четыре года после получения первых дубненских результатов... Новые эксперименты, проведенные в Дубне в 1969 г., позволили выяснить ряд дополнительных свойств сто четвертого элемента, выделить в наблюдаемом, спонтанном делении два периода полураспада - 0,1 и 3,5 с и даже оценить количественно химические свойства курчатовия, а именно температуру кипения КuСl₄, которая равна 450±50°. Таким образом, в Дубне изучаются детально свойства сто четвертого элемента, в то время как в США еще не пройдена начальная фаза по изучению спонтанного деления. Поэтому нам представляется излишней полемика вокруг элемента 104. В связи с этим мы обратились к американским коллегам с предложением приехать в Дубну и на всех возможных комбинациях мишеней и частиц вместе с нами получать все изотопы сто четвертого элемента, детектируя их спонтанное деление и альфа-распад. Мы видим в этом одну из возможностей быстрейшего окончания дискуссии".

В последние годы в лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований проведены дополнительные контрольные эксперименты по синтезу изотопа 104²⁶⁰ с применением новых детекторов, практически не содержащих примесей делящихся веществ. Эксперименты подтвердили основные данные, характеризующие явление образования сто четвертого элемента.

В настоящее время в институте завершены эксперименты по химической идентификации сто четвертого элемента, которые однозначно подтвердили явление образования этого элемента физическими методами.

Открытие зарегистрировано под № 37 с приоритетом от 9 июля 1964 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально обнаружено явление образования элемента с атомным номером 104 пра облучении мишени плутония (Рu²⁴²) ускоренными ионами неона (Ne²²).

Сто пятый элемент

Явление образования сто пятого элемента периодической системы Менделеева открыто физиками Дубны академиком Г. Н. Флеровым, доктором физико-математических наук Ю. Ц. Оганесяном, кандидатами физико-математических наук Ю. В. Лобановым и В. А. Друиным, доктором химических наук Иво Звара (ЧССР) и сотрудниками Объединенного института ядерных исследований В. 3. Беловым, А. Г. Деминым, Ю. А. Лазаревым и Ю. П. Харитоновым.

Сто пятый элемент был получен искусственным путем в результате ядерных превращений. Синтез нового элемента осуществлен в ядерной реакции при облучении мишени из америция (атомный номер 95) ионами неона (атомный номер 10), ускоренными на мощном циклотроне тяжелых ионов. Образование нового элемента - чрезвычайно редкий процесс. Для его обнаружения была создана высокочувствительная аппаратура, позволяющая вести эксперименты непрерывно в течение многих недель.

В ноябре 1969 г. ученым удалось получить первые атомы элемента 105, а к апрелю 1970 г. были изучены его химические и радиоактивные свойства. Было установлено, что сто пятый элемент распадается с периодом полураспада около 2 с двояким способом - либо делится на два осколка, либо испускает альфа-частицу (ядро гелия) и переходит в элемент 103. Химические свойства сто пятого элемента, как и предсказано периодическим законом Менделеева, подобны свойствам тантала (атомный номер 73).

Несколько позже сто пятый элемент был синтезирован в Радиационной лаборатории имени Э. Лоуренса в США в ядерной реакции при облучении мишеней из калифорния (атомный номер 98) ионами азота (атомный номер 7). Результаты американских ученых полностью подтвердили данные, полученные в Дубне.

Авторы открытия предложили назвать новый элемент нильсборием в честь выдающегося физика Нильса Бора, ученого, неизменно стремившегося поставить науку на службу миру и прогрессу.

Глубокие исследования, связанные с открытием явления образования сто пятого элемента, - результат плодотворной работы интернационального коллектива ученых стран социалистического содружества.

Открытие сто пятого элемента зарегистрировано под № 114 с приоритетом от 18 февраля 1970 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено ранее неизвестное явление образования химического элемента с порядковым номером 105. Изотоп этого элемента с периодом полураспада около 2 с получен при облучении америция ядрами неона".

Образование радиоактивного изотопа элемента с атомным номером 106

Академик Г. Н. Флеров, доктор физико-математических наук Ю. Ц. Оганесян, старший инженер Ю. П. Третьяков, научный сотрудник А. Г. Демин, кандидаты физико-математических наук А. С. йльинов, А. А. Плеве, С. П. Третьякова, Ю. Э. Пенионжкевич, инженеры В. М. Плотко, М. П. Иванов, Н. А. Данилов и Ю. С. Короткин (Объединенный институт ядерных исследований) открыли новое явление образования радиоактивного изотопа элемента с атомным номером 106.

"В 1973 г., - рассказывает Ю. Ц. Оганесян, - мы обратили внимание на новую возможность получения в ядерной реакции слабо возбужденных - почти "холодных" - ядер, которые с большой вероятностью переходят в основное состояние.

В отличие от традиционного метода синтеза трансурановых элементов, когда в качестве мишени предпочтительно использовать наиболее тяжелые ядра - изотопы плутония, кюрия, калифорния (они сами являются искусственными элементами) и наиболее легкие "снаряды" - ионы углерода, азота, - кислорода, в нашем случае мишенью был выбран свинец, который бомбардировался ионами тяжелее аргона. При бомбардировке изотопов свинца ионами хрома-54 и марганца-55 были синтезированы сто шестой и сто седьмой элементы таблицы Менделеева".

Открытие зарегистрировано под № 194 с приоритетом от 11 июля 1974 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление образования радиоактивного изотопа элемента с атомным номером 106, заключающееся в том, что при облучении изотопов свинца ускоренными ионами хрома происходит слияние ядер свинца и ядер хрома с образованием изотопа элемента с атомным номером 106 и периодом полураспада около 0,01 с".

Экспериментальные данные, полученные в Дубне в процессе исследований сто второго - сто седьмого элементов, позволили провести более реальные оценки ожидаемых радиоактивных и химических свойств последующих элементов и подготовили базу для разработки методов их получения.

Рассказывая о перспективах дальнейших исследований по синтезу новых элементов, академик Г. Н. Флеров сообщил: "Открытые в Дубне элементы были получены одинаковым путем - при полном слиянии бомбардирующего иона с ядром мишени в реакциях с испарением из составного ядра только нейтронов. Дальнейшее развитие физики ядерных реакций между сложными ядрами связано с использованием в этих реакциях быстрых ионов таких тяжелых элементов, как криптон, ксенон и уран, взамен используемых сейчас ионов неона и аргона. При-нем если при обычном синтезе элементов физикам сильно мешают возникающие в процессе деления "осколки", образующиеся с интенсивностью, в сотни миллионов раз большей, чем сами ядра, то синтез новым способом как раз и предполагает получать новые атомы в качестве "осколков". Для этого в лаборатории в 1971 г. специально соединены в тандель-систему два циклотрона: У-300 и У-200. Цель соединения двух ускорителей - получение высокоэиергичных ионов ксенона и экспериментальная проверка путей, которые могут привести к синтезу сверхтяжелых химических элементов в предполагаемой области стабильности вблизи порядкового номера, равного 114. Получение сверхтяжелых элементов, возможно, позволит использовать их в будущем как эффективные и компактные источники энергии".

Физики предсказывают, что элементы с порядковыми номерами 110-126 могут оказаться очень долгоживущими. Не исключено, что некоторые из них настолько стабильны, что существуют в природе, хотя и в малых количествах.

Французский ученый профессор Ж- Тейяк (Центр ядерных исследований в Сакле) отметил важность исследований трансурановых элементов. "Очень интересны, - сказал он, - работы по поиску сверхтяжелых ядер - трансурановых элементов (работы, которые успешно проводит в СССР группа Г. Н. Флерова). Это тот путь, на котором будут открыты более сложные системы, чем ядро".

"Атом - не солдат, атом - рабочий" - эти слова, четко выписанные на торце одного из зданий, встречают каждого въезжающего в Дубну. Они определяют смысл и цели всех работ, которые ведутся в расположенном здесь Объединенном институте ядерных исследований-первом Международном физическом центре социалистических стран Европы и Азии.