Элементы жизни

Наталия Теряева

Никто из нас не пытается разглядеть в себе элементарные частицы, из которых состоим мы все и всё, что окружает нас. Да это и невозможно. Но совершенно определенно, эти элементарные частицы управляют нами и всем, что нас окружает. Почему и как они это делают, рассказывает эта книга.

Глава 3. Конкуренция за элементы

Отчего для нас он — курчатовий, а для них — резерфордий

В 70-е годы прошлого века все советские школьники в кабинетах химии видели в таблице Менделеева под номером 104 химический элемент с названием «курчатовий» (Ku). До сих пор многие из них, став взрослыми людьми, не понимают, куда делся этот родной нам элемент и почему на его месте теперь во всех периодических таблицах мира расположился заморский резерфордий.

История исчезновения курчатовия и замещения его резерфордием связана с интереснейшей и во многом загадочной областью физики — синтезом тяжелых ядер. Именно синтез ядер замешан в истории с химическим элементом номер 104.

Ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон почти одинаково тяжелые — масса нейтрона больше массы протона всего на 0,1378%. Самое легкое ядро у водорода (¹Н) — оно содержит всего один протон. Чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем оно тяжелее. С нарастанием массы ядра растет и порядковый номер химического элемента в периодической системе (порядковый номер химического элемента равен числу протонов в его ядре). Следовательно, самые тяжелые ядра сконцентрированы в самом низу периодической таблицы химических элементов.

Тяжелое, а значит, крупное по размеру ядро может распасться на несколько мелких. Такой процесс называется реакцией распада. Если происходит наоборот — несколько более мелких ядер объединяются в одно более крупное, — это событие называется реакцией синтеза. Естественные реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко. В процессе синтеза ядер гелия (²Не) из ядер водорода насыщаются выделяемой при синтезе энергией видимые нам звезды. Первую искусственную реакцию термоядерного синтеза человек использовал для создания водородной бомбы, но не сумел пока найти способ направить термоядерный синтез в мирное русло и научиться получать с его помощью энергию для жизни.

Единственный мирный вариант искусственного синтеза новых ядер в мирных целях доступен физикам, работающим на ускорителях тяжелых ионов. В таких экспериментах обычно получают считанные количества новых ядер — до нескольких десятков. И нужно проявить большое искусство и сообразительность, чтобы с помощью приборов достоверно узнать, что за ядра получились при синтезе. Причем важно не только узнать ядра «в лицо», но и убедительно доказать, что «лицо» опознано верно. К тому же распознать продукт синтеза нужно необычайно быстро, поскольку он почти всегда не жилец — тут же начинает делиться, испуская нейтроны, электроны или альфа-частицы и распадаясь на другие элементы — долгоживущие.

В Советском Союзе исследования ядер тяжелых ионов инициировал Игорь Васильевич Курчатов в Институте атомной энергии, в Москве. Ими занялась группа физиков под руководством Георгия Николаевича Флерова.

В 50-е годы XX века физики стали ускорять тяжелые ионы (ядра углерода, азота и кислорода) на циклотроне диаметром в полтора метра, сталкивать их с неподвижными мишенями и исследовать происходящие при этом ядерные реакции. Это были первые попытки синтеза трансурановых элементов — химическим элементов, которые тяжелее урана.

Впоследствии синтез сверхтяжелых химических элементов продолжился в международном ядерно-физическом центре в Дубне — в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В составе ОИЯИ специально для изучения сверхтяжелых элементов учредили целый научный институт под названием Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР ОИЯИ). Естественно, ее директором стал академик Георгий Николаевич Флеров.

В 1959 году там создали самый мощный на тот момент в мире 310-сантиметровый циклотрон тяжелых ионов. А ныне в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований функционируют три уникальных ускорителя тяжелых ионов У-400, У-400М и DC-280, последний из которых запущен в 2018 году на единственной в мире Фабрике сверхтяжелых элементов.

Фабрика сверхтяжелых элементов построена в ЛЯР ОИЯИ специально для синтеза сверхтяжелых элементов на основе новых технологий высокопоточного ускорительного комплекса DC-280. Всего за один месяц работы этого комплекса физики получают столько ядер сверхтяжелых элементов, сколько на других ускорителях они получали за год.

Так вот, в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций, в 1964 году и родился на свет химический элемент курчатовий. Для синтеза сто четвертого элемента выбрали реакцию слияния ядер плутония (²⁴²Рu) и неона (²²Ne). Масса самого тяжелого изотопа 104-го элемента могла бы быть не больше 264 (242+22).

Ядра изотопа 104-го элемента с массовым числом 260 группа Флерова в Дубне получила при бомбардировке мишени из плутония пучком ускоренных ядер неона. Почему решили получить именно этот изотоп? Чтобы не обознаться, разыскивая среди осколков, вылетающих из обстреливаемой мишени, ядра нового — 104-го элемента.

«Каждый новый элемент дается с большим трудом, чем предыдущие. Причины кроются в малых временах жизни тех изотопов, которые позволяют получать современные методы синтеза, и особенно в малых выходах этих элементов, обусловленных малыми сечениями реакций, малым количеством вещества мишени и ограниченными возможностями экспрессных методов выделения и идентификации короткоживущих изотопов». Эти слова принадлежат академику Г. Н. Флерову и его соавторам В. А. Друину и А. А. Плеве.

Время жизни новых сверхтяжелых элементов не сравнимо не только с вечностью, но даже с длиной человеческой жизни. В 1964 году американские ученые предсказали элементу №104, который они тоже готовились синтезировать, жизнь длиной в сотые доли секунды. Первые опыты показали, что живет он в десять раз дольше — десятые доли секунды. Но и за это время «узнать в лицо» новый сверхтяжелый химический элемент, доказать, что это именно он, и изучить его химические свойства чрезвычайно трудно — нужно либо стать волшебниками, либо проявить чудеса инженерной и научной мысли. Что и сделали в Лаборатории ядерных реакций сотрудники группы Флерова.

Почему трудно «узнать в лицо» новый химический элемент? Во-первых, потому что его никто никогда не видел. Во-вторых, потому что узнают его не глазами, а приборами. В-третьих, потому что узнавать его нужно, выделяя из толпы других ядер, которые образовались в реакции синтеза.

В процессе синтеза химических элементов №102, 103, 104 и 105 ученым удалось эти трудности обойти.

Как узнавали в лицо элемент 104

В ядре 104-го элемента — число протонов и число нейтронов четные. Вероятность спонтанного деления ядер с четным количеством и протонов, и нейтронов очень велика. Зато почти все изотопы, которые могут образоваться во время синтеза, подвержены не спонтанному делению, а альфа-распаду. Поэтому присутствие в толпе ядер продуктов спонтанного деления атомов 104-го элемента и есть доказательство синтеза именно 104-го элемента [7].

Нужен детектор, который реагирует на осколки спонтанного деления и не замечает остальные частицы. Такой детектор сделали из стекла и слюды. Легкие частицы и тяжелые частицы с малой энергией на их поверхности не оставляли следов. А вот продукты спонтанного деления прорезали на стекле и слюде целые каналы.

Каналы травили кислотой и изучали под микроскопом, определяя энергию пробуривших их частиц. Искали оптимальную энергию ускоренных частиц, которыми били по неподвижной мишени. Оптимальная — та, которая дает максимальный выход ядер элемента №104 в эксперименте синтеза.

Больше всего ядер 104-го производила бомбардировка мишени из плутония ядрами неона-22 с энергией около 115 МэВ. За 6 часов облучения получался один эпизод спонтанного деления.

Летом 1964 года состоялся заключительный эксперимент длительностью около 1000 часов. Добыто 150 ядер элемента №104.

Однако самое сложное было впереди. Нужно было доказать, что эти 150 ядер действительно принадлежат новому элементу №104, а не какому-то другому, уже известному. А метода идентификации химического элемента за десятые доли секунды тогда еще никто не придумал.

Вернее, такой метод уже был создан в Дубне. Над ним начали работать в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований еще в 1960 году — за четыре года до начала синтеза «номера сто четыре».

Ключом к новому методу ультраэкспресс химической идентификации стала идея о том, что 104-й элемент должен быть аналогом гафния и поэтому обладать аналогичными гафнию химическими свойствами.

Эта идея была основана на актиноидной теории американского химика и физика Гленна Сиборга. Он утверждал, что элемент №103 — последний актиноид.

Поскольку все актиноиды находятся в третьей группе, элемент №104, не будучи актиноидом, должен был попасть в следующую — четвертую группу таблицы Менделеева — и стать в горизонтали сразу за актинием, как гафний за лантаном — «вождем» лантаноидов.

Значит, получив новый элемент, надо было проверить, ведет ли он себя, как гафний. Если да, то это и есть «номер сто четыре».

В 1960 г., когда физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ готовились к синтезу 104-го под руководством Флерова, сам Флеров и поручил молодому чехословацкому химику Иво Зваре разработать ультраэкспрессный метод химической идентификации ожидаемого элемента.

Метод был основан на том, что хлориды элементов III и IV групп имеют разные свойства. Хлориды элементов III группы, в том числе лантаноидов, остаются твердыми при нагревании до температуры около 250° C. А хлориды гафния (элемента IV группы) и его аналогов при такой температуре переходят в газообразное состояние. Получается, при 250° C разделить хлориды элементов III и IV групп технически возможно. Оставалось изобрести подходящую конструкцию, чтобы сразу после разделения смеси отвести хлорид гафния к месту анализа. Тогда идентификацию элемента, хлорид которого поступал на анализ, можно было бы провести за доли секунды.

На разработку ультраэкспрессного метода газовой хроматографии и создание прибора для этого технологического процесса ушло три года. Химикам удалось всего за четыре десятые доли секунды «схватить» прямо у мишени атомы гафния, образовавшиеся в результате ее бомбардировки, увлечь их высокоскоростным газовым потоком, прямо в потоке превратить гафний в хлорид гафния и довести летучий хлорид до детектора, который «опознает» в хлориде именно гафний.

Четырех десятых долей секунды должно было хватить, чтобы опознать изотоп 104-го элемента ²⁶⁰104. Этот изотоп имеет период полураспада как раз порядка нескольких десятых долей секунды — то есть за несколько десятых долей секунды количество ядер 104-го элемента уменьшается вдвое.

К началу 1965 г. физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ научились получать ядра 104-го элемента в количестве нескольких десятков — этого количества вполне хватало для ультраэкспрессного метода Иво Звары. Физики рассуждали так: если 104-й элемент аналогичен по своим химическим свойствам гафнию, то тетрахлорид 104-го элемента должен быть тоже летучим и должен успеть за время жизни ядра 104-го долететь по газовому тракту до детектора, который его распознает и зафиксирует его осколки. А если 104-й не похож на гафний, то детектор не зарегистрирует ничего.

Химики Лаборатории ядерных реакций в четырнадцати экспериментах на циклотроне зарегистрировали всего четыре осколка спонтанного деления ядер 104-го — в двадцать раз меньше, чем ожидали. Увеличили температуру хлорида до 350° C, и в новой серии экспериментов зарегистрировали еще восемь атомов элемента №104. Последний эксперимент был завершен 26 марта 1966 года.

Вот так химики Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований подтвердили, что их коллеги-физики открыли в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ именно 104-й элемент таблицы Менделеева. Одновременно химики получили другой важный результат: элемент №104 является аналогом гафния и входит в IV группу таблицы химических элементов Менделеева.

Создатели элемента №104 предложили назвать его курчатовием — в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова. Ученый совет Объединенного института ядерных исследований единогласно поддержал это предложение. И в таблице Менделеева на стенах школьных кабинетов химии на протяжении тридцати лет под номером 104 значился химический элемент курчатовий — Ku.

Советские школьники даже не догадывались, что приоритет открытия 104-го элемента в Дубне, в ОИЯИ, был оспорен американскими учеными.

Американцы поставили под сомнение факт получения в Дубне изотопа ²⁶⁰104 на том основании, что по их теоретическим расчетам его период полураспада должен составлять микросекунды, а в Дубне этот изотоп жил целых 0,1 секунды, то есть в сто раз дольше.

На конференции по трансурановым элементам в Хьюстоне в 1969 году американский физик и химик Альберт Гиорсо объявил: «На прошлой неделе мы облучили мишень из кюрия ионами кислорода… в надежде найти спонтанно делящуюся активность, которая могла бы быть обусловлена распадом ²⁶⁰104, если бы он имел период полураспада более короткий, чем 0,1 секунды (100 мс). Мы зарегистрировали активность с периодом полураспада между 10 и 30 мс, но мы еще не идентифицировали ее. Конечно, она могла быть обусловлена ²⁶⁰104, хотя кажется, что такой период полураспада слишком длинный. Нам кажется более вероятным, что период полураспада ²⁶⁰104 находится в микросекундиой области».

За этим устным выступлением никаких научных сообщений об исследовании изотопа ²⁶⁰104 от группы Гиорсо не последовало. Нигде больше не упоминалось и о наблюдавшейся 30-миллисекундной активности полученного группой Гиорсо изотопа²⁶⁰104. Однако в устных сообщениях и в обзорных статьях Сиборг и Гиорсо подвергали сомнению правильность результатов ученых из ОИЯИ и назвали элемент №104 по-своему — резерфордием.

Поэтому в Дубне провели новые эксперименты, где был еще раз химически идентифицирован элемент №104. О них сообщил научный журнал «Радиохимия» в своем первом выпуске 1972 года. В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ получили и исследовали изотопом ²⁵⁹Ku, который живет не доли секунды, а целые секунды.

Для новых экспериментов создали новую методику химической идентификации элемента. Она позволяла отфильтровывать и атомы более легких, чем курчатовий, трансурановых элементов, и его короткоживущий изотоп ²⁶⁰Ku.

Новые эксперименты в Дубне еще раз подтвердили аналогию химических свойств курчатовия и гафния. Их результаты не оставили сомнений в том, что именно в Дубне, а не в Беркли был впервые синтезирован элемент №104.

Несмотря на эти убедительные доказательства, после распада СССР, в 1997 году, съезд Международного союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК — IUPAC) окончательно присвоил элементу №104 название «резерфордий».