Как были открыты химические элементы

И все же элемент № 101 оказался последним, который удалось синтезировать классическим методом, применяя в качестве бомбардирующего агента легкую ?-частицу. К 1955 г. Г. Сиборгу и его коллегам удалось накопить количество эйнштейния, измеряемое миллиардом атомов. Со всей тщательностью столь мизерное количество нанесли на подложку из золотой фольги, где цена золота по сравнению с ценой эйнштейния была смехотворно низкой. Мишень обстреляли ?-частицами. Ученые полагали, что произойдет ядерная реакция:

. Образующиеся атомы элемента № 101 благодаря отдаче вылетали из эйнштейниевого слоя и застревали в золотой фольге. После опыта фольгу растворяли и полученный раствор подвергали разделению на хроматографической колонке. Самый ответственный момент — уловить, когда порция раствора, содержащая элемент № 101, выходит из колонки и зарегистрировать случаи спонтанного деления.

Всего пять (!) актов деления удалось зарегистрировать в первом эксперименте. Но и этого хватило, чтобы опознать изотоп элемента № 101. Потом выяснилось, что период его полураспада составляет 3 ч, а массовое число равно 256. Подобная долгоживучесть оказалась неожиданной, и эта неожиданность способствовала успешному синтезу нового элемента. Его назвали менделевием (символ Md), в честь признания заслуг великого русского химика Д. И. Менделеева, который первым использовал для предсказания свойств неоткрытых химических элементов периодическую систему. Так писали авторы открытия менделевия.

Позже, когда символ Md определился в 101-й клетке таблицы, они красочно описали, как все это происходило. Атмосфера уныния царила в лаборатории, рассказывали Г. Сиборг и его коллеги. При попытке синтезировать и идентифицировать элемент № 101 было выполнено несколько тщательных опытов. Увы, они оказались неудачными. Наконец, был поставлен последний, решающий опыт, когда можно было рассчитывать на удачу. В лучшем случае предполагалось получить один или два атома, упорно ускользавшего из рук элемента № 101. Затаив дыхание, ученые ожидали показаний прибора, который регистрировал спонтанное деление. Прошел час. Ночь была уже на исходе. Ожидание казалось бесконечным.

И вдруг, вспоминали авторы открытия, перо самописца стремительно двинулось на середину шкалы и вернулось обратно, прочертив тонкую красную линию. Такой скачок ионизации никогда не наблюдался ранее при исследовании радиоактивных материалов. Вероятно, этот скачок был сигналом ожидавшегося деления. Примерно через час удалось зарегистрировать второй скачок. Теперь появилась уверенность, что произошел распад двух атомов элемента № 101, и его можно вписать в существующий список химических элементов.

Любопытно, что регистрирующий деление прибор был присоединен к пожарному звонку. И элемент № 101 каждый раз объявлял о своем рождении оглушительным трезвоном.

Спустя 12 лет оказалось, что менделевий имеет еще более долгоживущий изотоп ²⁵⁸Md с T _1/2 =2 месяца. Именно он позволил ученым детально изучить химические свойства элемента № 101. С открытием менделевия возникла новая область радиохимического исследования — химия единичных атомов со своими специфическими методами. Она оказалась незаменимой помощницей при изучении химической природы последующих трансурановых элементов. Синтез менделевия и стал переломным событием в истории открытия элементов тяжелее урана. Все прежние способы синтеза утратили свое значение, ибо нельзя накоплять менделевий в количествах, достаточных для приготовления мишени. За сто первым элементом открывалась теоретическому взору неизведанная страна, населенная призраками. Уже не было сомнений в том, что следующие трансураны могут существовать лишь секунды и доли секунды.

Даже если и удастся их получить, то изучение их свойств представлялось чрезвычайно трудным делом. Или вообще невозможным.

Но как получить? Какие ядерные реакции пригодны? К счастью, к концу 50-х годов на этот вопрос уже существовал определенный ответ: нужно использовать в качестве бомбардирующих агентов многозарядные ионы легких элементов периодической системы (углерода, кислорода, неона, аргона). Тогда можно изготовлять мишени из обычных трансурановых элементов: плутония, америция, кюрия, т. е. проблема мишени отпадала. Конечно, лучше бы иметь «голые» бомбардирующие ядра (подобно ?-частице — ядру атома гелия), но ободрать всю электронную «кожуру» с атомов едва ли возможно. Эти многозарядные ионы предварительно необходимо разогнать до больших скоростей, чтобы их энергия оказалась достаточной для вступления в ядерные реакции. Поэтому нужны новые мощные ускорители. Когда они были созданы, наступил новый взлет в истории открытия трансурановых элементов. Оговоримся, однако, что слово «открытие» здесь имеет несколько иной смысл, чем во всех предшествующих случаях знакомства с новыми элементами.

ЭЛЕМЕНТ № 102

Да, именно элемент № 102 без какого бы то ни было названия. В большинстве современных таблиц элементов в 102-й клетке часто стоит прочерк, хотя сам-то элемент давно считается открытым и хорошо изученным.

Иногда (особенно в зарубежной литературе) можно встретить название «нобелий» и символ No, но они лишь свидетельство ошибки эксперимента, имевшей место в 1957 г. Тогда интернациональная группа ученых, работавших в Нобелевском физическом институте в Стокгольме, впервые применила многозарядные ионы для синтеза нового трансурана. Мишень из кюрия-244 была обстреляна ионами углерода-13. В продуктах реакции якобы были зарегистрированы изотопы ²⁵³102 и ²⁵¹102 с T _1/2 ~10 мин. Удачный пример менделевия побудил авторов применить ионообменную хроматографию, и это как будто бы то же свидетельствовало о синтезе элемента № 102.

Все заявления оказались ошибочными — опыты никем не были подтверждены. И некоторое время на страницах популярных журналов странствовала шутка: от нобелия осталось одно No (по-английски — нет).

Осенью 1957 г. за дело синтеза новых трансурановых элементов взялись советские ученые во главе с Г. Н. Флеровым. Сейчас лаборатория ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне лидирует в области синтеза элементов тяжелее урана. Г. Н. Флеров и его сотрудники обстреляли плутониевую мишень ионами кислорода:

. Но в итоге было получено совсем не то, что объявлялось годом раньше в Стокгольме. Тем временем и в Беркли, где эксперименты возглавлял теперь ученик Г. Сиборга — А. Гиорсо, проводилась атака на элемент № 102. Здесь были получены свои результаты, они опровергали результаты Нобелевского института, но и не совпадали с данными советских физиков.

^{Г. Н. Флеров}

Так постепенно от нобелия осталось одно No. И действительно, дата открытия этого элемента трудносвязуема с каким-либо определенным временем. Группа Г. Н. Флерова предприняла наступление на элемент № 102 в 1963–1966 гг. Удалось синтезировать несколько его изотопов, оценить величины их массовых чисел и периодов полураспада. И это было подлинным знакомством с новым трансурановым элементом, для которого дубненские исследователи на правах действительных первооткрывателей предложили название «жолиотий» (в честь Ф. Жолио-Кюри). Однако американцы это название не приняли, хотя и подтвердили результаты, полученные в работах Г. Н. Флерова и сотрудников.

Перипетии, связанные со 102-м элементом, положили начало приоритетным спорам, которые особенно обострились, когда дело дошло до синтеза следующих трансуранов. Ныне сто второй элемент представлен девятью изотопами, самый долгоживущий ²⁵⁹102 имеет T _1/2 около 1 ч.

ЭЛЕМЕНТ № 103

Как и в предыдущем случае, мы пока не приводим названия очередного трансуранового элемента. И та дата его рождения, которая приводится в хронологической таблице открытий химических элементов (см. с. 214 ), отнюдь не является надежным свидетельством.

В начале 1961 г. охоту за новым трансураном начал А. Гиорсо со своими коллегами. Мишень из калифорния бомбардировалась ионами бора. Как будто бы получился ²⁵⁷103 с T _1/2 =8 с. Конечно, не замедлило появиться и название «лоуренсий» (символ Lw), в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса. Этот символ часто помещают в 103-ю клетку периодической системы.

Тот же изотоп ²⁵⁷103 был получен в Дубне, и свойства его оказались совсем другими, чем заявляли физики из Беркли. Поэтому они вынуждены были изменить свою точку зрения и считать, что весной 1961 г. в действительности им удалось синтезировать не ²⁵⁷103, а какой-то другой изотоп, например ²⁵⁸103 или ²⁵⁹103.