Как были открыты химические элементы

Ясность наступила в 1965 г., когда дубненские физики по ядерной реакции ²⁴³Am(¹⁸О, 5n)²⁵⁶103 осуществили синтез изотопа с массовым числом 256 и определили его характеристики. Они совпали с теми, которые тремя годами позже получила берклиевская группа, согласно ядерной реакции ²⁴⁹Cf(¹¹В, 4n)²⁵⁶103. Вот почему правомерно ставить под сомнение дату 1961 г. Но дискуссия о приоритете синтеза элемента № 103 пока ничем определенным не завершилась. В случае элемента № 103, так же как и его предшественника, ученые имели дело со считанными атомами. Сначала были определены массовые числа и радиоактивные характеристики изотопов. Оценивать же их химическую природу ученые научились не сразу.

КУРЧАТОВИЙ

Открытие этого элемента, пожалуй, самое выдающееся достижение советских исследователей, работающих в области ядерного синтеза. Он получил свое название в честь выдающегося советского физика И. В. Курчатова — организатора атомной промышленности в нашей стране.

Еще в 1967 г. в дубненской лаборатории ядерных реакций был предпринят первый штурм элемента № 104. На мишень из плутония-242 обрушился поток ускоренных ионов неона-22:

²⁴⁴Pu(²²Ne, 4n)²⁶⁰104

Так должна была протекать ядерная реакция. Но в итоге удалось лишь наблюдать спонтанное деление с исключительно малым периодом полураспада (четырнадцать миллисекунд). Вскоре выяснилось, что элемент № 104 здесь ни при чем. Это делился давно известный ²⁴²Am, хотя деление его протекало аномально стремительно; на этом примере ученые открыли новое физическое явление.

Основная трудность состояла в следующем: каким способом регистрировать единичные процессы образования ядер курчатовия? Ученые решили проводить регистрацию по осколкам их спонтанного деления, ибо этот вид радиоактивных превращений у элемента № 104 должен быть преобладающим. Для регистрации осколков деления применили специальный сорт стекла, который, по удивительному стечению обстоятельств, обозначался в каталогах как уран-104. Осколки оставляли на стеклянных пластинках чуть заметные следы (лунки). После специальной химической обработки стекла лунки рассматривали под микроскопом. Следы других радиоактивных излучений в этих условиях не просматривались.

В 1964 г. опыты по синтезу элемента № 104 были возобновлены. Сорок часов осуществлялась бомбардировка ядрами неона плутониевой мишени. Специальная лента переносила синтезированные ядра к стеклянным пластинкам. После выключения циклотрона стеклянные пластинки обрабатывались в лаборатории. Спустя несколько часов под микроскопом было обнаружено шесть треков и по их положению на пластинках вычисляли период полураспада. Он оказался в интервале времени от 0,1 до 0,5 с, т. е. в среднем 0,3 с. Лишь спустя несколько лет удалось получить более долгоживущие (хотя вряд ли уместно здесь это слово) изотопы курчатовия, из которых «самым-самым» оказался ²⁶¹104 (T _1/2 =1 мин).

Но в Дубне химические свойства курчатовия изучались на его изотопе с массовым числом 260 и периодом полураспада 0,3 с. Кажется невероятным, как за столь ничтожное время можно получить хотя бы какие-нибудь сведения о природе нового элемента. Однако это так.

Схема исследования химических свойств элемента № 104 заключалась в следующем. Атомы отдачи после выхода из мишени попадали в струю азота, тормозились в ней, а затем подвергались действию хлора. Соединения элемента № 104 с хлором легко проникали через специальный фильтр, тогда как хлориды актиноидов через фильтр не проходили. Если бы 104-й принадлежал к актиноидам, то и он бы поглотился фильтром. Однако исследования показали, что элемент № 104 является химическим аналогом гафния.

Вот в чем и состояла суть метода изучения химических свойств единичных атомов. С его помощью была установлена химическая природа элементов № 102 и № 103. Только здесь пришлось доказывать их принадлежность к актиноидам. Метод получил название «фронтальная термохроматография летучих металлических хлоридов на пучке циклотрона». Его разработка проводилась под руководством сотрудника Г. Н. Флерова, чехословацкого ученого И. Звары.

Элемент № 104 тоже является предметом дискуссии. Американские физики выдвигают свои претензии на приоритет открытия, хотя их обоснованность оставляет желать лучшего.

НИЛЬСБОРИЙ

Об элементе 105 пока можно сказать сравнительно немного. Родина его — Дубна, время рождения — февраль 1970 г., реакция синтеза ²⁴³Am(²²Ne, 4n)²⁶¹Ns. Период полураспада по спонтанному делению около 2 с. Название дано в честь великого датского физика Нильса Бора. Химическая природа определялась так же, как и для Ku. Нильсборий оказался аналогом тантала.

А в чем заключаются претензии американских физиков? Время — апрель 1970 г. Ядерная реакция ²⁴⁹Cf(¹⁵N, 4n)²⁶⁰Ha. Предложенное название «ганий» (в честь автора открытия деления О. Гана).

По всей вероятности, дискуссия по поводу синтезов трансурановых элементов с Z>102 — явление довольно закономерное. Каждый такой синтез равнозначен научно-техническому подвигу. Это очень сложный процесс, в котором неизбежны и неточности, и ошибки. Ученые уже давно считают, что должны быть выработаны строгие критерии достоверности синтеза новых элементов. Для синтезированных элементов второй сотни само понятие «открытие» приобретает принципиально иное звучание. Прежде всего потому, что продолжительность жизни этих элементов очень коротка. И символы их в периодической системе, образно говоря, не имеют материального обеспечения. Эти элементы никогда не удастся накопить в весовых количествах. Считанные атомы — вот их удел. Всякий раз, когда ставится цель исследования свойств этих элементов, процессы синтеза приходится осуществлять заново. Мы видим здесь не столько открытие нового элемента, сколько наблюдение образования (в соответствующих условиях) ядер с определенным значением Z.

ЭЛЕМЕНТЫ № 106 И № 107

Название этим элементам пока и не пытались давать, как и не определяли их химическую природу. Периоды полураспада здесь измеряются сотыми и тысячными долями секунд. Правда, есть надежда получить более долгоживущие изотопы. Метод синтеза этих элементов имеет новые черты. Во всех предыдущих случаях получения трансуранов мишень была в той или иной степени радиоактивной, и, конечно же, это было осложняющим обстоятельством. Для синтеза элементов № 106 и № 107 физики из Дубны впервые применили мишени из стабильных элементов (свинца и висмута) и обстреляли их ускоренными ионами хрома:

Первая реакция была осуществлена в 1974 г., вторая — в 1976 г.

А ЧТО ЖЕ ДАЛЬШЕ?

В ту уже сравнительно далекую пору, когда удался синтез первого трансуранового элемента, — нептуния, ученые оставались в полном неведении, сколько же еще шагов за уран сумеют они сделать. И в наши дни, ученые уже другого поколения, также затрудняются дать ответ на вопрос: где же предел синтеза новых элементов?

Но есть принципиальная разница между исследователями — современниками Е. Макмиллана и П. Абельсона и учеными конца 70-х годов. Первые знали слишком мало, вторые (как ни парадоксально это звучит) знают слишком много, чтобы судить о проблеме с какой-либо определенностью. За сорокалетнюю историю синтеза трансуранов были времена, когда казалось, что конец близок. По мере того как синтез продвигался в область все бoльших значений Z, четко вырисовывалась закономерность: постоянное уменьшение периодов полураспада, в особенности по спонтанному делению, от миллиардов лет к часам, минутам, секундам и долям секунды. Простая экстраполяция показывала, что при значении Z, равном 108–110, ядра станут настолько короткоживущими, что будут разваливаться в момент образования.