Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Книги / Популярная библиотека химических элементов
Начало сайта / Книги / Популярная библиотека химических элементов

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Научно-популярные статьи

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Во главе двух академий

Время, хранимое как драгоценность

Генри Форд. Моя жизнь, мои достижения

Парадокс XX века

Луи де Бройль. Революция в физике

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Препринт

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Популярная библиотека химических элементов

Нобелий

102
No
2 9 31 32 18 8 2
НОБЕЛИЙ
[259]
5f147s2

В 1955 г. была заполнена 101-я клетка таблицы Менделеева. Следующим, естественно, должен был стать синтез 102-го элемента.

В 1956 г. к этой работе почти одновременно приступили исследователи из Нобелевского института физики в Стокгольме (в группе работали английские, шведские и американские ученые) и из Института атомной энергии в Москве. Вслед за ними в работу по синтезу 102-го элемента включились ученые Радиационной лаборатории Калифорнийского университета (Беркли).

Не прошло и года, как в научных журналах появились статьи, из которых следовало, что элемент №102 синтезирован.

Эти сообщения подхватили газеты, о новом элементе узнал весь мир. Но ясности, необходимой для окончательного утверждения нового элемента в периодической системе, не было еще долгие годы. Объясняется это не только трудностями, возрастающими с каждым новым шагом в трансурановую область, но и в какой-то мере поспешностью заключений.

В итоге для окончательного ответа на вопрос: «Что же такое элемент №102?» – понадобилось десять лет. Десять лет работы исследователей разных лабораторий и разных стран.

Исторически все работы по получению и исследованию 102-го элемента можно разделить на два периода: к первому относятся работы 1956...1959 гг., выполненные в лабораториях Стокгольма, Москвы и Беркли, ко второму – работы в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (1963...1966 гг.).

Общее, что объединяет все эти работы, – метод синтеза. Получить изотопы 102-го элемента можно было только в ядерных реакциях с участием тяжелых ионов, бомбардируя такими ионами мишени из урана и некоторых трансурановых элементов.

Разными путями

Вообще говоря, существует несколько способов получения новых элементов. В одном из них используется облучение урана или плутония мощными нейтронными потоками в стационарных или импульсных (взрыв ядерного устройства) условиях. При этом образуются переобогащенные нейтронами изотопы, подверженные бета-распаду. В результате серии таких распадов они превращаются в элементы с большими порядковыми номерами.

Другой метод основан на облучении ближайших тяжелых трансурановых мишеней заряженными частицами. При обстреле ядра протонами его заряд (а следовательно, и номер элемента) может увеличиться на единицу, при бомбардировке ускоренными альфа-частицами – на две. В частности, этим методом был впервые получен менделевий.

И наконец, третий метод заключается в использовании не очень тяжелых мишеней (уран, плутоний, кюрий и др.) и тяжелых бомбардирующих частиц (ионы азота, углерода, неона и других элементов вплоть до ксенона сейчас и до урана в будущем). Реакции с участием тяжелых ионов позволяют увеличить заряд ядра на несколько единиц.

Для синтеза 102-го элемента первый и второй способы непригодны, единственно приемлемым был метод тяжелых ионов. Изотопы 102-го элемента могут образовываться в нескольких реакциях, в таких например:

23892U + 2210Ne → 256102 + 410n,

24194Pu + 168O → 253102 + 410n,

24395Am + 157N → 254102 + 410n,

24696U + 126C → 254102 + 410n, и т.д.

Проведение подобных реакций, улавливание и регистрация их продуктов связаны с огромными экспериментальными трудностями. Силы электростатического отталкивания между ядрами заставляют увеличивать энергию бомбардирующих частиц до десятков мегаэлектронвольт – иначе ядра не смогут слиться.

Образованные ядра оказываются очень сильно «нагретыми» (энергия их возбуждения достигает нескольких десятков мегаэлектронвольт) и стремятся «остыть», выбрасывая различные частицы. Но новый элемент будет образован лишь в том случае, когда ядро выбросит только нейтроны. Если оно выбросит хоть один протон, новый элемент не удастся зарегистрировать никакими способами: его попросту не будет, ведь номер элемента определяется числом протонов в ядре. Этим объясняются исключительные требования, предъявляемые и к мишени, и к пучкам тяжелых ионов. Все это, конечно, крайне усложняет эксперименты, однако иного пути синтеза 102-го элемента у физиков не было.

Два подхода к атому

Трудно получить атомы новых трансуранов, но когда имеешь дело с элементами второй сотни, не легче бывает доказать, что тебе действительно удалось получить их изотопы и какие именно.

Ожидалось, что время жизни изотопов 102-го элемента будет очень малым: в лучшем случае минуты, чаще секунды и доли секунд. Поэтому исследователям не приходилось рассчитывать на традиционный метод химической идентификации этого элемента. Нужны были новые методы – очень быстрые (экспрессные, как говорят исследователи), чувствительные и точные. По-видимому – физические.

Если вспомнить, что элемент есть совокупность атомов, состоящих из ядра и электронных оболочек, то легко понять разницу в химическом и физическом подходах к изучению элемента. Химики изучают электронные оболочки атома, его способность отдавать или присоединять электроны при взаимодействии с другими атомами. Они устанавливают порядковый номер элемента и его место в периодической системе по особенностям строения внешней части атома. Физики определяют то же самое, но исследуют при этом сами ядра и идентифицируют элемент по его ядерным свойствам.

Химические свойства актиноидов (элементов №90...103) настолько близки, что различить их можно только с помощью очень тонких аналитических методов, сравнительно медленных, требующих большего времени, чем периоды полураспада элементов второй сотни.

Химические методы идентификации элементов были приемлемы при синтезе изотопов, жизнь которых измерялась десятками минут и более (а также 104-го и 105-го элементов, которые по химическим свойствам значительно отличаются от соседних). Но для 102-го и 103-го элементов разработка надежных «быстрых» методов химической идентификации потребовала больших и длительных усилий.

Физические методы позволяют установить заряд ядра и массовое число синтезированного изотопа и изучить его радиоактивные свойства. Они основаны на быстром улавливании ядер – продуктов реакции, на выносе их из зоны облучения и переносе к детекторам излучения для регистрации радиоактивного распада. Эти методы неразрывно связаны с анализом закономерностей ядерных реакций.

Например, при определенных значениях энергии возбуждения из образовавшегося ядра могут «испариться» несколько нейтронов. Каждый нейтрон уносит часть энергии возбуждения – примерно 10...12 МэВ. Для «охлаждения» и относительной стабилизации ядра обычно необходим вылет 4...5 нейтронов. Кривая зависимости выхода ядер нового изотопа (или нового элемента) от энергии налетающих ионов имеет вид колоколообразной кривой: ее вершина соответствует энергии – наибольшего выхода ядер, а ширина «колокола» на половине высоты составляет 10...12 МэВ. Эта кривая называется кривой выхода; изучение ее формы дает достаточно оснований для распознания изотопа. Для проверки применяют так называемые перекрестные облучения, цель которых показать, что исследуемый изотоп появляется только в одной определенной комбинации мишень – частица, при определенной энергии бомбардирующих ионов. Если же условия опыта меняются (замена мишени или частицы, изменение энергии ионов), то этот изотоп не должен регистрироваться.

Но тут важно еще одно обстоятельство: нужно знать, какому виду радиоактивного распада подвержены новые ядра. Физик должен предвидеть, какие продукты образуются при радиоактивном распаде новых ядер, и иметь мужество вносить необходимые поправки в расчеты и в эксперимент, если «улов» окажется не тем, что ожидалось.

Изотопы 102-го элемента, которые могут образоваться в реакциях с тяжелыми ионами, подвержены трем видам радиоактивного распада. Это – альфа-распад, спонтанное деление и захват орбитальных электронов. Первый вид наиболее вероятен.

При альфа-распаде ядро любого изотопа элемента №102 превращается в ядро одного из изотопов фермия (элемент №100) и ядро гелия (альфа-частицу). Энергия альфа-частиц при этом будет строго определенной. Следовательно, зарегистрировать искомое ядро можно двумя способами: либо измерением энергии образовавшихся альфа-частии (Eα) и периода полураспада (T 1/2), либо наблюдением дочерних продуктов распада – ядер атомов фермия. Однако в первом случае существенной помехой определения будет фон, обусловленный альфа-распадом короткоживущих изотопов других элементов. При этом образуются альфа-частицы, энергия которых близка к энергии альфа-частиц, возникших при распаде ядер 102-го элемента. В частности, «густой» фон появляется, если в материале мишени или других деталей установки, подвергающихся облучению, есть примеси свинца, висмута, ртути. Вероятность фоновых реакций значительно больше (иногда в миллионы раз) вероятности реакции, приводящей к образованию 102-го элемента. Поэтому тщательная очистка вещества мишени от микропримесей свинца и близлежащих элементов и сверхчистые материалы для изготовлении установки – обязательные условия чистого опыта по синтезу 102-го элемента.

Помехи и трудности неизбежны и при определении дочерних продуктов альфа-распада ядер 102-го элемента.

К сожалению, многие из перечисленных трудностей и серьезнейшие требования к условиям эксперимента стали очевидными уже после того, как появились первые сообщения об открытии 102-го элемента.

Первый этап

Первая статья «Получение нового элемента 102» была направлена в редакцию «Physical Review» в июле 1957 г. и опубликована в сентябрьском номере этого журнала. Объединенная американо-англо-шведская группа сообщала об опытах по облучению мишени из смеси изотопов кюрия (244Cm – 95%, 245Cm – 1% и 246Cm – 4%) ионами углерода-12 и углерода-13, ускоренными на циклотроне Нобелевского института физики. Ядра – продукты реакции – вылетали из мишени, получив энергию налетающего иона. Их улавливали на специальную фольгу-сборник, которую потом сжигали на платине. Радиоактивный остаток смывали с платины и подвергали химическому анализу методом ионного обмена. После двенадцати получасовых облучений во фракции, соответствующей элементу №102, было зарегистрировано около 20 альфа-частиц с энергией 8,5±0,1 МэВ. Период полураспада составлял примерно 10 минут.

Многое в этой статье вызывало недоумение, и прежде всего то, что авторы не смогли точно указать массовое число изотопа (оно определяется суммой протонов и нейтронов в ядре). Объяснялось это двумя причинами. Во-первых, не удалось выяснить зависимость выхода продукта от энергии ионов из-за неопределенности этой характеристики потока. Вторая причина – довольно сложный изотопный состав материала мишени.

Сомнение в правильности выводов вызывал и тот факт, что эффект, приписанный элементу №102, наблюдался лишь на трех из шести использованных мишеней, да и эти три мишени не давали эффекта после трех недель работы. Почему – непонятно. В чистом опыте так быть не должно.

Настораживала и большая величина сечения реакции (большой выход нового излучателя), поскольку пучки ионов были маломощными (0,03...0,1 мкА). Но особенно сомнительным было большое время жизни изотопа – период полураспада около 10 минут. Тем не менее авторы работы заявили об открытии элемента №102 и предложили назвать его нобелием (символ No) в честь Альфреда Нобеля.

Не прошло и года, как американские ученые из Беркли опубликовали статью «Попытки подтвердить существование десятиминутного изотопа элемента 102», в которой сообщили о безуспешных поисках долгоживущей активности с указанными в Стокгольме свойствами. Эта работа была выполнена очень тщательно и более точно, чем в Швеции. Использовались кюриевые мишени того же изотопного состава, те же самые ионы 12С и 13С, однако интенсивность пучка была больше, а энергетический спектр пучка был монохроматическим (т.е. пучок состоял из строго одинаковых по энергии ионов).

Выход всех изотопов более легких элементов в этом эксперименте оказался гораздо больше, чем в стокгольмском, но активность, приписанная элементу №102, не наблюдалась...

Примерно в то же время, что и в Швеции, в Москве также были проведены опыты по синтезу короткоживущих изотопов 102-го элемента. Для получения нового элемента изотопы плутония 241Pu и 239Pu облучали ионами кислорода-16 с энергией около 100 МэВ. Изучался альфа-распад продуктов ядерных реакций классическим методом ядерных фотоэмульсий. В спектре альфа-частиц наряду с группами, обусловленными распадом известных элементов, была отмечена группа с энергией 8,9±0,4 МэВ. Было показано, что период полураспада этого изотопа меньше 40, но больше 2 секунд. На основании теоретических оценок предполагалось, что наиболее вероятна реакция с «испарением» четырех нейтронов:

24194Pu + 168O → 253102 + 410n.

Через несколько месяцев в Беркли были поставлены опыты по синтезу еще одного изотопа – 254102. Американские физики бомбардировали мишени из кюрия-246 ионами углерода-12. Они установили, что период полураспада изотопа 254102 близок к 3 секундам, а энергия альфа-частиц равна 8,3 МэВ. В опубликованной ими статье указывалось также, что ядра изотопа 254102 испытывают спонтанное деление примерно в 30 случаях из 100.

Для идентификации 254102 авторы разработали оригинальный метод, которым доказывалось, что дочерние ядра фермия-250 с хорошо известными свойствами могут появляться на вторичном сборнике ядер отдачи только в результате альфа-распада изотопа 254102. А фермий-250 регистрировали химическими методами.

О синтезе еще одного изотопа – 255102 та же группа сообщила в 1961 г. Главные характеристики этого изотопа: период полураспада – 15 секунд, энергия альфа-частиц – 8,2 МэВ.

На этом по существу и закончился первый этап истории 102-го элемента. Началом второго этапа стал пуск большого циклотрона многозарядных ионов в Дубне. Это произошло в начале 1961 г. Тогда же была намечена программа получения на этом ускорителе многих неизвестных изотопов трансурановых элементов начиная от 99-го и далее. Но прежде чем приступить к новым синтезам, сотрудники Объединенного института ядерных исследований провели большую серию опытов по изучению закономерностей образования трансурановых элементов в ядерных реакциях, создали экспрессные методы физической идентификации короткоживущих новых изотопов, разработали детекторы альфа-излучения с очень хорошими характеристиками. Эти работы заняли почти три года.

Второй этап

В 1963 г. сотрудникам Лаборатории ядерных реакций удалось синтезировать наиболее тяжелый в то время изотоп 102-го элемента – 256102. Его получили в результате бомбардировки мишени из урана-238 ионами неона-22 с энергией 112 МэВ.

Были изучены два вида радиоактивного распада этого изотопа – альфа-распад и спонтанное деление. Оказалось, что время жизни изотопа 256102 составляет около 4 секунд, доля спонтанного деления – всего 0,5%.

Результаты этих экспериментов сильно расходились с теоретическими оценками, основанными на данных американских ученых о свойствах изотопа 254102 (синтез 1958 г. в Беркли).

В связи с этим было решено еще раз экспериментально проверить свойства изотопов 254102 и 256102 двумя методами. В одном из них свойства изотопов определяли по характеристикам альфа-частиц, в другом – по дочерним ядрам. Результаты экспериментов с изотопом 256102 оказались такими же, как раньше. Но в другой серии опытов экспериментаторы с удивлением обнаружили, что изотоп 254102 обладает свойствами, сильно отличающимися от указанных калифорнийской группой. Выяснилось, что этот изотоп живет не 3, а 65 секунд; энергия альфа-частиц, образующихся при распаде его ядер, составляет не 8,3, а 8,11 МэВ; и наконец, спонтанное деление он испытывает не в 30% случаев, а примерно в одном случае из 1800. А ведь эти результаты казались самыми достоверными, самыми бесспорными.

Стало ясно, что необходимо повторить опыты по синтезу и изучению свойств других изотопов элемента №102. Эти опыты и были поставлены в Дубне в 1965...1966 гг.

Здесь необходимо упомянуть о том, что за годы, прошедшие после первых работ по синтезу элемента №102, ядерная физика ушла далеко вперед. В частности, намного лучше были изучены закономерности ядерных реакций с участием тяжелых ионов. Да и техника эксперимента совершенствовалась все эти годы. Поэтому тем, кто начинал исследования в 60-х годах, много было и понятнее, и доступнее, чем участникам работ 1956...1958 гг.

Массовое число изотопа Реакция синтеза Период полу-распада, сек. Энергия
α-частиц, МэВ
Доля спонтанного деления по отношению к α-распаду Место и год открытия
251239Pu (16O, 4n)*
244Cm (12C, 5n)
0,5...1,0
0,8±0,3
8,6
8,6
 Дубна, 1967
Беркли, 1967
252239Pu (18O, 5n)4,5±1,58,41 Дубна, 1966
253242Pu (16O, 5n)
239Pu (18O, 4n)
95±108,01 Дубна, 1966
254243Am (15N, 4n)
242Pu (16O, 4n)
238U (22Ne, 6n)
65±108,111/1800Дубна, 1963...1966
255238U (22Ne, 5n)
242Pu (18O, 5n)
180±108,09 Дубна, 1966
256238U (22Ne, 4n)
242Pu (18O, 4n)
3,7±0,58,421/200Дубна, 1963
257248Cm (13C, 4n)
248Cm (12C, 3n)
23±28,23 (50%)
8,27 (50%)
 Беркли, 1967
258248Cm (13C, 3n)1,2·10–3100%Беркли, 1968
259248Cm (18O, α, 3n)1,5±0,5 часа7,520%Ок-Ридж, 1970

* В скобках указаны бомбардирующие ионы и количество нейтронов, вылетающих из составного ядра. Такая запись ядерных реакций принята в физике.

Сравнить данные, полученные в Дубне, с результатами первых синтезов вы можете, ознакомившись с приведенной здесь таблицей. (Желая подчеркнуть какое-то важное различие, иногда говорят, будто бы по примеру одесситов, «две большие разницы». В нашей таблице «больших разниц» уже не две, а четыре). Сравнение данных показывает, что практически во всех ранних работах по синтезу и исследованию нового элемента допущены большие или меньшие ошибки.

Группа, работавшая в Нобелевском институте, считала, что, скорее всего, ею был получен изотоп 253102 (период полураспада T 1/2 равен примерно 10 минутам и энергия альфа-частиц Eα около 8,5 МэВ). Оказалось, что T 1/2 этого изотопа составляет всего 95 секунд, а Eα – 8,01 МэВ. Тогда стали поговаривать об изотопе 251102. Но в 1967 г. в Дубне и Беркли смогли получить и этот изотоп. Период полураспада его ядер оказался 0,8±0,3 секунды, Eα – 8,6 МэВ. Опять не сходились концы с концами...

Московский синтез 1958 г. Изотоп 253102; T 1/2 = 2...40 секунд, Eα = 8,9 МэВ. Эти цифры тоже отличаются от результатов проверочных экспериментов. Правда, когда в 1966 г. в Дубне был получен более легкий изотоп – 252102, оказалось, что его характеристики (T 1/2 = 4,5 секунды, Eα = 8,4 МэВ) близки к указанным в московской работе. Вполне вероятно, что в 1958 г. в Институте атомной энергии были действительно получены первые атомы элемента №102, но уровень техники того времени не позволил точно определить массовое число и энергию альфа-распада изотопа.

О разнице в характеристиках калифорнийского изотопа 254102 рассказывалось выше.

В 1961 г. в Беркли был получен изотоп 255102, и этот эксперимент был воспроизведен в Дубне. И здесь выяснилась разница в характеристиках. По американским данным, период полураспада ядер 255102 составил примерно 15 секунд, а Eα = 8,2 МэВ. В Дубне были получены совсем другие цифры: T 1/2 = 3 минуты, Eα = 8,09 МэВ.

Пятый изотоп – 256102 был впервые получен в Дубне.

Естественно, может возникнуть вопрос: насколько точны новые данные? Ответ: советские ученые не абсолютизируют свои результаты, не выдают их за истину в последней инстанции. Но достоверность этих результатов, бесспорно, намного больше, чем результатов первых работ. Большой дубненский циклотрон дает значительно более мощные и монохроматические (состоящие из одинаковых ионов) пучки, чем ускорители, которыми располагали участники ранних работ. К началу новых синтезов в реакторах были накоплены достаточные количества изотопоп плутония и америция, необходимых для изготовления высококачественных мишеней. Прецизионные детекторы альфа-излучения и экспрессные методы физической идентификации изотопов, которыми мы располагали, были разработаны уже после окончания ранних работ. Все это позволило делать выводы на основании наблюдения уже не десятков, а сотен и тысяч атомов.

Наконец, участники дубненской работы лучше знали закономерности образования новых ядер в реакциях с тяжелыми ионами, чем ученые, ставившие свои опыты в конце 50-х годов. Для ядерной физики пять – семь лет – срок немалый.

О результатах работ по синтезу и исследованию в Дубне пяти изотопов элемента №102 впервые было сообщено на Международной конференции по физике тяжелых ионов в октябре 1966 г. А уже в декабре из Америки пришли первые сообщения о точном воспроизведении этих результатов.

Позже (в 1967...1970 гг.) в США, в лабораториях Беркли и Ок-Риджа, были получены еще три изотопа элемента №102 с массовыми числами 257, 258 и 259. Последний изотоп оказался не только самым тяжелым, но и самым долгоживущим: его период полураспада 1,5±0,5 часа.

Коротко о химии элемента №102. Первые опыты по химии этого элемента были предприняты в Дубне в 1967 г. Методом фронтальной хроматографии определялись свойства соединения элемента №102 с хлором. Использовали ту же установку, что и для первых опытов по химии 104-го элемента (она подробно описана в статье «Курчатовий»). О свойствах хлорида (или хлоридов) 102-го элемента судили по распределению в хроматографической колонке фермия-252 – дочернего продукта изотопа 256102.

Опыты показали, что элемент №102 образует нелетучий хлорид. Его фронт двигался по колонке очень медленно, подобно фронту фермия, кюрия и прочих типичных представителей семейства актиноидов. В тех же опытах, первых опытах по химии 102-го элемента, было установлено, что степень окисления этого элемента хлором не выше III.

Позже опыты по химии 102-го элемента проводились и в Калифорнийском университете. Здесь работали со сравнительно долгоживущим изотопом 255102. Американские химики установили, что в водных растворах наиболее устойчиво валентное состояние 2+ и что окисление до состояния выше 3+ крайне сложно, а может быть, и невозможно вообще.

Вот, пожалуй, и все, что известно сейчас о химии элемента №102. Оттого ядерно-физические характеристики его изотопов остаются главными «показателями» при синтезе и исследовании этого элемента.

Тот факт, что во всех ранних работах по 102-му элементу были допущены неточности и ошибки, теперь абсолютно бесспорен, и есть все основания считать элемент №102 открытием ученых социалистических стран, работающих в Объединенном институте ядерных исследований. Им и принадлежит право дать имя этому элементу. От нобелия, как шутят физики, остался только символ, a No по-английски означает «нет»...

Элемент №102 должен быть переименован – таково общее мнение участников работ по синтезу и исследованию этого элемента, проведенных в Дубне. Они предлагают назвать элемент №102 в честь Фредерика Жолио-Кюри – выдающегося ученого, открывшего искусственную радиоактивность, и борца за мир.

 

Лоуренсий

Оглавление


Дата публикации:

20 января 2004 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика