Клаус Гофман - Можно ли сделать золото, Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов
Имелся лишь один выход. Нужно было использовать те трансураны, которые можно было добыть в больших количествах, прежде всего -- это плутоний. Надеялись также получить в достаточных количествах кюрий и калифорний после многолетнего облучения в реакторе. Конечно, используя трансураны с меньшим зарядом ядра, необходимо было испытать более тяжелые снаряды. Нейтроны и альфа-частицы являлись уже недостаточно мощными. Подходящими по массе снарядами были ядра кислорода, азота, углерода, бора и неона, полученные с помощью новых ионных источников. Безусловно, ускорить тяжелые частицы до необходимой энергии возможно только с помощью высокоэффективных ускорителей. Начиная с середины 50-х годов американские физики все свои надежды возлагали на новый линейный ускоритель тяжелых ионов HILAC, а в последнее время -- на еще более мощный Super-HILAC. Их советские коллеги использовали оправдавшие себя ускорители частиц У-200 и У-300. В испытании находится новый циклотрон У-400, который способен ускорить до больших энергий даже ядра урана.
Также с середины 50-х годов длится спор между американскими и советскими физиками по поводу того, кто же первым синтезировал и точно идентифицировал элементы с 102 по 105. До сего времени нет единства в вопросе приоритета и названии новых элементов: 102-- жолиотий (по советскому представлению) или нобелий (по американским предложениям): 103 -резерфордий или лоуренсий: 104 -- курчатовий или резерфордий: 105 -нильсборий и ханий?
Причина таких разногласий заключается, несомненно, в том, что американская группа ученых не могла больше претендовать на приоритет. Со времени основания Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в 1956 году, решающие импульсы в исследовании трансуранов исходили от советских ученых. С тех пор прогресс в этой специальной отрасли определяли советские исследователи под руководством физика Г. Н. Флерова и его коллеги Ю. Ц. Оганесяна. ОИЯИ в Дубне стал одновременно символом социалистической научной интеграции. В этом институте работают исследователи из всех социалистических стран; они все более широко участвуют в существенных открытиях в ядерной физике.
Все началось со 102-го элемента. В Стокгольме в 1957 году подобрался коллектив из американских, английских и шведских физиков. Эта группа считала, что получила изотопы элемента 102, названного ими нобелием, в результате бомбардировки кюрия ядрами углерода. Несколько позже Флеров объявил об удачном синтезе 102-го элемента, осуществленном на циклотроне Института атомной энергии в Москве, путем обстрела плутония-241 ядрами кислорода. Исследователи из Беркли не отставали и также сообщили об успешной идентификации 102-го элемента. Однако все приведенные данные и факты противоречили друг другу. Поэтому американцы стали называть новый элемент не нобелием, a no believium, что в вольном переводе означает "не верю". Физики в Дубне в течение ряда лет систематически дорабатывали эти результаты с тем, чтобы разъяснить противоречия. Только в 1963 году им удалось получить однозначные доказательства. Флеров и его сотрудники смогли безупречно синтезировать 102-й элемент из урана и ионов неона:
[238]U + [22]Ne [256]Х + 4n
Физикам пришлось выдумывать изощренные методы разделения, измерения и идентификации для того, чтобы вообще обнаружить новый элемент. Ведь он довольно быстро прощается с этим миром, обладая периодом полураспада всего лишь 8 с.
Когда ученые из Беркли смогли располагать 3 мкг калифорния, конечно, в виде смеси различных изотопов, они решились на синтез следующего элемента -103-го. Эти 3 мкг калифорния в течение трех лет бомбардировали в линейном ускорителе ядрами атома бора. Было мало надежды на благоприятный результат. Из 100 миллиардов ядер бора только одно могло проникнуть в ядро калифорния, однако ядро нового атома в 99 % случаев должно было снова распасться в результате самопроизвольного деления. Американцы рассчитали, что из 100 000 слияний только одно должно было образовать ядро с 103 протонами -- искомый элемент 103.
В 1961 году группа из Беркли сочла, наконец, что идентифицировала несколько атомов одного из изотопов 103-го элемента. Через несколько лет в Дубне советские исследователи, синтезировали из америция-243 и ионов кислорода другой изотоп. Они сразу же исправили прежние данные своих американских коллег. Кто же прав? Одна проблема, по крайней мере, еще до сих пор не разрешена: как называть 103-й элемент? Лоуренсий или резерфордий?
С особенным нетерпением ожидалось открытие 104-го элемента -- первого представителя трансактиноидов. Согласно актиноидной теории, элемент 104, будучи экагафнием, должен был бы обладать свойствами, сходными с гафнием или цирконием. В 1964 году коллективу ОИЯИ в Дубне под руководством Флерова удался большой бросок. После бомбардировки плутония-242 ионами неона впервые были обнаружены атомы 104-го элемента -- курчатовия:
[244]Pu + [22]Ne [260]X + 4n
До сих пор новый способ его физико-химической идентификации считается мастерским, ибо образовавшийся изотоп самопроизвольно распадается с периодом полураспада всего лишь 0,1 с. Поэтому требовались необыкновенно быстрые действия для того, чтобы химически доказать, что 104-й элемент следует отнести к группе четырехвалентных элементов, вместе с гафнием и цирконием. В Дубне это удалось подтвердить с помощью остроумной экспериментальной техники. Для этой цели использовалась летучесть галогенидов при повышенных температурах: синтезированные атомы 104-го элемента, отброшенные из мишени в результате радиоактивного выброса, подвергали хлорированию при 350 °С. Пропускаемый газообразный хлор смешивали с парами трихлорида кюрия, тетрахлорида циркония и пентахлорида ниобия. Далее эти хлориды оседали на различных участках термохроматографической колонки, в зависимости от того, был ли это три-, тетра- или пента-хлорид. Хлорид 104-го элемента сконденсировался на том же месте, что и тетрахлорид циркония.
Американцы, которые тоже были близки к открытию 104-го элемента, получили его в виде изотопа, излучающего альфа-частицы, при бомбардировке калифорния-249 ядрами углерода. Образующийся из него в результате изотоп 102-го элемента можно было безупречно идентифицировать на основании его характеристического рентгеновского излучения. Закон Мозли подтвердился еще в одном случае. 105-й элемент получен группой Флерова уже в 1967 году в результате ядерной реакции америция с ионами неона. Но по уравнению
[243]Am + [22]Ne [260]Х + 4 (5)n
образовывался лишь один атом за час. Такого скудного выхода было недостаточно, чтобы окончательно подтвердить открытие. Только в начале 1970 года из Дубны пришло известие о точной идентификации элемента 105. В том же году добились успеха Гиорсо с сотрудниками. В Беркли они синтезировали изотоп 105-го элемента путем бомбардировки 60 мкг калифорния ядрами азота:
[249]Cf + [15]N [260]Х + 4n
Элемент 105, будучи аналогом тантала, должен быть пятивалентным. Это удалось безупречно доказать дубнинским исследователям с помощью техники хлорирования, уже испытанной на 104-м элементе.
Сверхтяжелые элементы на островке устойчивости
Теоретическое и экспериментальное изучение устойчивости ядра дало советским физикам повод для пересмотра применявшихся до сих пор методов получения тяжелых трансуранов. В Дубне решили пойти новыми путями и взять в качестве мишени свинец и висмут.
Ядро, как и атом в целом, имеет оболочечное строение. Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие 2--8--20-28--50--82--114--126--164 протонов (то есть ядра атомов с таким порядковым номером) и 2--8--20--28--50--82--126--184--196-- 228--272--318 нейтронов, вследствие законченного строения их оболочек. Только недавно удалось подтвердить эти воззрения расчетами с помощью ЭВМ. Такая необычная устойчивость бросилась в глаза, прежде всего, при изучении распространенности некоторых элементов в космосе. Изотопы, обладающие этими ядерными числами, называют магическими. Изотоп висмута [209]Bi, имеющий 126 нейтронов, представляет такой магический нуклид. Сюда относятся также изотопы кислорода, кальция, олова. Дважды магическими являются: для гелия -- изотоп [4]Не (2 протона, 2 нейтрона), для кальция -[48]Са (20 протонов, 28 нейтронов), для свинца -[208]Pb (82 протона, 126 нейтронов). Они отличаются совершенно особой прочностью ядра.
Используя источники ионов нового типа и более мощные ускорители тяжелых ионов -- в Дубне были спарены агрегаты У-200 и У-300, группа Г. Н. Флерова и Ю. Ц. Оганесяна вскоре стала располагать потоком тяжелых ионов с необычайной энергией. Чтобы достичь слияния ядер, советские физики выстреливали ионами хрома с энергией 280 МэВ в мишени из свинца и висмута. Что могло получиться? В начале 1974 года атомщики в Дубне зарегистрировали при такой бомбардировке 50 случаев, указывающих на образование 106-го элемента, который, однако, распадается уже через 10[-2] с. Эти 50 атомных ядер образовались по схеме:
[208]Pb + [51]Cr [259]X
Немного позднее Гиорсо и Сиборг из лаборатории Лоуренса в Беркли сообщили, что они синтезировали изотоп нового, 106-го, элемента с массовым числом 263 путем обстрела калифорния-249 ионами кислорода в аппарате Super-HILAC.
