Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
У всех изотопов, имеющих более 126 нейтронов, эти энергии сначала резко возрастают. По аналогии с обычной химией, когда каждый ион стремится достичь электронной структуры инертного газа, ядра как бы желают заполучить устойчивую 126-нейтронную оболочку. Вот почему элементы от полония до радия так неустойчивы по отношению к альфа-распаду.
Далее влияние «магической» оболочки ослабевает, и энергии альфа-распада уменьшаются. А это, в свою очередь, приводит к росту периодов полураспада. У тория, протактиния и урана ее влияние ничтожно, но протактиний подводит то, что он элемент нечетный, а они, как правило, менее устойчивы, чем их четные соседи.
Но за ураном должна сказываться другая тенденция — более тяжелые ядра по самой своей природе будут представлять малоустойчивые образования. Они слишком перегружены нейтронами и протонами и, образно говоря, «разваливаются под действием собственной тяжести». Действительно, у нептуния, плутония и последующих трансуранов энергия альфа-распада возрастает. Поэтому они недолговечны; поэтому уран долгое время оставался последним элементом периодической системы.
То, что мы рассказали, хорошо известно теперь; ученые начала XX века ничего не знали об этом, ибо сама наука о превращении элементов только лишь зарождалась, и ничьи уста не произносили еще столь привычного нам термина «ядерная физика». Исследователи вслепую шли по проторенной дорожке — искали заурановые элементы в земных минералах. Иные тешили себя мечтой обнаружить хотя бы ближайших соседей урана, другие прибегали к эффектным, но на деле совершенно беспочвенным научным спекуляциям.
…Пожалуй, одной из наиболее оригинальных в истории человечества была небольшая экспедиция в Гренландию, состоявшаяся в начале 20-х годов нашего века. Ученые бороздили бескрайние просторы «ледяного острова» отнюдь не ради географических исследований. Их цель была так же проста, как и непонятна на первый взгляд. Они стремились собрать побольше странного сероватого пепла, который местами четко выделялся на ослепительно сверкавших под солнцем льдах. Полагали, что эта своеобразная полярная «пыль» имеет космическое происхождение.
В ней немецкий ученый Рихард Свинне рассчитывал обнаружить элементы тяжелее урана. У исследователя была своеобразная концепция относительно трансурановых элементов, основанная на сложных, мало кому понятных умозаключениях. Он считал, что некоторые трансураны будут довольно устойчивыми, например элементы № 108 и 110.
Затея (здесь трудно подобрать другое слово) Свинне потерпела крах. С тех пор поиски трансурановых элементов в природе представляли собой долгую цепь неудач и разочарований. В конце концов нептуний и плутоний обнаружили в земных минералах, но в количествах, представляющих скорее теоретический интерес. Весь нептуний и плутоний, содержащиеся на нашей планете, легко погрузить на средней руки самоходную баржу.
Практически имеет смысл говорить лишь об искусственном получении трансурановых элементов. В 1940 году были синтезированы нептуний и плутоний, в 1961 году мир узнал о «рождении» сто третьего элемента, лоуренсия. Иными словами, за какое-то двадцатилетие ядерная физика преуспела в «наращивании» периодической системы элементов.
Говоря о верхней границе периодической системы, мы должны теперь иметь в виду предел синтеза новых элементов. Где тот последний элемент, выше которого ядерный синтез уже не будет иметь смысла?
Где же последний элемент таблицы Менделеева?
Тут мы снова сделаем маленькое отступление. Если проследить за историей открытия изотопов радиоактивных элементов, выявляется любопытная деталь. Сначала ученые обнаруживали изотопы с большими периодами полураспада (сотни и десятки лет, годы и дни). Потом проникли в область часов и минут. Далее им удалось «поймать» изотопы, которые жили секунды и десятые доли секунды. Подобно тому как совершенствование микроскопа позволяло ученым разглядывать все более и более мелкие частицы, развитие радиометрической техники давало возможность «засекать» изотопы с более короткими периодами полураспада. Следовательно, чем совершеннее станет аппаратура, тем более короткоживущие изотопы удастся обнаружить. Только когда изотоп будет распадаться фактически в момент образования (период полураспада окажется порядка 10–20 секунды), никакие экспериментальные ухищрения уже не позволят его зафиксировать.
У какого же по счету трансуранового элемента следует ждать изотопа с подобным периодом полураспада?
Какие виды радиоактивного превращения свойственны тяжелым ядрам?
Во-первых, альфа-распад, испускание ядер гелия; о его закономерностях мы уже сказали ранее несколько слов.
Во-вторых, спонтанное, или самопроизвольное, деление ядер; оно в малой степени проявляется уже у урана и тория (например, период полураспада урана-238 по спонтанному делению составляет 8·1015 лет), а начиная с фермия (№ 100) становится весьма вероятным. (Так фермий-255 имеет период полураспада по спонтанному делению равный 20 годам.)
В-третьих, наконец, превращение ядра путем захвата электрона с ближайшей K-оболочки, так называемый K-захват.
Какая же из этих возможностей окажется роковой для сверхтяжелых трансурановых элементов? Для какой из них период полураспада ранее всего достигнет критического минимума — 10–20 секунды.
Сразу покончим с K-захватом. Представим себе, что тяжелые ядра были бы подвержены только этому виду превращений. Тогда можно было бы беспрепятственно синтезировать все новые и новые элементы, вплоть до поистине ядра-гиганта с зарядом, равным 137. Лишь у его атома K-оболочка настолько бы приблизилась к ядру, что электрон немедленно «провалился» бы в ядро и заряд уменьшился на единицу.
Но вся беда в том, что альфа-распад и спонтанное деление у сверхтяжелых ядер куда более вероятны, нежели K-захват, и именно им суждено определить верхнюю границу периодической системы. Значит, остается обсудить первые две возможности. Сразу оговоримся, что теория пока не может указать, у каких изотопов появится минимально возможный период полураспада по альфа-излучению или спонтанному делению. Теория дает пока лишь вероятные интервалы значений.
Уже начиная с нептуния, энергия альфа-распада изотопов возрастает, и уменьшаются соответственно периоды полураспада. Ученые предсказывают, что у изотопов элементов с зарядом ядра, равным 104, «долговечность» не будет превышать миллионной доли секунды. Однако у ядер, расположенных в этой области, появится устойчивая оболочка из 152 нейтронов. Изотопы с большим числом нейтронов окажутся еще более подверженными альфа-распаду. По-видимому, у элементов с зарядами ядер 105–107 периоды полураспада изотопов по альфа-излучению будут весьма близкими к минимальному критическому значению.
Со спонтанным делением вопрос обстоит так. Выдающийся американский ученый, «отец» трансурановых элементов Гленн Сиборг показал, что периоды полураспада по спонтанному делению зависят от величины отношения Z2/A, где Z заряд, а A — массовое число изотопа. Чем больше это отношение, тем меньше период полураспада. Для урана-238 оно
