Элементы жизни

Вернее, такой метод уже был создан в Дубне. Над ним начали работать в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований еще в 1960 году – за четыре года до начала синтеза «номера сто четыре».

Ключом к новому методу ультраэкспресс химической идентификации стала идея о том, что 104-й элемент должен быть аналогом гафния и поэтому обладать аналогичными гафнию химическими свойствами.

Эта идея была основана на актиноидной теории американского химика и физика Гленна Сиборга. Он утверждал, что элемент №103 – последний актиноид.

Поскольку все актиноиды находятся в третьей группе, элемент №104, не будучи актиноидом, должен был попасть в следующую —четвертую группу таблицы Менделеева – и стать в горизонтали сразу за актинием, как гафний за лантаном – «вождем» лантаноидов.

Значит, получив новый элемент, надо было проверить, ведет ли он себя, как гафний. Если да, то это и есть «номер сто четыре».

В 1960 г., когда физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ готовились к синтезу 104-го под руководством Флерова, сам Флеров и поручил молодому чехословацкому химику Иво Зваре разработать ультраэкспрессный метод химической идентификации ожидаемого элемента.

Метод был основан на том, что хлориды элементов III и IV групп имеют разные свойства. Хлориды элементов III группы, в том числе лантаноидов, остаются твердыми при нагревании до температуры около 250° C. А хлориды гафния (элемента IV группы) и его аналогов при такой температуре переходят в газообразное состояние. Получается, при 250° C разделить хлориды элементов III и IV групп технически возможно. Оставалось изобрести подходящую конструкцию, чтобы сразу после разделения смеси отвести хлорид гафния к месту анализа. Тогда идентификацию элемента, хлорид которого поступал на анализ, можно было бы провести за доли секунды.

На разработку ультраэкспрессного метода газовой хроматографии и создание прибора для этого технологического процесса ушло три года. Химикам удалось всего за четыре десятые доли секунды «схватить» прямо у мишени атомы гафния, образовавшиеся в результате ее бомбардировки, увлечь их высокоскоростным газовым потоком, прямо в потоке превратить гафний в хлорид гафния и довести летучий хлорид до детектора, который «опознает» в хлориде именно гафний.

Четырех десятых долей секунды должно было хватить, чтобы опознать изотоп 104-го элемента 260104. Этот изотоп имеет период полураспада как раз порядка нескольких десятых долей секунды – то есть за несколько десятых долей секунды количество ядер 104-го элемента уменьшается вдвое.

К началу 1965 г. физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ научились получать ядра 104-го элемента в количестве нескольких десятков – этого количества вполне хватало для ультраэкспрессного метода Иво Звары. Физики рассуждали так: если 104-й элемент аналогичен по своим химическим свойствам гафнию, то тетрахлорид 104-го элемента должен быть тоже летучим и должен успеть за время жизни ядра 104-го долететь по газовому тракту до детектора, который его распознает и зафиксирует его осколки. А если 104-й не похож на гафний, то детектор не зарегистрирует ничего.

Химики Лаборатории ядерных реакций в четырнадцати экспериментах на циклотроне зарегистрировали всего четыре осколка спонтанного деления ядер 104-го – в двадцать раз меньше, чем ожидали. Увеличили температуру хлорида до 350° C, и в новой серии экспериментов зарегистрировали еще восемь атомов элемента №104. Последний эксперимент был завершен 26 марта 1966 года.

Вот так химики Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований подтвердили, что их коллеги-физики открыли в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ именно 104-й элемент таблицы Менделеева. Одновременно химики получили другой важный результат: элемент №104 является аналогом гафния и входит в IV группу таблицы химических элементов Менделеева.

Создатели элемента №104 предложили назвать его курчатовием – в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова. Ученый совет Объединенного института ядерных исследований единогласно поддержал это предложение. И в таблице Менделеева на стенах школьных кабинетов химии на протяжении тридцати лет под номером 104 значился химический элемент курчатовий – Ku.

Советские школьники даже не догадывались, что приоритет открытия 104-го элемента в Дубне, в ОИЯИ, был оспорен американскими учеными.

Американцы поставили под сомнение факт получения в Дубне изотопа 260104 на том основании, что по их теоретическим расчетам его период полураспада должен составлять микросекунды, а в Дубне этот изотоп жил целых 0,1 секунды, то есть в сто раз дольше.

На конференции по трансурановым элементам в Хьюстоне в 1969 году американский физик и химик Альберт Гиорсо объявил: «На прошлой неделе мы облучили мишень из кюрия ионами кислорода… в надежде найти спонтанно делящуюся активность, которая могла бы быть обусловлена распадом 260104, если бы он имел период полураспада более короткий, чем 0,1 секунды (100 мс). Мы зарегистрировали активность с периодом полураспада между 10 и 30 мс, но мы еще не идентифицировали ее. Конечно, она могла быть обусловлена 260104, хотя кажется, что такой период полураспада слишком длинный. Нам кажется более вероятным, что период полураспада 260104 находится в микросекундиой области».

За этим устным выступлением никаких научных сообщений об исследовании изотопа 260104 от группы Гиорсо не последовало. Нигде больше не упоминалось и о наблюдавшейся 30-миллисекундной активности полученного группой Гиорсо изотопа260104. Однако в устных сообщениях и в обзорных статьях Сиборг и Гиорсо подвергали сомнению правильность результатов ученых из ОИЯИ и назвали элемент №104 по-своему – резерфордием.

Поэтому в Дубне провели новые эксперименты, где был еще раз химически идентифицирован элемент №104. О них сообщил научный журнал «Радиохимия» в своем первом выпуске 1972 года. В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ получили и исследовали изотопом 259Ku, который живет не доли секунды, а целые секунды.

Для новых экспериментов создали новую методику химической идентификации элемента. Она позволяла отфильтровывать и атомы более легких, чем курчатовий, трансурановых элементов, и его короткоживущий изотоп 260Ku.

Новые эксперименты в Дубне еще раз подтвердили аналогию химических свойств курчатовия и гафния. Их результаты не оставили сомнений в том, что именно в Дубне, а не в Беркли был впервые синтезирован элемент №104.

Несмотря на эти убедительные доказательства, после распада СССР, в 1997 году, съезд Международного союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК – IUPAC) окончательно присвоил элементу №104 название «резерфордий».

Глава 4. Химические супертяжеловесы

Как и зачем создают элементы времен сотворения мира

На самом деле в Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли – то есть больше 4,5 миллиардов лет. Остальные химические элементы распались, не дожив до наших дней. Уран, у которого период полураспада около 4,5 миллиарда лет, всё ещё распадается, и поэтому мы находим его в земной коре.

Но некоторые из распавшихся элементов, которых уже нет на Земле, в середине ХХ века ученые научились получать сначала в лаборатории, а потом и в промышленных масштабах. Всем известный пример – плутоний. Его нарабатывают в ядерных реакторах. В ядре плутония 94 протона – ядро тяжелое. Изотоп плутония массой 239 (239Pu) содержит в ядре 94 протона и 45 нейтронов. Он распадается наполовину всего за 20 тысяч лет – в 22 500 раз быстрее урана. Плутоний производится сотнями тонн и является одним из самых мощных источников энергии.

Но есть искусственные элементы и потяжелее плутония. Их уже целых двадцать четыре – почти пятая часть таблицы. Может ли химических элементов быть еще больше и есть ли предел у таблицы Менделеева, вопрос остается открытым. Разгадку этой тайны ищут в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне под научным руководством академика Юрия Оганесяна. Да-да, того самого академика Оганесяна, в честь которого назван 118-й элемент Таблицы Менделеева.

Вот какой разговор о пределах количества элементов во Вселенной состоялся у автора этой книги с Юрием Цолаковичем Оганесяном в 2006 году по просьбе редакции газеты «Московские новости».

Наталия Теряева: Юрий Цолакович, когда-то Георгию Николаевичу Флерову один журналист задал вопрос: почему атом он рисует в виде кружочка, а не, скажем, крестика или ромбика. На что Георгий Николаевич якобы ответил, что он не знает, но, наверное, потому, что так удобнее. А вообще-то атом должен иметь скорее форму эллипсоида. Известно ли сегодня, какой формы атом

Юрий Оганесян: Ну, вообще-то говоря, круглой или шаровой формы. Это самая оптимальная, самая совершенная форма. Потому и капля жидкости имеет форму шарика – она имеет наименьшую потенциальную энергию. И все всегда считали с момента зарождения ядерной физики, что форма атома должна быть сферической и ввели такие понятия для ядра, как поверхность капли, радиус ядра, что уже подразумевает форму шара. Поэтому модель атома предполагает, (в настоящее время даже изображают ее на картинах) что в центре сферы находится ядро, а вокруг движутся электроны. Ядро содержит в себе фактически всю массу атома. Его масса существенно больше массы электронов – как минимум, в 2000 раз. И весь положительный заряд тоже в ядре, а электроны имеют отрицательный заряд. Это так называемая планетарная модель атома, которая была предложена Резерфордом в 1932 году. И все, что было сделано потом, подтверждает эту модель. Очень интересно отметить, что такая структура может быть и у сверхтяжелых элементов. Не только у 118-го, но и у 170-х и 180-х. То есть она устойчива к увеличению размера атома. А вот нестабильность или ограничение количества элементов наступают из-за нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о том, сколько может быть элементов, где кончается материальный мир, должен быть перемещен из области атомной физики, у которой уже нет вопросов, в область ядерной физики.

Н.Т.: То есть предположения о существовании элементов с номером 500 вполне основательны?

Ю.О.: Это предположение базируется уже на других обстоятельствах, которые возникли в связи с изучением структуры самого ядра. Если мы зададимся вопросом, сколько вообще существует разнообразных ядер, а значит и элементов, то вопрос этот оказывается очень сложным. Все это из-за того, что об атоме мы знаем много, а о ядре – мало. Об атоме мы знаем много потому, что движение электронов вокруг ядра определяется электромагнитными силами. А электродинамика – хорошо изученная наука. Есть строгая теория, мы знаем, как взаимодействует движущийся электрон с ядерным центром. Эти силы известны очень хорошо. Вы можете строить гигантские электростанции или микрочипы в компьютере, но законы электродинамики выполняются одинаково великолепно там и тут. Когда же мы говорим о ядерной физике, мы не знаем сил. Ядро состоит из протонов и нейтронов, они в ядре связаны вместе. Значит, есть силы, которые их должны удерживать вместе. Причем они удерживают вместе вполне определенное количество протонов и нейтронов. Поменяйте значительно число протонов и число нейтронов – все рассыплется. Ядра нет. Природа этих сил теоретически неизвестна. И поэтому вместо теории есть модели. И каждая модель пытается представить эту многотельную систему знакомым нам образом. Одна – капельная модель ядра модель говорит: они – протоны и нейтроны – взаимодействуют так же, как молекулы в капле. Другая модель говорит: нет, они, как газ, как рой пчел. Они удерживаются далеко друг от друга. Это модель Ферми-газа. Третья модель говорит: у них жесткая структура внутри ядра, и ведут себя протоны и нейтроны внутри ядра, как твердое тело, как кристаллы. И каждый раз, пытаясь объяснить те явления, которые мы наблюдаем в ядерной физике, привлекаются модели с тем представлением о ядерных силах, которое почерпнуто из макромира, чтобы опираться на известные нам понятия. Так получается, что ядро – какой-то многоликий Янус: то он как жидкость, то он как газ, то он, как твердое тело. А кто он на самом деле – пока неизвестно. Тем не менее, ядерная физика – это большая наука, она широко эксплуатируется для познания окружающего нас мира, познания астрофизических явлений, процессов образования и распада элементов. Мы используем ее для построения реакторов. Вытаскиваем из ядра энергию, хотя и не знаем сил. Поэтому процесс познания продолжается до того, пока мы не узнаем, что такое так называемые сильные взаимодействия – взаимодействия протонов, нуклонов и нейтронов в ядре.

Ну а если представлять ядро как каплю жидкости, то поскольку весь положительный заряд в ядре, то протоны отталкиваются друг от друга. А удерживает их поверхностное натяжение капли. Под поверхностным натяжением мы подразумеваем ядерные силы. Пока поверхностное натяжение больше, чем отталкивание, до тех пор существует ядро. Вокруг него строятся электроны, из атомов молекулы и т. д. Теперь представьте, что они – электромагнитные силы отталкивания и поверхностное натяжение – сравнялись. Тогда чуть тронь – все рассыплется. Ну а если мы придем к ситуации, когда силы отталкивания больше – никогда не склеите эту систему. Поэтому когда мы подходим к пределу, то это очень напоминает чаши весов. На обоих плечах два гиганта-тяжеловеса. На одной стороне силы сцепления – в энергетической шкале это примерно 2000 МэВ, на другой – силы отталкивания, тоже примерно 2000 МэВ. Весы уравновешены. Стоит маленькую гирьку к любой стороне добавить – ядро либо будет существовать, либо не будет. И тут начинается вся эта музыка относительно того, что на самом деле ядерные весы – это не капля. Поэтому любой отход от капли в ту или другую сторону ваши весы выведет из равновесия и соответственно отодвинет тот предел материального мира, о котором мы говорили.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.