Характеристика властивостей нобеля
Нобелій
У 1955 р. була заповнена 101-а клітина таблиці Менделєєва. Наступним, природно, повинен був стати синтез 102-го елементу.
У 1956 р. до цієї роботи майже одночасно приступили дослідники з Нобелівського інституту фізики в Стокгольмі (у групі працювали англійські, шведські й американські вчені) і з Інституту атомної енергії в Москві. Слідом за ними в роботу по синтезу 102-го елемента включилися вчені Радіаційної лабораторії Каліфорнійського університету (Берклі).
Не минуло й року, як в наукових журналах з'явилися статті, з яких випливало, що елемент № 102 синтезований.
Ці повідомлення підхопили газети, про новий елемент дізнався весь світ. Але ясності, необхідної для остаточного затвердження нового елемента в періодичній системі, не було ще довгі роки. Пояснюється це не тільки труднощами, зростаючими з кожним новим кроком у трансуранових область, але і в якійсь мірі поспішністю висновків.
У результаті для остаточної відповіді на питання: «Що ж таке елемент № 102?» - Знадобилося десять років. Десять років роботи дослідників різних лабораторій і різних країн.
Історично всі роботи по отриманню та дослідженню 102-го елемента можна розділити на два періоди: до першого належать роботи 1956 ... 1959 рр.., Виконані в лабораторіях Стокгольма, Москви і Берклі, до другого - роботи в Об'єднаному інституті ядерних досліджень в Дубні ( 1963 ... 1966 рр..).
Загальне, що об'єднує всі ці роботи, - метод синтезу. Отримати ізотопи 102-го елемента можна було тільки в ядерних реакціях за участю важких іонів, бомбардуючи такими іонами мішені з урану і деяких трансуранових елементів.
Різними шляхами
Взагалі кажучи, існує кілька способів отримання нових елементів. В одному з них використовується опромінення урану або плутонію потужними нейтронними потоками в стаціонарних або імпульсних (вибух ядерного пристрою) умовах. При цьому утворюються переобогащение нейтронами ізотопи, схильні до бета-розпаду. У результаті серії таких розпадів вони перетворюються в елементи з великими порядковими номерами. Інший метод заснований на опроміненні найближчих важких трансуранових мішеней зарядженими частинками. При обстрілі ядра протонами його заряд (а, отже, і номер елементу) може збільшитися на одиницю, при бомбардуванні прискореними альфа-частинками - на дві. Зокрема, цим методом був вперше отриманий Менделєвій. І нарешті, третій метод полягає у використанні не дуже важких мішеней (уран, плутоній, кюрій тощо) і важких бомбардують часток (іони азоту, вуглецю, неону й інших елементів аж до ксенону зараз і до урану в майбутньому). Реакції з участю важких іонів дозволяють збільшити заряд ядра на декілька одиниць. Для синтезу 102-го елемента перший і другий способи непридатні, єдино прийнятним був метод важких іонів. Ізотопи 102-го елемента можуть утворюватися в декількох реакціях, у таких, наприклад:
238 92 U + 22 жовтня Ne → 256 102 + 4 1 0 n,
241 94 Pu + 16 серпня O → 253 102 + 4 1 0 n,
243 95 Am + 15 липня N → 254 102 + 4 1 0 n,
246 96 U + 12 червня C → 254 102 + 4 1 0 n, і т.д.
Проведення подібних реакцій, уловлювання та реєстрація їх продуктів пов'язані з величезними експериментальними труднощами. Сили електростатичного відштовхування між ядрами змушують збільшувати енергію бомбардують часток до десятків мегаелектронвольт - інакше ядра не зможуть злитися. Освічені ядра виявляються дуже сильно «нагрітими» (енергія їхнього порушення досягає декількох десятків мегаелектронвольт) і прагнуть «охолонути», викидаючи різні частинки. Але новий елемент буде утворений лише в тому випадку, коли ядро викине тільки нейтрони. Якщо воно викине хоч один протон, новий елемент не вдасться зареєструвати ніякими способами: його просто не буде, адже номер елемента визначається числом протонів в ядрі. Цим пояснюються виняткові вимоги, що пред'являються і до мішені, і до пучкам важких іонів. Все це, звичайно, вкрай ускладнює експерименти, проте іншого шляху синтезу 102-го елемента у фізиків не було.
Два підходи до атома
Важко отримати атоми нових трансуранов, але коли маєш справу з елементами другої сотні, не легше буває довести, що тобі дійсно вдалося отримати їх ізотопи і які саме.
Очікувалося, що час життя ізотопів 102-го елемента буде дуже малим: у кращому випадку хвилини, частіше секунди і долі секунд. Тому дослідникам не доводилося розраховувати на традиційний метод хімічної ідентифікації цього елемента. Потрібні були нові методи - дуже швидкі (експресні, як кажуть дослідники), чутливі і точні. Мабуть - фізичні.
Якщо згадати, що елемент є сукупність атомів, що складаються з ядра та електронних оболонок, то легко зрозуміти різницю в хімічному і фізичному підходах до вивчення елемента. Хіміки вивчають електронні оболонки атома, його здатність віддавати або приєднувати електрони при взаємодії з іншими атомами. Вони встановлюють порядковий номер елемента і його місце в періодичній системі за особливостями будови зовнішньої частини атома. Фізики визначають те ж саме, але досліджують при цьому самі ядра і ідентифікують елемент по його ядерним властивостями.
Хімічні властивості актиноїдів (елементів № 90 ... 103) настільки близькі, що розрізнити їх можна тільки за допомогою дуже тонких аналітичних методів, порівняно повільних, що вимагають більшого часу, ніж періоди напіврозпаду елементів другої сотні.
Хімічні методи ідентифікації елементів були прийнятні при синтезі ізотопів, життя яких вимірювалася десятками хвилин і більше (а також 104-го і 105-го елементів, які за хімічними властивостями значно відрізняються від сусідніх). Але для 102-го і 103-го елементів розробка надійних «швидких» методів хімічної ідентифікації зажадала великих і тривалих зусиль.
Фізичні методи дозволяють встановити заряд ядра і масове число синтезованого ізотопу і вивчити його радіоактивні властивості. Вони засновані на швидкому уловлюванні ядер - продуктів реакції, на виносі їх із зони опромінення та перенесенні до детекторам випромінювання для реєстрації радіоактивного розпаду. Ці методи нерозривно пов'язані з аналізом закономірностей ядерних реакцій.
Наприклад, при певних значеннях енергії збудження з утворився ядра можуть «випаруватися» кілька нейтронів. Кожен нейтрон забирає частину енергії збудження - приблизно 10 ... 12 МеВ. Для «охолодження» і відносної стабілізації ядра зазвичай необхідний виліт 4 ... 5 нейтронів. Крива залежності виходу ядер нового ізотопу (або нового елементу) від енергії налітають іонів має вигляд колоколообразной кривої: її вершина відповідає енергії - найбільшого виходу ядер, а ширина «дзвони» на половині висоти складає 10 ... 12 МеВ. Ця крива називається кривою виходу; вивчення її форми дає достатньо підстав для розпізнання ізотопу. Для перевірки застосовують так звані перехресні опромінення, мета яких показати, що досліджуваний ізотоп з'являється тільки в одній певній комбінації мішень - частка, при певній енергії бомбардують іонів. Якщо ж умови досвіду змінюються (заміна мішені або частки, зміна енергії іонів), то цей ізотоп не повинен реєструватися.
Але тут важливо ще одна обставина: потрібно знати, якого виду радіоактивного розпаду схильні нові ядра. Фізик повинен передбачати, які продукти утворюються при радіоактивному розпаді нових ядер, і мати мужність вносити необхідні поправки в розрахунки і в експеримент, якщо «улов» виявиться не тим, що очікувалося.
Ізотопи 102-го елемента, які можуть утворитися в реакціях з важкими іонами, схильні до трьох видів радіоактивного розпаду. Це - альфа-розпад, спонтанне ділення і захоплення орбітальних електронів. Перший вид найбільш імовірний.
При альфа-розпаді ядро будь-якого ізотопу елемента № 102 перетворюється в ядро одного з ізотопів фермі (елемент № 100) і ядро гелію (альфа-частинку). Енергія альфа-частинок при цьому буде строго визначеною. Отже, зареєструвати шукане ядро можна двома способами: або виміром енергії утворилися альфа-частини (E б) і періоду напіврозпаду (T 1 / 2), або наглядом дочірніх продуктів розпаду - ядер атомів ферми. Однак у першому випадку істотною перешкодою визначення буде фон, обумовлений альфа-розпадом короткоживучих ізотопів інших елементів. При цьому утворюються альфа-частинки, енергія яких близька до енергії альфа-часток, що виникли при розпаді ядер 102-го елементу. Зокрема, «густий» фон з'являється, якщо в матеріалі мішені або інших деталей установки, що піддаються опроміненню, є домішки свинцю, вісмуту, ртуті. Імовірність фонових реакцій значно більше (іноді в мільйони разів) ймовірності реакції, що приводить до утворення 102-го елементу. Тому ретельне очищення речовини мішені від мікродомішок свинцю та прилеглих елементів і надчисті матеріали для виготовлення установки - обов'язкові умови чистого досвіду з синтезу 102-го елементу.
Перешкоди і труднощі неминучі і при визначенні дочірніх продуктів альфа-розпаду ядер 102-го елемента
На жаль, багато хто з перерахованих труднощів і серйозні вимоги до умов експерименту стали очевидними вже після того, як з'явилися перші повідомлення про відкриття 102-го елементу.
Перший етап
Перша стаття «Отримання нового елемента 102» була спрямована до редакції «Physical Review» у липні 1957 р. і опублікована у вересневому номері цього журналу. Об'єднана американо-англо-шведська група повідомляла про досліди з опромінювання мішені з суміші ізотопів кюрію (244 Cm - 95%, 245 Cm - 1% і 246 Cm - 4%) іонами вуглецю-12 і вуглецю-13, прискореними на циклотроні Нобелівського інституту фізики. Ядра - продукти реакції - вилітали з мішені, отримавши енергію налітав іона. Їх вловлювали на спеціальну фольгу-збірку, яку потім спалювали на платині. Радіоактивний залишок змивали з платини і піддавали хімічному аналізу методом іонного обміну. Після дванадцяти півгодинних опромінень у фракції, відповідної елементу № 102, було зареєстровано близько 20 альфа-часток з енергією 8,5 ± 0,1 МеВ. Період напіврозпаду становив приблизно 10 хвилин.
Багато що в цій статті викликало подив, і перш за все те, що автори не змогли точно вказати масове число ізотопу (воно визначається сумою протонів і нейтронів в ядрі). Пояснювалося це двома причинами. По-перше, не вдалося з'ясувати залежність виходу продукту від енергії іонів через невизначеність цієї характеристики потоку. Друга причина - досить складний ізотопний склад матеріалу мішені.
Сумнів в правильності висновків викликав і той факт, що ефект, приписаний елементу № 102, спостерігався лише на трьох з шести використаних мішеней, та й ці три мішені не давали ефекту після трьох тижнів роботи. Чому - незрозуміло. У чистому досвіді так бути не повинно.
Насторожувала і велика величина перерізу реакції (великий вихід нового випромінювача), оскільки пучки іонів були малопотужними (0,03 ... 0,1 мкА). Але особливо сумнівним було велике час життя ізотопу - період напіврозпаду близько 10 хвилин. Проте автори роботи заявили про відкриття елементу № 102 і запропонували назвати його Нобеля (символ No) на честь Альфреда Нобеля.
Не минуло й року, як американські вчені з Берклі опублікували статтю «Спроби підтвердити існування десятихвилинного ізотопу елемента 102», в якій повідомили про безуспішних пошуках долгоживущей активності із зазначеними в Стокгольмі властивостями. Ця робота була виконана дуже ретельно і більш точно, ніж у Швеції. Використовувалися кюріевие мішені того ж ізотопного складу, ті ж самі іони 12 З і 13 С, проте інтенсивність пучка була більша, а енергетичний спектр пучка був монохроматичним (тобто пучок складався з суворо однакових за енергією іонів).
Вихід всіх ізотопів більш легких елементів у цьому експерименті виявився набагато більше, ніж у стокгольмському, але активність, приписана елементу № 102, не спостерігалася ...
Приблизно в той же час, що і в Швеції, в Москві також були проведені досліди по синтезу короткоживучих ізотопів 102-го елементу. Для отримання нового елемента ізотопи плутонію 241 Pu і 239 Pu опромінювали іонами кисню-16 з енергією близько 100 МеВ. Вивчався альфа-розпад продуктів ядерних реакцій класичним методом ядерних фотоемульсій. У спектрі альфа-часток разом з групами, зумовленими розпадом відомих елементів, була відзначена група з енергією 8,9 ± 0,4 МеВ. Було показано, що період напіврозпаду цього ізотопу менше 40, але більше 2 секунд. На підставі теоретичних оцінок передбачалося, що найбільш імовірна реакція з «випаровуванням» чотирьох нейтронів:
241 94 Pu + 16 серпня O → 253 102 + 4 1 0 n.
Через кілька місяців в Берклі були поставлені досліди по синтезу ще одного ізотопу - 254 102. Американські фізики бомбардували мішені з кюрію-246 іонами вуглецю-12. Вони встановили, що період напіврозпаду ізотопу 254 102 близький до 3 секунд, а енергія альфа-часток дорівнює 8,3 МеВ. В опублікованій ними статті вказувалося також, що ядра ізотопу 254 102 відчувають спонтанне ділення приблизно в 30 випадках з 100.
Для ідентифікації 254 102 автори розробили оригінальний метод, яким доводилося, що дочірні ядра фермі-250 з добре відомими властивостями можуть з'являтися на вторинному збірнику ядер віддачі тільки в результаті альфа-розпаду ізотопу 254 102. А фермій-250 реєстрували хімічними методами.
Про синтезі ще одного ізотопу - 255 102 та ж група повідомила в 1961 р. Головні характеристики цього ізотопу: період напіврозпаду - 15 секунд, енергія альфа-часток - 8,2 МеВ.
На цьому по суті і закінчився перший етап історії 102-го елементу. Початком другого етапу став пуск великого циклотрону багатозарядних іонів у Дубні. Це сталося на початку 1961 р. Тоді ж була намічена програма отримання на цьому прискорювачі багатьох невідомих ізотопів трансуранових елементів починаючи від 99-го і далі. Але перш ніж приступити до нових синтезів, співробітники Об'єднаного інституту ядерних досліджень провели велику серію дослідів з вивчення закономірностей утворення трансуранових елементів у ядерних реакціях, створили експресні методи фізичної ідентифікації короткоживучих нових ізотопів, розробили детектори альфа-випромінювання з дуже гарними характеристиками. Ці роботи зайняли майже три роки.
Другий етап
У 1963 р. співробітникам Лабораторії ядерних реакцій вдалося синтезувати найбільш важкий у той час ізотоп 102-го елемента - 256 102. Його отримали в результаті бомбардування мішені з урану-238 іонами неону-22 з енергією 112 МеВ.
Були вивчені два види радіоактивного розпаду цього ізотопу - альфа-розпад і спонтанне ділення. Виявилося, що час життя ізотопу 256 102 становить близько 4 секунд, частка спонтанного поділу - всього 0,5%.
Результати цих експериментів сильно розходилися з теоретичними оцінками, заснованими на даних американських вчених про властивості ізотопу 254 102 (синтез 1958 р. в Берклі).
У зв'язку з цим було вирішено ще раз експериментально перевірити властивості ізотопів 254 102 і 256 102 двома методами. В одному з них властивості ізотопів визначали за характеристиками альфа-частинок, в іншому - по дочірніх ядер. Результати експериментів з ізотопом 256 102 виявилися такими ж, як раніше. Але в іншій серії дослідів експериментатори з подивом виявили, що ізотоп 254 102 володіє властивостями, що сильно відрізняються від зазначених каліфорнійської групою. З'ясувалося, що цей ізотоп живе не 3, а 65 секунд; енергія альфа-частинок, що утворюються при розпаді його ядер, становить не 8,3, а 8,11 МеВ, і нарешті, спонтанне ділення він відчуває не в 30% випадків, а приблизно в одному випадку з 1800. Але ж ці результати здавалися найбільш достовірними, самими безперечними.
Стало ясно, що необхідно повторити досліди по синтезу та вивченню властивостей інших ізотопів елемента № 102. Ці досліди і були поставлені в Дубні в 1965 ... 1966 рр..
Тут необхідно згадати про те, що за роки, що минули після перших робіт з синтезу елемента № 102, ядерна фізика пішла далеко вперед. Зокрема, набагато краще було вивчено закономірності ядерних реакцій з участю важких іонів. Та й техніка експерименту удосконалювалася всі ці роки. Тому тим, хто починав дослідження в 60-х роках, багато було і зрозуміліше, і доступніше, ніж учасникам робіт 1956 ... 1958 рр..
* У дужках вказані бомбардирующие іони і кількість нейтронів, що вилітають з складеного ядра. Такий запис ядерних реакцій прийнята у фізиці.
Порівняти дані, отримані в Дубні, з результатами перших синтезів ви можете, ознайомившись з наведеною тут таблицею. (Бажаючи підкреслити якусь важливу відмінність, іноді говорять, начебто за прикладом одеситів, «дві великі різниці». У нашій таблиці «великих різниць» вже не дві, а чотири). Порівняння даних показує, що практично у всіх ранніх роботах із синтезу і дослідженню нового елемента допущені більші чи менші помилки.
Група, яка працювала в Нобелівському інституті, вважала, що, швидше за все, нею було отримано ізотоп 253 102 (період напіврозпаду T 1 / 2 дорівнює приблизно 10 хвилинам і енергія альфа-часток E б близько 8,5 МеВ). Виявилося, що T 1 / 2 цього ізотопу складає всього 95 секунд, а E б - 8,01 МеВ. Тоді почали говорити про ізотопі 251 102. Але в 1967 р. в Дубні і Берклі змогли отримати і цей ізотоп. Період напіврозпаду його ядер виявився 0,8 ± 0,3 секунди, E б - 8,6 МеВ. Знову не сходилися кінці з кінцями ...
Московський синтез 1958 Ізотоп 253 102; T 1 / 2 = 2 ... 40 секунд, E б = 8,9 МеВ. Ці цифри теж відрізняються від результатів перевірочних експериментів. Правда, коли в 1966 р. в Дубні було отримано більш легкий ізотоп - 252 102, виявилося, що його характеристики (T 1 / 2 = 4,5 секунди, E б = 8,4 МеВ) близькі до зазначених в московській роботі. Цілком ймовірно, що в 1958 р. в Інституті атомної енергії були дійсно отримані перші атоми елемента № 102, але рівень техніки того часу не дозволив точно визначити масове число і енергію альфа-розпаду ізотопу.
Про різницю в характеристиках каліфорнійського ізотопу 254 102 розповідалося вище.
У 1961 р. в Берклі був отриманий ізотоп 255 102, і цей експеримент був відтворений у Дубні. І тут з'ясувалася різниця у характеристиках. За американськими даними, період напіврозпаду ядер 255 102 склав приблизно 15 секунд, а E б = 8,2 МеВ. У Дубні були отримані зовсім інші цифри: T 1 / 2 = 3 хвилини, E б = 8,09 МеВ.
П'ятий ізотоп - 256 102 був вперше отриманий у Дубні.
Природно, може виникнути питання: наскільки точні нові дані? Відповідь: радянські вчені не абсолютизує свої результати, не видають їх за істину в останній інстанції. Але достовірність цих результатів, безперечно, набагато більше, ніж результатів перших робіт. Великий Дубненський циклотрон дає значно потужніші і монохроматичні (що складаються з однакових іонів) пучки, ніж прискорювачі, які мали учасники ранніх робіт. До початку нових синтезів в реакторах були накопичені достатні кількості ізотопоп плутонію і америцію, необхідних для виготовлення високоякісних мішеней. Прецизійні детектори альфа-випромінювання та експресні методи фізичної ідентифікації ізотопів, якими ми мали, були розроблені вже після закінчення ранніх робіт. Все це дозволило робити висновки на підставі спостереження вже не десятків, а сотень і тисяч атомів.
Нарешті, учасники дубненського роботи краще знали закономірності утворення нових ядер в реакціях з важкими іонами, ніж вчені, що ставили свої досліди в кінці 50-х років. Для ядерної фізики п'ять - сім років - термін чималий.
Про результати робіт з синтезу і дослідженню в Дубні п'яти ізотопів елемента № 102 вперше було повідомлено на Міжнародній конференції з фізики важких іонів у жовтні 1966 р. А вже в грудні з Америки прийшли перші повідомлення про точному відтворенні цих результатів.
Пізніше (в 1967 ... 1970 рр.). В США, в лабораторіях Берклі і Ок-Ріджа, були отримані ще три ізотопи елемента № 102 з масовими числами 257, 258 і 259. Останній ізотоп виявився не тільки самим важким, але і самим довгоживучим: його період напіврозпаду 1,5 ± 0,5 години.
Коротко про хімію елемента № 102
Перші досліди з хімії цього елемента були зроблені в Дубні в 1967 р. Методом фронтальної хроматографії визначалися властивості сполуки елемента № 102 з хлором. Використовували ту ж установку, що і для перших дослідів з хімії 104-го елемента (вона детально описана в статті «курчатовий»). Про властивості хлориду (або хлоридів) 102-го елемента судили за розподілом до хроматографічної колонці фермі-252 - дочірнього продукту ізотопу 256 102.
Досліди показали, що елемент № 102 утворює нелетких хлорид. Його фронт рухався по колонці дуже повільно, подібно фронту ферми, кюрію та інших типових представників сімейства актиноїдів. У тих же дослідах, перших дослідах з хімії 102-го елемента, було встановлено, що ступінь окислення цього елемента хлором не вище III.
Пізніше досліди з хімії 102-го елемента проводилися і в Каліфорнійському університеті. Тут працювали з порівняно довгоживучим ізотопом 255 102. Американські хіміки встановили, що у водних розчинах найбільш стійко валентний стан 2 + і що окиснення до стану вище 3 + вкрай складно, а може бути, і неможливо взагалі.
Ось, мабуть, і все, що відомо зараз про хімію елемента № 102. Тому ядерно-фізичні характеристики його ізотопів залишаються головними «показниками» при синтезі та дослідженні цього елемента.
Той факт, що у всіх ранніх роботах по 102-му елементу були допущені неточності і помилки, тепер абсолютно безперечний, і є всі підстави вважати елемент № 102 відкриттям вчених соціалістичних країн, які працюють в Об'єднаному інституті ядерних досліджень. Їм і належить право дати ім'я цьому елементу. Від Нобель, як жартують фізики, залишився тільки символ, a No по-англійськи означає «ні» ...
Елемент № 102 повинен бути перейменований - така загальна думка учасників робіт з синтезу і дослідженню цього елемента, проведених у Дубні. Вони пропонують назвати елемент № 102 на честь Фредеріка Жоліо-Кюрі - видатного вченого, який відкрив штучну радіоактивність, і борця за мир.
Нобелій
| 102 | |
| No | 2 9 31 32 18 8 2 |
| НОБЕЛЬ | |
| [259] | |
| 5f 14 7s 2 | |
У 1956 р. до цієї роботи майже одночасно приступили дослідники з Нобелівського інституту фізики в Стокгольмі (у групі працювали англійські, шведські й американські вчені) і з Інституту атомної енергії в Москві. Слідом за ними в роботу по синтезу 102-го елемента включилися вчені Радіаційної лабораторії Каліфорнійського університету (Берклі).
Не минуло й року, як в наукових журналах з'явилися статті, з яких випливало, що елемент № 102 синтезований.
Ці повідомлення підхопили газети, про новий елемент дізнався весь світ. Але ясності, необхідної для остаточного затвердження нового елемента в періодичній системі, не було ще довгі роки. Пояснюється це не тільки труднощами, зростаючими з кожним новим кроком у трансуранових область, але і в якійсь мірі поспішністю висновків.
У результаті для остаточної відповіді на питання: «Що ж таке елемент № 102?» - Знадобилося десять років. Десять років роботи дослідників різних лабораторій і різних країн.
Історично всі роботи по отриманню та дослідженню 102-го елемента можна розділити на два періоди: до першого належать роботи 1956 ... 1959 рр.., Виконані в лабораторіях Стокгольма, Москви і Берклі, до другого - роботи в Об'єднаному інституті ядерних досліджень в Дубні ( 1963 ... 1966 рр..).
Загальне, що об'єднує всі ці роботи, - метод синтезу. Отримати ізотопи 102-го елемента можна було тільки в ядерних реакціях за участю важких іонів, бомбардуючи такими іонами мішені з урану і деяких трансуранових елементів.
Різними шляхами
Взагалі кажучи, існує кілька способів отримання нових елементів. В одному з них використовується опромінення урану або плутонію потужними нейтронними потоками в стаціонарних або імпульсних (вибух ядерного пристрою) умовах. При цьому утворюються переобогащение нейтронами ізотопи, схильні до бета-розпаду. У результаті серії таких розпадів вони перетворюються в елементи з великими порядковими номерами. Інший метод заснований на опроміненні найближчих важких трансуранових мішеней зарядженими частинками. При обстрілі ядра протонами його заряд (а, отже, і номер елементу) може збільшитися на одиницю, при бомбардуванні прискореними альфа-частинками - на дві. Зокрема, цим методом був вперше отриманий Менделєвій. І нарешті, третій метод полягає у використанні не дуже важких мішеней (уран, плутоній, кюрій тощо) і важких бомбардують часток (іони азоту, вуглецю, неону й інших елементів аж до ксенону зараз і до урану в майбутньому). Реакції з участю важких іонів дозволяють збільшити заряд ядра на декілька одиниць. Для синтезу 102-го елемента перший і другий способи непридатні, єдино прийнятним був метод важких іонів. Ізотопи 102-го елемента можуть утворюватися в декількох реакціях, у таких, наприклад:
238 92 U + 22 жовтня Ne → 256 102 + 4 1 0 n,
241 94 Pu + 16 серпня O → 253 102 + 4 1 0 n,
243 95 Am + 15 липня N → 254 102 + 4 1 0 n,
246 96 U + 12 червня C → 254 102 + 4 1 0 n, і т.д.
Проведення подібних реакцій, уловлювання та реєстрація їх продуктів пов'язані з величезними експериментальними труднощами. Сили електростатичного відштовхування між ядрами змушують збільшувати енергію бомбардують часток до десятків мегаелектронвольт - інакше ядра не зможуть злитися. Освічені ядра виявляються дуже сильно «нагрітими» (енергія їхнього порушення досягає декількох десятків мегаелектронвольт) і прагнуть «охолонути», викидаючи різні частинки. Але новий елемент буде утворений лише в тому випадку, коли ядро викине тільки нейтрони. Якщо воно викине хоч один протон, новий елемент не вдасться зареєструвати ніякими способами: його просто не буде, адже номер елемента визначається числом протонів в ядрі. Цим пояснюються виняткові вимоги, що пред'являються і до мішені, і до пучкам важких іонів. Все це, звичайно, вкрай ускладнює експерименти, проте іншого шляху синтезу 102-го елемента у фізиків не було.
Два підходи до атома
Важко отримати атоми нових трансуранов, але коли маєш справу з елементами другої сотні, не легше буває довести, що тобі дійсно вдалося отримати їх ізотопи і які саме.
Очікувалося, що час життя ізотопів 102-го елемента буде дуже малим: у кращому випадку хвилини, частіше секунди і долі секунд. Тому дослідникам не доводилося розраховувати на традиційний метод хімічної ідентифікації цього елемента. Потрібні були нові методи - дуже швидкі (експресні, як кажуть дослідники), чутливі і точні. Мабуть - фізичні.
Якщо згадати, що елемент є сукупність атомів, що складаються з ядра та електронних оболонок, то легко зрозуміти різницю в хімічному і фізичному підходах до вивчення елемента. Хіміки вивчають електронні оболонки атома, його здатність віддавати або приєднувати електрони при взаємодії з іншими атомами. Вони встановлюють порядковий номер елемента і його місце в періодичній системі за особливостями будови зовнішньої частини атома. Фізики визначають те ж саме, але досліджують при цьому самі ядра і ідентифікують елемент по його ядерним властивостями.
Хімічні властивості актиноїдів (елементів № 90 ... 103) настільки близькі, що розрізнити їх можна тільки за допомогою дуже тонких аналітичних методів, порівняно повільних, що вимагають більшого часу, ніж періоди напіврозпаду елементів другої сотні.
Хімічні методи ідентифікації елементів були прийнятні при синтезі ізотопів, життя яких вимірювалася десятками хвилин і більше (а також 104-го і 105-го елементів, які за хімічними властивостями значно відрізняються від сусідніх). Але для 102-го і 103-го елементів розробка надійних «швидких» методів хімічної ідентифікації зажадала великих і тривалих зусиль.
Фізичні методи дозволяють встановити заряд ядра і масове число синтезованого ізотопу і вивчити його радіоактивні властивості. Вони засновані на швидкому уловлюванні ядер - продуктів реакції, на виносі їх із зони опромінення та перенесенні до детекторам випромінювання для реєстрації радіоактивного розпаду. Ці методи нерозривно пов'язані з аналізом закономірностей ядерних реакцій.
Наприклад, при певних значеннях енергії збудження з утворився ядра можуть «випаруватися» кілька нейтронів. Кожен нейтрон забирає частину енергії збудження - приблизно 10 ... 12 МеВ. Для «охолодження» і відносної стабілізації ядра зазвичай необхідний виліт 4 ... 5 нейтронів. Крива залежності виходу ядер нового ізотопу (або нового елементу) від енергії налітають іонів має вигляд колоколообразной кривої: її вершина відповідає енергії - найбільшого виходу ядер, а ширина «дзвони» на половині висоти складає 10 ... 12 МеВ. Ця крива називається кривою виходу; вивчення її форми дає достатньо підстав для розпізнання ізотопу. Для перевірки застосовують так звані перехресні опромінення, мета яких показати, що досліджуваний ізотоп з'являється тільки в одній певній комбінації мішень - частка, при певній енергії бомбардують іонів. Якщо ж умови досвіду змінюються (заміна мішені або частки, зміна енергії іонів), то цей ізотоп не повинен реєструватися.
Але тут важливо ще одна обставина: потрібно знати, якого виду радіоактивного розпаду схильні нові ядра. Фізик повинен передбачати, які продукти утворюються при радіоактивному розпаді нових ядер, і мати мужність вносити необхідні поправки в розрахунки і в експеримент, якщо «улов» виявиться не тим, що очікувалося.
Ізотопи 102-го елемента, які можуть утворитися в реакціях з важкими іонами, схильні до трьох видів радіоактивного розпаду. Це - альфа-розпад, спонтанне ділення і захоплення орбітальних електронів. Перший вид найбільш імовірний.
При альфа-розпаді ядро будь-якого ізотопу елемента № 102 перетворюється в ядро одного з ізотопів фермі (елемент № 100) і ядро гелію (альфа-частинку). Енергія альфа-частинок при цьому буде строго визначеною. Отже, зареєструвати шукане ядро можна двома способами: або виміром енергії утворилися альфа-частини (E б) і періоду напіврозпаду (T 1 / 2), або наглядом дочірніх продуктів розпаду - ядер атомів ферми. Однак у першому випадку істотною перешкодою визначення буде фон, обумовлений альфа-розпадом короткоживучих ізотопів інших елементів. При цьому утворюються альфа-частинки, енергія яких близька до енергії альфа-часток, що виникли при розпаді ядер 102-го елементу. Зокрема, «густий» фон з'являється, якщо в матеріалі мішені або інших деталей установки, що піддаються опроміненню, є домішки свинцю, вісмуту, ртуті. Імовірність фонових реакцій значно більше (іноді в мільйони разів) ймовірності реакції, що приводить до утворення 102-го елементу. Тому ретельне очищення речовини мішені від мікродомішок свинцю та прилеглих елементів і надчисті матеріали для виготовлення установки - обов'язкові умови чистого досвіду з синтезу 102-го елементу.
Перешкоди і труднощі неминучі і при визначенні дочірніх продуктів альфа-розпаду ядер 102-го елемента
На жаль, багато хто з перерахованих труднощів і серйозні вимоги до умов експерименту стали очевидними вже після того, як з'явилися перші повідомлення про відкриття 102-го елементу.
Перший етап
Перша стаття «Отримання нового елемента 102» була спрямована до редакції «Physical Review» у липні 1957 р. і опублікована у вересневому номері цього журналу. Об'єднана американо-англо-шведська група повідомляла про досліди з опромінювання мішені з суміші ізотопів кюрію (244 Cm - 95%, 245 Cm - 1% і 246 Cm - 4%) іонами вуглецю-12 і вуглецю-13, прискореними на циклотроні Нобелівського інституту фізики. Ядра - продукти реакції - вилітали з мішені, отримавши енергію налітав іона. Їх вловлювали на спеціальну фольгу-збірку, яку потім спалювали на платині. Радіоактивний залишок змивали з платини і піддавали хімічному аналізу методом іонного обміну. Після дванадцяти півгодинних опромінень у фракції, відповідної елементу № 102, було зареєстровано близько 20 альфа-часток з енергією 8,5 ± 0,1 МеВ. Період напіврозпаду становив приблизно 10 хвилин.
Багато що в цій статті викликало подив, і перш за все те, що автори не змогли точно вказати масове число ізотопу (воно визначається сумою протонів і нейтронів в ядрі). Пояснювалося це двома причинами. По-перше, не вдалося з'ясувати залежність виходу продукту від енергії іонів через невизначеність цієї характеристики потоку. Друга причина - досить складний ізотопний склад матеріалу мішені.
Сумнів в правильності висновків викликав і той факт, що ефект, приписаний елементу № 102, спостерігався лише на трьох з шести використаних мішеней, та й ці три мішені не давали ефекту після трьох тижнів роботи. Чому - незрозуміло. У чистому досвіді так бути не повинно.
Насторожувала і велика величина перерізу реакції (великий вихід нового випромінювача), оскільки пучки іонів були малопотужними (0,03 ... 0,1 мкА). Але особливо сумнівним було велике час життя ізотопу - період напіврозпаду близько 10 хвилин. Проте автори роботи заявили про відкриття елементу № 102 і запропонували назвати його Нобеля (символ No) на честь Альфреда Нобеля.
Не минуло й року, як американські вчені з Берклі опублікували статтю «Спроби підтвердити існування десятихвилинного ізотопу елемента 102», в якій повідомили про безуспішних пошуках долгоживущей активності із зазначеними в Стокгольмі властивостями. Ця робота була виконана дуже ретельно і більш точно, ніж у Швеції. Використовувалися кюріевие мішені того ж ізотопного складу, ті ж самі іони 12 З і 13 С, проте інтенсивність пучка була більша, а енергетичний спектр пучка був монохроматичним (тобто пучок складався з суворо однакових за енергією іонів).
Вихід всіх ізотопів більш легких елементів у цьому експерименті виявився набагато більше, ніж у стокгольмському, але активність, приписана елементу № 102, не спостерігалася ...
Приблизно в той же час, що і в Швеції, в Москві також були проведені досліди по синтезу короткоживучих ізотопів 102-го елементу. Для отримання нового елемента ізотопи плутонію 241 Pu і 239 Pu опромінювали іонами кисню-16 з енергією близько 100 МеВ. Вивчався альфа-розпад продуктів ядерних реакцій класичним методом ядерних фотоемульсій. У спектрі альфа-часток разом з групами, зумовленими розпадом відомих елементів, була відзначена група з енергією 8,9 ± 0,4 МеВ. Було показано, що період напіврозпаду цього ізотопу менше 40, але більше 2 секунд. На підставі теоретичних оцінок передбачалося, що найбільш імовірна реакція з «випаровуванням» чотирьох нейтронів:
241 94 Pu + 16 серпня O → 253 102 + 4 1 0 n.
Через кілька місяців в Берклі були поставлені досліди по синтезу ще одного ізотопу - 254 102. Американські фізики бомбардували мішені з кюрію-246 іонами вуглецю-12. Вони встановили, що період напіврозпаду ізотопу 254 102 близький до 3 секунд, а енергія альфа-часток дорівнює 8,3 МеВ. В опублікованій ними статті вказувалося також, що ядра ізотопу 254 102 відчувають спонтанне ділення приблизно в 30 випадках з 100.
Для ідентифікації 254 102 автори розробили оригінальний метод, яким доводилося, що дочірні ядра фермі-250 з добре відомими властивостями можуть з'являтися на вторинному збірнику ядер віддачі тільки в результаті альфа-розпаду ізотопу 254 102. А фермій-250 реєстрували хімічними методами.
Про синтезі ще одного ізотопу - 255 102 та ж група повідомила в 1961 р. Головні характеристики цього ізотопу: період напіврозпаду - 15 секунд, енергія альфа-часток - 8,2 МеВ.
На цьому по суті і закінчився перший етап історії 102-го елементу. Початком другого етапу став пуск великого циклотрону багатозарядних іонів у Дубні. Це сталося на початку 1961 р. Тоді ж була намічена програма отримання на цьому прискорювачі багатьох невідомих ізотопів трансуранових елементів починаючи від 99-го і далі. Але перш ніж приступити до нових синтезів, співробітники Об'єднаного інституту ядерних досліджень провели велику серію дослідів з вивчення закономірностей утворення трансуранових елементів у ядерних реакціях, створили експресні методи фізичної ідентифікації короткоживучих нових ізотопів, розробили детектори альфа-випромінювання з дуже гарними характеристиками. Ці роботи зайняли майже три роки.
Другий етап
У 1963 р. співробітникам Лабораторії ядерних реакцій вдалося синтезувати найбільш важкий у той час ізотоп 102-го елемента - 256 102. Його отримали в результаті бомбардування мішені з урану-238 іонами неону-22 з енергією 112 МеВ.
Були вивчені два види радіоактивного розпаду цього ізотопу - альфа-розпад і спонтанне ділення. Виявилося, що час життя ізотопу 256 102 становить близько 4 секунд, частка спонтанного поділу - всього 0,5%.
Результати цих експериментів сильно розходилися з теоретичними оцінками, заснованими на даних американських вчених про властивості ізотопу 254 102 (синтез 1958 р. в Берклі).
У зв'язку з цим було вирішено ще раз експериментально перевірити властивості ізотопів 254 102 і 256 102 двома методами. В одному з них властивості ізотопів визначали за характеристиками альфа-частинок, в іншому - по дочірніх ядер. Результати експериментів з ізотопом 256 102 виявилися такими ж, як раніше. Але в іншій серії дослідів експериментатори з подивом виявили, що ізотоп 254 102 володіє властивостями, що сильно відрізняються від зазначених каліфорнійської групою. З'ясувалося, що цей ізотоп живе не 3, а 65 секунд; енергія альфа-частинок, що утворюються при розпаді його ядер, становить не 8,3, а 8,11 МеВ, і нарешті, спонтанне ділення він відчуває не в 30% випадків, а приблизно в одному випадку з 1800. Але ж ці результати здавалися найбільш достовірними, самими безперечними.
Стало ясно, що необхідно повторити досліди по синтезу та вивченню властивостей інших ізотопів елемента № 102. Ці досліди і були поставлені в Дубні в 1965 ... 1966 рр..
Тут необхідно згадати про те, що за роки, що минули після перших робіт з синтезу елемента № 102, ядерна фізика пішла далеко вперед. Зокрема, набагато краще було вивчено закономірності ядерних реакцій з участю важких іонів. Та й техніка експерименту удосконалювалася всі ці роки. Тому тим, хто починав дослідження в 60-х роках, багато було і зрозуміліше, і доступніше, ніж учасникам робіт 1956 ... 1958 рр..
| Масове число ізотопу | Реакція синтезу | Період напів-розпаду, сек. | Енергія б-частинок, МеВ | Частка спонтанного поділу по відношенню до б-розпаду | Місце і рік відкриття |
| 251 | 239 Pu (16 O, 4n) * 244 Cm (12 C, 5n) | 0,5 ... 1,0 0,8 ± 0,3 | 8,6 8,6 | Дубна, 1967 Берклі, 1967 | |
| 252 | 239 Pu (18 O, 5n) | 4,5 ± 1,5 | 8,41 | Дубна, 1966 | |
| 253 | 242 Pu (16 O, 5n) 239 Pu (18 O, 4n) | 95 ± 10 | 8,01 | Дубна, 1966 | |
| 254 | 243 Am (15 N, 4n) 242 Pu (16 O, 4n) 238 U (22 Ne, 6n) | 65 ± 10 | 8,11 | 1 / 1800 | Дубна, 1963 ... 1966 |
| 255 | 238 U (22 Ne, 5n) 242 Pu (18 O, 5n) | 180 ± 10 | 8,09 | Дубна, 1966 | |
| 256 | 238 U (22 Ne, 4n) 242 Pu (18 O, 4n) | 3,7 ± 0,5 | 8,42 | 1 / 200 | Дубна, 1963 |
| 257 | 248 Cm (13 C, 4n) 248 Cm (12 C, 3n) | 23 ± 2 | 8,23 (50%) 8,27 (50%) | Берклі, 1967 | |
| 258 | 248 Cm (13 C, 3n) | 1,2 · 10 -3 | - | 100% | Берклі, 1968 |
| 259 | 248 Cm (18 O, б, 3n) | 1,5 ± 0,5 години | 7,5 | 20% | Ок-Рідж, 1970 |
Порівняти дані, отримані в Дубні, з результатами перших синтезів ви можете, ознайомившись з наведеною тут таблицею. (Бажаючи підкреслити якусь важливу відмінність, іноді говорять, начебто за прикладом одеситів, «дві великі різниці». У нашій таблиці «великих різниць» вже не дві, а чотири). Порівняння даних показує, що практично у всіх ранніх роботах із синтезу і дослідженню нового елемента допущені більші чи менші помилки.
Група, яка працювала в Нобелівському інституті, вважала, що, швидше за все, нею було отримано ізотоп 253 102 (період напіврозпаду T 1 / 2 дорівнює приблизно 10 хвилинам і енергія альфа-часток E б близько 8,5 МеВ). Виявилося, що T 1 / 2 цього ізотопу складає всього 95 секунд, а E б - 8,01 МеВ. Тоді почали говорити про ізотопі 251 102. Але в 1967 р. в Дубні і Берклі змогли отримати і цей ізотоп. Період напіврозпаду його ядер виявився 0,8 ± 0,3 секунди, E б - 8,6 МеВ. Знову не сходилися кінці з кінцями ...
Московський синтез 1958 Ізотоп 253 102; T 1 / 2 = 2 ... 40 секунд, E б = 8,9 МеВ. Ці цифри теж відрізняються від результатів перевірочних експериментів. Правда, коли в 1966 р. в Дубні було отримано більш легкий ізотоп - 252 102, виявилося, що його характеристики (T 1 / 2 = 4,5 секунди, E б = 8,4 МеВ) близькі до зазначених в московській роботі. Цілком ймовірно, що в 1958 р. в Інституті атомної енергії були дійсно отримані перші атоми елемента № 102, але рівень техніки того часу не дозволив точно визначити масове число і енергію альфа-розпаду ізотопу.
Про різницю в характеристиках каліфорнійського ізотопу 254 102 розповідалося вище.
У 1961 р. в Берклі був отриманий ізотоп 255 102, і цей експеримент був відтворений у Дубні. І тут з'ясувалася різниця у характеристиках. За американськими даними, період напіврозпаду ядер 255 102 склав приблизно 15 секунд, а E б = 8,2 МеВ. У Дубні були отримані зовсім інші цифри: T 1 / 2 = 3 хвилини, E б = 8,09 МеВ.
П'ятий ізотоп - 256 102 був вперше отриманий у Дубні.
Природно, може виникнути питання: наскільки точні нові дані? Відповідь: радянські вчені не абсолютизує свої результати, не видають їх за істину в останній інстанції. Але достовірність цих результатів, безперечно, набагато більше, ніж результатів перших робіт. Великий Дубненський циклотрон дає значно потужніші і монохроматичні (що складаються з однакових іонів) пучки, ніж прискорювачі, які мали учасники ранніх робіт. До початку нових синтезів в реакторах були накопичені достатні кількості ізотопоп плутонію і америцію, необхідних для виготовлення високоякісних мішеней. Прецизійні детектори альфа-випромінювання та експресні методи фізичної ідентифікації ізотопів, якими ми мали, були розроблені вже після закінчення ранніх робіт. Все це дозволило робити висновки на підставі спостереження вже не десятків, а сотень і тисяч атомів.
Нарешті, учасники дубненського роботи краще знали закономірності утворення нових ядер в реакціях з важкими іонами, ніж вчені, що ставили свої досліди в кінці 50-х років. Для ядерної фізики п'ять - сім років - термін чималий.
Про результати робіт з синтезу і дослідженню в Дубні п'яти ізотопів елемента № 102 вперше було повідомлено на Міжнародній конференції з фізики важких іонів у жовтні 1966 р. А вже в грудні з Америки прийшли перші повідомлення про точному відтворенні цих результатів.
Пізніше (в 1967 ... 1970 рр.). В США, в лабораторіях Берклі і Ок-Ріджа, були отримані ще три ізотопи елемента № 102 з масовими числами 257, 258 і 259. Останній ізотоп виявився не тільки самим важким, але і самим довгоживучим: його період напіврозпаду 1,5 ± 0,5 години.
Коротко про хімію елемента № 102
Перші досліди з хімії цього елемента були зроблені в Дубні в 1967 р. Методом фронтальної хроматографії визначалися властивості сполуки елемента № 102 з хлором. Використовували ту ж установку, що і для перших дослідів з хімії 104-го елемента (вона детально описана в статті «курчатовий»). Про властивості хлориду (або хлоридів) 102-го елемента судили за розподілом до хроматографічної колонці фермі-252 - дочірнього продукту ізотопу 256 102.
Досліди показали, що елемент № 102 утворює нелетких хлорид. Його фронт рухався по колонці дуже повільно, подібно фронту ферми, кюрію та інших типових представників сімейства актиноїдів. У тих же дослідах, перших дослідах з хімії 102-го елемента, було встановлено, що ступінь окислення цього елемента хлором не вище III.
Пізніше досліди з хімії 102-го елемента проводилися і в Каліфорнійському університеті. Тут працювали з порівняно довгоживучим ізотопом 255 102. Американські хіміки встановили, що у водних розчинах найбільш стійко валентний стан 2 + і що окиснення до стану вище 3 + вкрай складно, а може бути, і неможливо взагалі.
Ось, мабуть, і все, що відомо зараз про хімію елемента № 102. Тому ядерно-фізичні характеристики його ізотопів залишаються головними «показниками» при синтезі та дослідженні цього елемента.
Той факт, що у всіх ранніх роботах по 102-му елементу були допущені неточності і помилки, тепер абсолютно безперечний, і є всі підстави вважати елемент № 102 відкриттям вчених соціалістичних країн, які працюють в Об'єднаному інституті ядерних досліджень. Їм і належить право дати ім'я цьому елементу. Від Нобель, як жартують фізики, залишився тільки символ, a No по-англійськи означає «ні» ...
Елемент № 102 повинен бути перейменований - така загальна думка учасників робіт з синтезу і дослідженню цього елемента, проведених у Дубні. Вони пропонують назвати елемент № 102 на честь Фредеріка Жоліо-Кюрі - видатного вченого, який відкрив штучну радіоактивність, і борця за мир.