Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Вселенная своими руками: люди как боги

03.04.2015 Наука и жизнь

Подземный туннель для ядерных отходов
Слева — пример урановой смолки, справа — друза кристаллов желтого отунита

Самый тяжелый из природных химических элементов — уран — был открыт во второй половине 80-ых годов восемнадцатого века. Германский ученый Мартин Клапрот под впечатлением достижений астрономии назвал найденный им элемент в честь открытой незадолго до этого планеты Нашей системы — Урана. Потом уран разместился в клетке с номером 92 таблицы Менделеева и довольно продолжительное время замыкал перечень химических элементов, пока в середине прошлого века человек не обучился приобретать расположенные за ураном в Периодической таблице элементы — трансураны — неестественным методом.

Отсутствие таких элементов в природе связано с высокой скоростью их радиоактивного распада. Самые долгоживущие из трансуранов имеют период полураспада пара десятков миллионов лет, а возраст Почвы исчисляется миллиардами. Так что в случае если такие элементы и появились при происхождении Нашей системы, то за время существования отечественной планеты они или полностью провалились сквозь землю, либо их количество уменьшилось в триллионы раз.Вселенная своими руками: люди как боги

Все, что удалось до тех пор пока отыскать в природных минералах, — это микроколичества плутония и следы плутония и нептуния, неизменно образующихся в урановых рудах.

Около урана

История рукотворных элементов начинается в 30-х годах прошлого века. Практически сразу после открытия нейтрона было найдено, что, облучая этими нейтральными частицами различные вещества, возможно взять другие, следующие по номеру элементы таблицы Менделеева. Появился закономерный вопрос: а что случится, в случае если облучить нейтронами самый тяжелый элемент — уран?

Известный итальянский физик Энрико Ферми высказал предположение, что в следствии должно показаться новое, дотоле малоизвестное вещество, еще тяжелее урана.

Весной 1934 года Ферми и его сотрудники в Римском университете, бомбардируя нейтронами торий и уран, взяли сложную смесь радиоактивных веществ и по окончании ее изучения заключили, что в ней присутствуют новые элементы с ядерными номерами 93 и 94. Их назвали аусонием и эсперием.

Научное сообщество отнеслось к этому открытию с недоверием, а позже и вовсе утратило к нему интерес, потому, что скоро в опытах с ураном был обнаружен второй, значительно более ответственный эффект: во второй половине 30-ых годов двадцатого века пришло сообщение о наблюдении «взрывного расщепления ядер урана под действием нейтронов», и начались работы по освоению ядерной энергии. На это направление были брошены все главные научные силы, и экспериментальные, и теоретические.

Один из физиков, трудившихся в Калифорнийском университете, Эдвин Макмиллан, решил измерить, как глубоко продукты деления урана смогут попадать в различные материалы. Узкий слой оксида урана, нанесенный на страницу фильтровальной бумаги, облучался нейтронами. За ним размешалась ловушка для продуктов деления — стопка листков алюминиевой фольги, которую позже заменили слои папиросной бумаги, а после этого и целлофана.

Измеряя радиоактивность каждого отдельного слоя по окончании облучения, возможно было выяснить, как на большом растоянии пробрались радиоактивные продукты деления урана. Для листков ловушки итог оказался в полной мере предсказуемый, но сама урановая мишень вела себя необычно. В ней показался не наблюдавшийся ни при каких обстоятельствах ранее источник радиоактивности с периодом полураспада 2,3 дня. Что это за вещество, Макмиллан постарался узнать у химиков.

Их вердикт был таков: вероятнее, это новый изотоп одного из редкоземельных металлов, каковые присутствуют среди продуктов деления урана. Казалось, вопрос был закрыт.

Но, вопреки заключению химиков, Макмиллан возвратился к этим изучениям в начале 1940 года, еще не предполагая, что десять лет спустя данный ход по иронии судьбы принесет ему Нобелевскую премию как раз по химии! «Тут мне было нужно мало заняться химией, — говорил он в собственной нобелевской лекции, — но что бы ни думал по этому поводу Нобелевский комитет, я все-таки не химик». А будучи настоящим физиком, Макмиллан просто не мог согласиться с явным несоответствием: в случае если найденный им источник радиоактивности — один из продуктов деления урана, то из-за чего он, в отличие от вторых, не пролетает дальше, в слои ловушки?

На помощь Макмиллану пришел Филип Эйблсон, что приехал в то время в Беркли на маленькие каникулы и также интересовался данной проблемой. Они взяли на себя смелость предположить нетрадиционное химическое поведение нового вещества и в итоге добились собственного — выделили элемент 93, о чем и показалось сообщение в одном из ведущих научных изданий Physical Review. Так заново, но уже точно, был, наконец, открыт первый трансурановый элемент, что по предложению Макмиллана стал называться в честь следующей за Ураном планеты — нептуний.

От плутония до калифорния

В ноябре 1940 года Макмиллан покинул Беркли, передав эстафету по синтезу новых элементов химикам. Возглавил группу исследователей Гленн Сиборг. Подвергнув уран бомбардировке дейтронами, они уже через месяц, в декабре 1940-го, взяли следующий элемент 94 и, следуя астрономической традиции, назвали его плутонием.

Первый из синтезированных изотопов плутония — 238Pu — не очень-то интересовал создателей ядерной бомбы, в качестве ядерного топлива он был негоден. Но в первой половине 40-ых годов двадцатого века удалось взять второй изотоп 239Pu, а он уже по своим особенностям в полной мере имел возможность соперничать с 235U. В наши дни, как мы знаем, главной начинкой для ядерных арсеналов помогает как раз 239Pu, накапливаемый в ядерных реакторах из самого распространенного природного изотопа 238U.

Маленький шарик плутония, диаметром чуть больше 4 см, уже имеет взрывоопасную критическую массу. Перечень планет на этом был исчерпан, а история трансурановых элементов лишь начиналась. Стратегия их синтеза казалась очевидной: облучать нейтронами уже не уран, а накопленный плутоний — и окажется следующий элемент. Но если бы все было так легко! Месяцы шел опыт, а результатов не было.

Решили вместо нейтронов применять альфа-частицы, и тогда удалось, наконец, синтезировать сперва элемент 96, а позже и 95. Но химической идентификации снова открытые элементы никак не поддавались. Они не проявляли ожидаемых химических особенностей, характерных для соответствующих групп Периодической таблицы. Через полгода мучений сотрудника нарекли их между собой «бред» и «ад».

Дело сдвинулось с мертвой точки благодаря превосходной предположению Сиборга о том, что эти элементы относятся к новому радиоактивному семейству Периодической совокупности — семейству актиноидов. Все они владеют схожими химическими особенностями и находятся как бы в одной клетке таблицы Менделеева (Ac). За собственную актиноидную вклад и теорию в синтез трансурановых элементов Гленн Сиборг и взял в первой половине 50-ых годов XX века Нобелевскую премию по химии в один момент с Эдвином Макмилланом.

Для изучения новых элементов, взявших, в итоге, заглавия кюрий и америций, пригодилась не только актиноидная теория, но и новое направление — ультрамикрохимия, дабы идентифицировать приобретаемые маленькие количества новых веществ: первый препарат чистого америция весил всего 20 микрограммов! Через пять лет, в то время, когда было накоплено достаточное для мишени количество америция, пришла очередь следующего элемента — за номером 97. Назвали его берклием в честь города, где все эти долгие годы велись изучения трансуранов, и вдобавок через год на том же циклотроне в Беркли взяли калифорний, лишь мишень уже была сделана из кюрия.

В центре ядерного взрыва

Следующая страница истории получения трансуранов в полной мере оправдывает поговорку, что нет худа без хороша. В ноябре 1952 года на островке в Тихом океане было взорвано первое термоядерное устройство. На протяжении взрыва входивший в его состав уран подвергся такому интенсивному облучению нейтронами, какого именно достигнуть в простых условиях нереально, и это был шанс отыскать новые изотопы трансуранов.

В декабре 1952 года Сиборг и его коллеги, разбирая образцы земель из района взрыва и рассчитывая отыскать новые изотопы уже известного элемента калифорния, нежданно нашли пара сотен более тяжелых атомов. Это был элемент 99, потом названный эйнштейнием. И вдобавок месяц спустя изучение следов термоядерного взрыва помогло заполнить сотую клетку таблицы Менделеева — в ней разместился фермий.

Время не ожидает

Двигаться дальше становилось все тяжелее. Кроме того, что количества были мизерными, изотопы новых элементов к тому же так скоро распадались, что не хватало времени на их изучение. Пример эйнштейния-253, с которым было нужно трудиться химикам, весил всего 0,01 микрограмма (!), а период полураспада этого изотопа составлял 20 дней. Первый синтезированный изотоп калифорния 245Cf имел период полураспада 44 60 секунд.

Это значит, что добрая половина из нескольких тысяч взятых атомов исчезала уже через 44 60 секунд по окончании собственного появления! Для их идентификации требовалась изобретательность и необычайное экспериментальное мастерство. Однако ученым из Беркли удалось изготовить из эйнштейния мишень, облучить ее ядрами гелия и положить начало новой сотне химических элементов. Это случилось в 1955 году.

Элемент 101, менделевий, производился практически по атому. Изучить полученный изотоп менделевия-256 нужно было весьма скоро, по причине того, что период его полураспада составлял около полутора часов. К тому времени стало ясно, что ветхие способы себя исчерпали и для синтеза следующих элементов необходимо бомбардировать мишень более тяжелыми ядрами — азотом, углеродом, кислородом, дабы «загнать» в том направлении сходу большое количество нейтронов и протонов.

Требовались новые ускорители, замечательные источники ионов, новая методика опыта. В конце 50-х годов у Национальной лаборатории в Беркли показался, наконец, соратник и достойный соперник в один момент — Лаборатория ядерных реакций Объединенного университета ядерных изучений в Дубне под управлением Г. Н. Флерова. Способ бомбардировки тяжелыми ионами разрешил Флерову и его сотрудникам в первый раз синтезировать многие изотопы сверхтяжелых элементов второй много.

В признание заслуг этого научного центра элемент 105, открытый тут в первой половине 70-ых годов XX века, стал называться дубний. В 70-е годы к двум фаворитам присоединился еще один научный коллектив — Общество по изучению тяжелых ионов в Дармштадте, Германия. Любой новый элемент с номером, громадным 100, представляет собой «штучный товар», существующий к тому же всего 60 секунд, секунды, в противном случае и меньше.

Самый долгоживущий из известных изотопов элемента 103 имеет период полураспада 3 60 секунд, а элемента 106 — 40 секунд. Времена судьбы изотопов элементов 110 и 112, открытых в 1994 и 1995 году в Дармштадте, исчислялись долями миллисекунд (!). Похоже, сбывалось предсказание Гленна Сиборга, что еще в первой половине 60-ых годов двадцатого века, в то время, когда шли работы по синтезу 102 и 103 элементов, написал в одной из собственных статей: «Ожидаемые времена судьбы так скоро уменьшаются с повышением ядерного номера, что очевидно будет нереально синтезировать и найти элементы с номерами выше приблизительно 110, а изучение их химических особенностей может оказаться неосуществимым задолго до этого ядерного номера».

На пути к стабильности

Но пессимистические прогнозы известного экспериментатора не смутили теоретиков, и в 60-е годы ими была выдвинута догадка об «острове стабильности». В соответствии с данной догадке среди сверхтяжелых изотопов должны существовать ядра с таким соотношением нейтронов и протонов, которое разрешит им «жить» достаточно продолжительно. Первый предлог для оптимизма показался во второй половине 90-ых годов двадцатого века, в то время, когда в лаборатории им. Г.Н.

Флерова в Дубне в сотрудничестве с учеными из Ливерморской национальной лаборатории США удалось синтезировать изотоп элемента 114, бомбардируя плутоний ионами 48Ca. Основной итог пребывал в том, что нуклид 287114 имел период полураспада, измеряемый секундами, а появившиеся в следствии его альфа-распада новые изотопы элементов 110 и 112 «жили» 60 секунд (в миллион раз продолжительнее тех, что были в первый раз зарегистрированы в Дармштадте!).

Обстоятельство успеха была в удачно подобранной ядерной реакции, которая разрешала «впихнуть» в ядро на шесть нейтронов больше, чем прежде. В будущем году, заменив плутониевую мишень мишенью из кюрия, в том месте же в Дубне замечали образование элемента 116. Очередной этап наступил в 2003 году.

Сейчас применяли мишень из америция-243 и зарегистрировали цепочку альфа-распадов, начинавшуюся с изотопа 288115. Изотоп, пребывающий на финише данной цепочки (символично, но это был как раз дубний), прожил целых 20 часов! Похоже, «остров стабильности» вправду существует и уже просматривается на горизонте. Пара очередных сверхтяжелых ядер — это очень важный для фундаментальной науки, но пока очень далекий от практической судьбы итог.

Но отыщем в памяти, что еще в первой половине 30-ых годов XX века технические энциклопедии писали: «Элементарный уран использования на практике не имеет». В наши дни обширно употребляется не только уран, но и кое-какие трансурановые элементы. К счастью, это не только оружейный плутоний-239.

Батарейки на базе радиоактивного, но надёжного плутония-238 очень эргономичны в том месте, где нужен долговременный и надежный источник энергии, к примеру в кардиостимуляторах. Америций-241 как источник мягких гамма-лучей используется в целях медицинской диагностики и в устройствах для контроля за толщиной металлической листового стекла и ленты. На базе кюрия-242 делают генераторы для питания бортовой аппаратуры космических станций, а калифорний-252 применяют в нейтронной радиографии как очень замечательный источник нейтронов.

До тех пор пока еще не придуман метод получения предсказанного теоретиками стабильного «волшебного» ядра 298114. Недостает как минимум полдюжины нейтронов. Но в случае если удастся синтезировать вправду стабильный сверхтяжелый элемент, это будет не просто научное открытие, а путь к новым фантастическим технологиям и техническим достижениям.

Рецепт изготовление элемента №114 от Ливерморской национальной лаборатории

Время изготовление: Пара сотен дней.

Ингредиенты:

• 2 грамма 48Ca (редкий изотоп кальция с солидным числом нейтронов, его процентное содержание в природе — 0,187 процентов, цена 1 грамма — 250 тыс. долларов).

• 30 миллиграммов 244Pu (самый богатый нейтронами долгоживущий изотоп плутония с периодом полураспада 8*107 лет, во всех лабораториях мира накоплено около трех граммов этого вещества).

• Циклотрон У-400 в Объединенном университете ядерных изучений (ОИЯИ) в Дубне для ускорения ионов Ca до 0,1 от скорости света.

• Особый электромагнитный сепаратор с газовым наполнением, созданный в ОИЯИ, для удаления ненужных продуктов реакции.

• Позиционно-чувствительные детекторы для регистрации распадов продуктов реакции.

• Один компьютер для сбора данных и один для их анализа (SUN 450E).

• Многочисленный коллектив русских технических экспертов для обслуживания ускорителя.

• 19 российских ученых.

• 5 американских ученых.

Руководства: соедините первые семь ингредиентов, додавая приблизительно по 0,3 миллиграмма 48Ca в час, с громадным числом терпения, кусочком вдохновения и щепоткой удачи и варите шесть месяцев (24 часа в день 7 дней в неделю). Применяйте последние два ингредиента для анализа 7 гигабайт информации в отыскивании следов распада элемента 114. Приправьте все это несколькими статьями с описанием результатов.

Итог: деликатесное блюдо! Один атом 289114 (с временем судьбы 30 секунд!) и два атома 288114 (с периодом полураспада 2 секунды!).

изотопы и Строение атомов

По современным представлениям окружающее нас вещество, да и мы сами, складывается из молекул, молекулы — из атомов, а атомы — из окружающих и ядер их электронов. Ядра атомов, со своей стороны, складываются из нейтронов и протонов — частиц, имеющих приблизительно однообразную массу, но отличающихся зарядом. Заряд протона равен заряду электрона, лишь со знаком плюс, а нейтрон — нейтральная частица, за что он и был назван.

В самом несложном атоме водорода всего один протон, а около него вращается один электрон. Имеется и другие элементы с одним протоном в ядре — это тритий и дейтерий. Но в ядре дейтерия две частицы, нейтрон и протон, а в ядре трития целых три — два нейтрона и протон. В следствии дейтерий практически вдвое, а тритий — втрое тяжелее простого водорода. Любой элемент таблицы Менделеева характеризуется строго определенным числом протонов, но может иметь различное число нейтронов в ядре.

Такие разновидности элементов именуются изотопами. К примеру, главный видящийся в природе изотоп углерода обозначается 12С, в его ядре 6 нейтронов и 6 протонов. А радиоактивный изотоп 14С, что применяют для радиоуглеродной датировки, содержит 6 нейтронов и 8 протонов.

Химические особенности изотопов одного элемента фактически однообразны.

Многие ядра с избытком либо недочётом нейтронов оказываются нестабильными и норовят превратиться в стабильные элементы методом радиоактивного распада либо спонтанного деления. Самыми стабильными являются так именуемые «волшебные ядра»: гелий (2 протона + 2 нейтрона), кислород (8 + 8), кальций (20 + 20). Для стабильности более тяжелых элементов часть нейтронов должна быть повыше. Исходя из этого следующее весьма устойчивое «волшебное» ядро свинца содержит 82 нейтронов и 126 протона.

А предсказанный стабильный трансурановый элемент обязан содержать 114 нейтрона и 184 протонов.

Радиоактивный распад

Имеется два типа радиоактивного распада. Бета-распад, в то время, когда нейтрон в ядре распадается на протон, электрон и нейтрино. Две последние частицы улетают, а в ядре остается дополнительный протон — и получается следующий элемент Периодической совокупности.

Второй радиоактивный распад с испусканием альфа-частиц (ядер гелия) сдвигает элемент, напротив, на две клетки назад в таблице Менделеева и есть необычным «отпечатком пальцев» радиоактивного элемента, потому, что любой изотоп испускает альфа-частицы в полной мере определенной, лишь ему характерной энергии. Зарегистрировав эти частицы и измерив их энергию, возможно совершенно верно сообщить, какой изотоп какого именно химического элемента их испустил. А вдруг подобные альфа-частицы ранее нигде не виделись — значит, взят новый изотоп.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№24, октябрь 2004).

Случайные записи:

5 Самых Уникальных Доказательств Существования Инопланетян


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,