Превращение элементов
Шрифт:
С химической точки зрения плутоний оказался интересным элементом, так как его соли в растворе изменяли окраску в зависимости от валентного состояния, как это бывает у марганца или хрома. Но ни с марганцем, ни с хромом его ничто не связывало, он был похож опять-таки на уран.
По сходству этих элементов с ураном их стали называть уранидами, но связь их между собой оставалась для учёных непонятной. И Сиборг предположил, что не уран, а актиний является родоначальником группы схожих элементов, подобно тому как это наблюдается у группы редкоземельных — лантаноидов. С принятием этой гипотезы всё становилось на место, и после ряда неудач открылась возможность синтезировать следующие элементы — 95-й и 96-й. Достигли этого сравнительно быстро. 95-й элемент
Словом, все эти новые элементы по названию составляют своеобразный параллельный ряд группе редкоземельных элементов. Даже между диспрозием и калифорнием в этом смысле есть та же параллель. Диспрозий значит труднодоступный, а калифорний — производное от штата Калифорния, крайнего Запада Америки, заселение которого было, как считается, очень трудным. Синтеза калифорния ждали целых пять лет по той причине, что слишком мало было исходного материала — элементов америция и кюрия. Открыли калифорний в 1950 г., а первое поддающееся взвешиванию количество (порядка трёх стотысячных миллиграмма) было получено лишь в 1958 г. Синтез дальнейших элементов таким образом упёрся в отсутствие исходных материалов. Однако пример плутония, который был получен в урановых реакторах в количествах, достаточных для того, чтобы совершить акт изуверства над населением города Нагасаки, наводил на мысль о том, что возможно для синтеза более тяжёлых элементов найдутся другие пути.
Под кодовым названием «Операция Майк» было проведено испытание термоядерного устройства в 1952 г.
В радиоактивное облако, взметнувшееся над океанским простором, были направлены беспилотные самолёты, управляемые по радио. В специальных бумажных фильтрах они доставили всё, что удалось собрать в атмосфере вблизи взрыва. Эта операция получила название «дорогостоящая грязь».
Разделение захваченного материала на ионообменной колонке сразу показало, что он содержит ещё неизвестные тяжёлые элементы. Выяснилось, что при многомиллионноградусной температуре, развивающейся в момент взрыва, ядро урана способно захватить до 17 нейтронов и увеличить свою массу до 255. Этот чрезвычайно тяжёлый изотоп немедленно распадается с образованием заурановых элементов от № 93 до № 100. Чтобы получить сколь-нибудь заметные количества 99-го и 100-го элементов, названных эйнштейнием и фермием, пришлось переработать тонны кораллов, собранных на месте взрыва.
Таково было первое знакомство с новыми элементами, а потом их научились получать в атомном реакторе. Для этого стали изготовлять образцы из плутониевого сплава в виде салфеточных колец и помещать в реактор, предварительно окружая их алюминиевыми чехлами (для постоянного охлаждения). Часть плутония поглощала нейтроны, превращаясь (после бета-излучения) в америций, который выбрасывал электрон и становился кюрием; кюрий в свою очередь поглощал нейтроны, после чего через бета-излучение становился эйнштейнием и т. д. Это принцип так называемой горячей лаборатории.
Массовое производство искусственных тяжёлых элементов началось с 1956 г.; облучение колец нейтронами велось в течение двух лет, и стоимость их была в тысячи раз выше, чем стоимость такого же количества золота.
Располагая опредёленным количеством эйнштейния, учёные могли уже задуматься и над способом получения (точнее, «сотворения») элемента № 101. В самой реакции его образования сложности не было: эйнштейний нужно было подвергнуть бомбардировке альфа-частицами. Трудность была в техническом исполнении эксперимента — в том, чтобы успеть уловить сигналы нового элемента, если он, конечно, синтезируется. Схема эксперимента рисовалась такой. В циклотрон нужно поставить в качестве мишени кусочек золотой фольги с нанесённым на задней поверхности тончайшим слоем эйнштейния. Позади мишени ещё один кусочек такой же фольги. Её назначение — быть сборником-ловушкой тех немногих атомов нового элемента, которые будут выбиты из мишени. Большой стеклянный бак на роликовых катках, заполненный водой, отделял
Чтобы во время операции не было никаких задержек, провели репетицию. И вот началась сама операция. Как только выключили установку, закончив облучение мишени, двое физиков немедленно откатили «водяную дверь» и ворвались в помещение. Один из них вынул из мишени держатель, второй снял ловушку, запихнул её в пробирку и помчался по коридорам и лестницам в комнату временной лаборатории. Там уже был наготове химик, сразу же приступивший к растворению золота в пробирке. Первый физик к тому времени уже сидел в готовой сорваться с места автомашине и, как только к нему подбежал второй с драгоценным раствором, помчался на холм, где была расположена за милю от циклотрона (ближе было нельзя из-за опасности искажения результатов испытания) радиационная лаборатория. Было высчитано, что период полураспада нового элемента всего лишь полчаса, за это время нужно было успеть зарегистрировать излучение элемента, которого, по всей вероятности, было всего лишь несколько атомов.
В радиационной лаборатории всё было наготове, раствор немедленно был пропущен через ионообменную колонку, отделявшую золото (как ненужный отброс!), затем через вторую — для задержания любых других элементов. Драгоценные капли раствора падали на платиновую пластинку и тут же высушивались с помощью нагревательной лампы. После всего этого пластинка с высохшими на ней каплями была помещена в радиационные счётчики. Удержать новый элемент не представлялось возможным, но при распаде его атомов регистрировались характерные импульсы.
Драматическим событием ознаменовалась одна из попыток синтезировать 102-й элемент. В Беркли у физиков вдруг вырвало окно в циклотроне, и в экспериментальную комнату полетели кусочки кюриевой мишени, испускающие опаснейшее для людей излучение. Лишь через три недели после интенсивнейшей и тщательной дезактивации здания появилась возможность возобновить работы. Взрыв в циклотроне случился уже после того, как объявлено было о создании 102-го; объявлено, но не общепризнано.
Трудности продвижения в заурановый мир всё возрастали. Главной была короткоживучесть создаваемых элементов и их исходных материалов. Становилось ясным, что прежний путь использования мишеней из элементов, ближайших по заряду ядра к тому элементу, какой намереваются получить, малоперспективен. Выход виделся единственный: обстреливать не короткоживущие элементы, а более стабильные, но не нейтронами или альфа-частицами, а снарядами более крупными — многозарядными ионами. Для такого решения задачи требовалось создание совершенно новых, значительно более мощных ускорителей.
Летом 1957 г. интернациональная группа учёных в Нобелевском физическом институте Стокгольма произвела обстрел ионами углерода-13 мишени из изотопов кюрия. Эксперимент был очень сложный, но, как казалось, удачный. В небе над зданием газеты «Нью-Йорк таймc» поздней ночью вспыхнули гигантские пляшущие буквы: «Открыт элемент 102! Он назван нобелием!»
Когда же эксперимент стокгольмской группы был повторен физиками Института атомной энергии имени Курчатова в Москве и радиационной лаборатории в Беркли, то выяснилось, что концы с концами не сходятся. Явно не совпадал и сильно различался период полураспада новообразованного элемента. Да и у стокгольмских физиков зарегистрированный полураспад составлял 10 минут, а по их же расчёту он не должен был превышать 10 секунд.
Взрыв циклотрона в Беркли уничтожил запас ценнейшего исходного материала для синтеза и нанёс сильнейший психологический удар исследователям. Лишь через несколько лет учёные в Беркли, разработав самые тщательные меры предосторожности, решились продолжать эксперименты. Препятствия возникали на каждом шагу. Учёные «прошли пока мимо» злополучного 102-го и сделали попытку синтезировать 103-й элемент.
Весной 1961 г. они обстреляли калифорний ионами бора и зарегистрировали рождение элемента, который нарекли лоуренсием. Он имел период полураспада всего 8 секунд.