«МЫСЛИ В СЛУХ»

НАУЧНЫЙ РОМАН НА ОСНОВЕ НАУЧНОЙ ТЕОРИИ
МИРОЗДАНИЯ, НЕЙТРОННОЙ ФИЗИКИ И НЕЙТРОННОЙ ХИМИИ

Валерий Фёдорович Андрус

"Наша задача развить средства получения энергии из запасов, которые вечны и неисчерпаемы, развить методы, которые не используют потребление и расход каких бы то ни было "материальных" носителей. Сейчас мы совершенно уверены, что реализация этой идеи не за горами. : возможности развития этой концепции заключаются именно в том, что бы использовать для работы двигателей в любой точке планеты чистую энергию окружающего пространства..."

(Тесла, 1897)

Оставьте комментарий

Для начала скачайте таблицу превращений химических элементов

и

Ознакомьтесь с основными понятиями нейтронной физики

ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ
СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОЗИЦИИ НЕЙТРОННОЙ ФИЗИКИ

Мы говорили об искусственном синтезе элементов и отмечали, что это не элементы, а молекулы и даже сплавы. На первый взгляд может показаться, что это гипотеза и дело обстоит как–то иначе. Чтобы поставить окончательную точку над "i" в этих рассуждениях, перейдем к ядерной химии.

“...Предметом ядерной химии являются реакции, в которых происходит превращение элементов, т.е. изменение ядер их атомов.

Самопроизвольный распад радиоактивных атомов, рассмотренный выше (мы к нему вернемся), представляет собой ядерную реакцию, в которой исходным является одно ядро. Известны и другие реакции, в которых с ядром реагирует протон р, дейтрон (ядро атома дейтерия 1 2 H) d, альфа – частица α, нейтрон n или фотон γ (обычно гамма – лучи). Удалось вызвать атомные превращения и под действием быстрых электронов. Вместо α–частиц (ядер 4 Не) иногда используют ядра более легкого изотопа гелия 3 Не. В последнее время все шире применяют для бомбардировки атомных ядер ускоренные ядра более тяжелых элементов вплоть до неона.

Первой ядерной реакцией, осуществленной в лаборатории, была реакция (Резерфорд, 1919).

В этой реакции ядро азота реагирует с ядром гелия, обладающим значительной кинетической энергией. В результате соударения образуются два новых ядра: Кислород 17 О и Водорода 1 Н. Ядро 17 О стабильно, так что данная реакция не приводит к возникновению искусственной радиоактивности. В большинстве же ядерных реакций образуются нестабильные изотопы, которые затем серией радиоактивных превращений переходят в стабильные...”

Для удобства и контрастности, разобьем материал на небольшие кусочки с пояснениями.

Ядер у нас нет, но есть шестиконечный еж Азота (14 N), который бомбардируется ежом Гелия (4 Не) состоящим из атома Водорода и шести пятерок нейтронов по “плоскостям” кубика.

Рассматривая конечный результат реакции, можно смело утверждать следующее:

Еж Азота с шестью иголками присоединил на каждую иголку по одной пятерке с относительной массой 0,5, в результате чего получили ежа с относительной массой 17 – Кислород. Мы знаем, каждый новый слой пятерок это новый элемент.

Мог ли еж Азота получить все шесть пятерок в результате разрушения одного ежа Гелия? Конечно, не мог. Для получения одного ежа Кислорода понадобилось разрушить множество ежей Гелия, создавая нейтронный поток, подобный гравитационному, с той же схемой роста ежа. Этот поток мог и не совпадать с гравитационным. В результате разрушения Гелия оставались целыми и некоторые кубики Водорода. Излишние нейтроны – это или свободные тепловые носители или излучение. Результат реакции – это желаемое уравнение, не соответствующее действительности, так как не учтены избыточные нейтроны потока. Надеюсь, Вы помните, что нейтрон по НФ в 9 раз меньше по массе, чем тот, с которым идет сравнение в реакциях. Продолжим.

“...Согласно Реми, ядерные реакции можно классифицировать по аналогии с обычными химическими реакциями.

В большинстве искусственных ядерных превращений происходят так называемые реакции вытеснения или замещения. Например:

При написании ядерных реакций, используют чаще сокращенную запись, при которой бомбардирующая и выбиваемая частицы отделяются запятой и заключаются в скобки, перед которыми записывается символ исходного, а после – образующегося атома. Например, вышеприведенная реакция, которую впервые осуществил Резерфорд, может быть записана так: 14 N(б ,p) 17 O.

В такой записи приведем еще примеры ядерных реакций замещения, происходящих при бомбардировке ускоренными частицами алюминия:

17AL(d,α) 25 Mg, 27 AL(d,p) 28 AL, 27 AL(d,n) 28 Si, 27 AL(p,α) 24 Mg, 27 AL(n,p) 27 Mg...”

В этом отрывке идет речь о реакциях замещения. С позиции модели ежа здесь нет никаких реакций замещения. При бомбардировках ежа идет или абсолютно нормальный его рост, такой же, как в природе, или потеря некоторых пятерок в иголках. Владея изложенным материалом книги, можно написать полные ряды таких реакций без единого пропуска, и все они или уже получены, или их можно получить со 100% вероятностью.

“...В результате реакции присоединения бомбардирующая частиц захватывается ядром, которое, в свою очередь, не испускает никакой другой частицы, а освобождающаяся при этом энергия выделяется в виде γ–излучения, например:

27\AL(n,γ) 28 AL, 7 Li(p,γ) 8 Be...”

Это все тот же процесс нормального роста ежа, в результате которого некоторые нейтроны разрушились на осколки γ– излучение.

“...Ядерные реакции диссоциации (как и реакции термической диссоциации молекул) вызываются кинетической энергией сталкивающихся частиц. Например: 79 Вr(n,2n) 78 Вr, 2 Н(б ,n и б ) 1 Н, 2 Н(г, n) 1 H.

Последняя реакция является фотохимической реакцией, т.е. вызванной действием электромагнитного излучения, ядерной диссоциации.

В настоящее время известен целый ряд обратимых реакций:

Все реакции – это нейтронное взаимодействие ежа объекта – мишени, который находится в искусственном потоке или осколков нейтронов (γ), или нейтронов или других ежей, с бомбардирующим объектом. Если поток готовых нейтронов достаточно плотный, то он будет образовывать пятерки, и еж будет расти.

Если поток нейтронов рассеянный или его нужно получить, сначала разрушив бомбардирующего ежа, то еж–мишень теряет свои пятерки.

Реакция диссоциации – это промежуточное состояние потока между плотным и рассеянным.

О реакциях искусственного синтеза и деления мы уже говорили, но, как говорят американцы, мое слово против вашего может ничего не значить и тогда каждый останется при своем мнении. Однако реакция деления, которая сейчас будет приведена, фундаментально докажет, что взгляды НФ правильные.

Рассмотрим одну из реакций деления Урана–235, применяемую в ядерной энергетике, вследствие поглощения нейтрона.

110 54 Хе – β -110 55 Cs – β- 110 56 Ва – β–110 57 Za – β–110 58 Се стабильное ядро

235 92 U + 1 0 n → 5 1 0 n

91 36 Кг – β–91 37 Rb – β–91 38 Sr – β–91 39 – β–91 40 Zr стабильное ядро

Данная реакция – это символ торжества НФ. Как ранее утверждалось, что в результате синтеза получаются не элементы, а молекулы, так и Уран – 235 в результате деления показал, что он сплав Се и Zг. Даже теоретически нельзя получить из одного ежа делением двух ежей. Далее идут обычные превращения в нейтронном потоке по НФ (β–излучение).

Это самый яркий пример, который показывает, что различать элемент и молекулу, а тем более сплавы, мы пока не научились. Отсюда и таблица элементов, особенно после Технеция, является таблицей молекул (сплавов)!

Что за молекула U=ХеКг? Почему она обладает такой устойчивостью? Можно ли получить Уран из других составляющих элементов?

Начнем с последнего вопроса. Если Уран рассматривать как сумму относительных масс, то, естественно, его можно получить из многих вариантов слагаемых. Однако для нас они будут все на одно лицо, так как мы их не различаем. Когда с ним производят всевозможные исследования, то он всегда будет на кого–нибудь похож, более нам понятного, как нам кажется. Уран имеет серый металлический цвет, который подсказывает, что иголки его элементов имеют множество противоположно закрученных пятерок и разных ежей с различной закруткой нейтронов. Плотность Урана близка к предельной – 19,04 г/см З – это признак “воздушных структур”. Теплота плавления Урана + 1130°С, а Ксенона – 111,5°С и Криптона – 156,6°С. Молекула из двух элементов Хе и Кг в принципе не может иметь tпл. + 1130°С и тем более создать “воздушную структуру”.

Теперь внимательно посмотрим на конечные продукты реакции Се и Zr.

Церий имеет серебристо белый цвет, tпл. = 804°С, g = 6,77 г/смЗ.

Цирконий – серебристо белый цвет, tпл. = 1852°С, g = 6,52 г/смЗ

Чтобы получить характеристики Урана молекула должна состоять из Церия и Циркония, причем соединение иголок должно создавать не кубическую решетку, а ромбическую. Тогда появится сероватый цвет, увеличится “воздушность решетки” и плотностей tпл. приблизится к средней величине. Закрутка нейтронов Циркония уменьшится, а Церия увеличится. По данной реакции можно записать

U = Се Zr 4 – исходный продукт (сплав Се 20 Zr 80)

Уран получен в результате осадочных связей с узлами соединения в четыре иголки только с правильным ромбическим построением.

Подведем итоги:

Реакция синтеза – это соединение двух и более элементов в молекулу в скоротечном процессе, заменяющем медленный осадочный процесс в природе, с частичным их разрушением.

Реакция деления – это скоротечный разрыв молекулы на два и более элементов с частичным их разрушением. Количество конечных элементов равно количеству исходных в молекуле.

Как видим, с таблицей элементов придется еще помучиться.

Вернемся к ядерной реакции

Здесь Углерод получен в результате атаки α–пакетами Бора. Бор также сидит в клетке Бериллий–жидкость и имеет по три пятерки в иголках. Они оба находятся явно не на своем месте. Смотрим в таблицу Д.И. Менделеева и видим плотность в диапазоне 1,5÷2,5 г/см 3 у 11 элементов (Ве, В, С, Мg, Si, P, S, Cl, Ar, Ca, Cs).

Цезий (Сs) – 55 элемент с длиной иголок согласно относительной массы равной 44 пятеркам при плотности g = 1,959 г/см 3 . По нейтронной логике он должен стоять перед Бором и Углеродом и иметь длину иголок в две пятерки и быть невесомым в земной атмосфере, а этого на практике нет у всех трех элементов.

По анализу карбидов, который не будет приводиться, Углерод находится между Цирконием (Zr) и Ниобием (Nb). Последний (Nb) по таблице превращений садится в последнюю клетку Циркония (Zr).

Длина иголок Углерода должна быть в районе 30 пятерок. Только в этом случае алмаз может получить каналы, пробитые веревками Света как лазерным лучом с толщиной последних до 30 нитей в одной веревке.

Первый способ получения небольших алмазов, пригодных для бриллиантов состоит в следующем:

В сосуд с водой засыпается мелкодисперсный порошок графита, которому дают спокойно осесть.

После того, как весь порошок лег на дно, воду убирают наиболее спокойным образом.

Спрессованную плитку необходимо нагреть ТВЧ (токами высокой частоты) в сжатом состоянии до максимальной температуры, желательно до 3000 о С и выдержать.

Горячую плитку разместить под лазером, который должен провести свой луч построчно, наподобие кадровой развертки в телевизоре.

Замедленный и мягкий процесс позволит получить кристаллы толщиной с плитку. При этом можно контролировать и прозрачность, повторяя проход лазерного луча.

Для получения больших и очень больших алмазов весь процесс на финише необходимо провести еще медленнее. Четыре первых технологических пункта повторяем. Форма графита должна соответствовать форме будущего алмаза.

Горячий графит помещаем в камеру глубокой заморозки в регулируемый механизм встряхивания и резко снижаем температуру в камере до величины близкой к –260 о С. Достигая тем самым ударного теплового потока из центра заготовки к поверхности, который мягко разрушит часть соединений. После полного охлаждения производим мягкие встряхивания до получения полной прозрачности заготовки. В результате встряхивания наименьшие колебания будет получать структура алмаза, которая полностью связана между собой. Не связанный по вертикали графит будет иметь свободную раскачку, что приведет к обламыванию иголок и открытию каналов для веревок Света.

Если спросить ученых, какие из открытий XX в. важнейшие, то едва ли кто-нибудь забудет назвать искусственный синтез химических элементов. За короткий срок - менее 40 лет- список известных химических элементов увеличился на 18 названий. И все 18 были синтезированы, приготовлены искусственным путем.

Слово "синтез" обычно обозначает процесс получения из простого сложного. Например, взаимодействие серы с кислородом есть химический синтез двуокиси серы SO 2 из элементов.

Синтез элементов молено понимать таким лее образом: искусственное получение из элемента с меньшим зарядом ядра, меньшим порядковым номером элемента с большим порядковым номером. А сам процесс получения называется ядерной реакцией. Ее уравнение записывается так же, как и уравнение обыкновенной химической реакции. В левой части реагирующие вещества, в правой - получающиеся продукты. Реагирующие вещества в ядерной реакции - это мишень и бомбардирующая частица.

Мишенью может служить любой элемент периодической системы (в свободном виде или в виде химического соединения).

Роль бомбардирующих частиц играют α-частицы, нейтроны, протоны, дейтроны (ядра тяжелого изотопа водорода), а также так называемые многозарядные тяжелые ионы различных элементов - бора, углерода, азота, кислорода, неона, аргона и других элементов периодической системы.

Чтобы произошла ядерная реакция, необходимо столкновение бомбардирующей частицы с ядром атома мишени. Если частица обладает достаточно большой энергией, то она может настолько глубоко проникнуть к ядру, что сольется с ним. Так как все перечисленные выше частицы, кроме нейтрона, несут положительные заряды, то, сливаясь с ядром, они увеличивают его заряд. А изменение значения Z и означает превращение элементов: синтез элемента с новым значением заряда ядра.

Чтобы найти способ ускорять бомбардирующие частицы, придавать им большую энергию, достаточную для их слияния с ядрами, изобрели и сконструировали специальный ускоритель частиц- циклотрон. Затем построили специальную фабрику новых элементов - ядерный реактор. Его прямое назначение- вырабатывать ядерную энергию. Но поскольку в нем всегда существуют интенсивные потоки нейтронов, то их легко использовать для целей искусственного синтеза. Нейтрон не имеет заряда, и потому его не надо (да и невозможно) ускорять. Напротив, медленные нейтроны оказываются более полезными, чем быстрые.

Химикам пришлось изрядно поломать голову и проявить подлинные чудеса изобретательности, чтобы разработать способы отделения ничтожных количеств новых элементов от вещества мишени. Научиться изучать свойства новых элементов, когда в наличии были считанные количества их атомов...

Трудами сотен и тысяч ученых в периодической системе было заполнено восемнадцать новых клеток.

Четыре - в ее старых границах: между водородом и ураном.

Четырнадцать - за ураном.

Вот как все это происходило...

Технеций, прометий, астат, франций... Четыре места в периодической системе долго оставались пустыми. Это были клетки № 43, 61, 85 и 87. Из четырех элементов, которые должны были занять эти места, три предсказаны Менделеевым: экамарганец - 43, экаиод - 85 и экацезий - 87. Четвертый - № 61 - должен был принадлежать к редкоземельным элементам.

Эти четыре элемента были неуловимы. Усилия ученых, направленные на их поиски в природе, оставались безуспешными. С помощью периодического закона давно уже были заполнены все остальные места в таблице Менделеева - от водорода до урана.

Не один раз в научных журналах появлялись сообщения об открытии этих четырех элементов. Экамарганец "открывали" в Японии, где ему дали имя "ниппоний", в Германии назвали "мазурий". Элемент № 61 "открывали" в разных странах по крайней мере трижды, он получал имена "иллиний", "Флоренции", "цикл оний". Экаиод находили в природе также неоднократно. Ему давали имена "алабамий", "гельвеций". Экацезий, в свою очередь, получал названия "Виргинии", "Молдавии". Некоторые из этих названий попадали в различные справочники и даже проникали в школьные учебники. Но все эти открытия не подтверждались: каждый раз точная проверка показывала, что допущена ошибка, и случайные ничтожные примеси были приняты за новый элемент.

Долгие и трудные поиски привели наконец к открытию в природе одного из неуловимых элементов. Оказалось, что экацезий, который должен занимать в периодической таблице 87-е место, возникает в цепочке распада природного радиоактивного изотопа урана-235. Это короткоживущий радиоактивный элемент.

Элемент № 87 заслуживает того, чтобы о нем рассказать подробнее.

Теперь в любой энциклопедии, в любом учебнике по химии читаем: франций (порядковый № 87) открыт в 1939 г. французским ученым Маргаритой Перей. Кстати сказать, это третий случай, когда честь открытия нового элемента принадлежит женщине (раньше Мария Кюри открыла полоний и радий, Ида Ноддак - рений).

Как Перей все лее удалось поймать неуловимый элемент? Вернемся на много лет назад. В 1914 г. три австрийских радиохимика - С. Мейер, В. Гесс и Ф. Панет - занялись изучением радиоактивного распада изотопа актиния с массовым числом 227. Было известно, что он входит в семейство актиноурана и испускает β-частицы; следовательно, продукт его распада торий. Однако у ученых мелькали смутные подозрения, что актиний-227 в редких случаях испускает и α-частицы. Иными словами, здесь наблюдается один из примеров радиоактивной вилки. Легко сообразить: в ходе такого превращения должен образовываться изотоп элемента № 87. Мейер и его коллеги действительно наблюдали α-частицы. Требовались дальнейшие исследования, но они были прерваны первой мировой войной.

Маргарита Перей шла по тому же пути. Но в ее распоряжении были более чувствительные приборы, новые, усовершенствованные методы анализа. Поэтому-то ей и сопутствовал успех.

Франций относят к числу искусственно синтезированных элементов. Но все-таки сначала элемент был обнаружен в природе. Это изотоп франций-223. Его период полураспада составляет всего 22 минуты. Становится понятным, почему франция так мало на Земле. Во-первых, из-за своей недолговечности он не успевает концентрироваться в сколь-либо заметных количествах, во-вторых, сам процесс его образования отличается невысокой вероятностью: всего 1,2% ядер актиния-227 распадается с испусканием α-частиц.

В связи с этим франций выгоднее приготовлять искусственным путем. Уже получено 20 изотопов франция, и самый долгоживущий из них - франций-223. Работая с совершенно ничтожными количествами солей франция, химики сумели доказать, что по своим свойствам он чрезвычайно похож: на цезий.

Элементы № 43, 61 и 85 оставались неуловимыми. В природе их никак не удавалось найти, хотя ученые уже владели могучим методом, безошибочно указывающим путь для поиска новых элементов, - периодическим законом. Все химические свойства неизвестного элемента благодаря этому закону были известны ученым заранее. Так почему же были безуспешны поиски этих трех элементов в природе?

Изучая свойства атомных ядер, физики пришли к выводу: у элементов с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 не могут существовать стабильные изотопы. Они могут быть только радиоактивными, с короткими периодами полураспада и должны быстро исчезать. Поэтому все эти элементы были созданы человеком искусственно. Пути для создания новых элементов были указаны периодическим законом. Попробуем с его помощью сами наметить путь синтеза экамарганца. Этот элемент № 43 был первым искусственно созданным.

Химические свойства элемента определяются его электронной оболочкой, а она зависит от заряда атомного ядра. В ядре элемента № 43 должно быть 43 положительных заряда, и вокруг ядра должны вращаться 43 электрона. Как же можно создать элемент с 43 зарядами в атомном ядре? Как можно доказать, что такой элемент создан?

Рассмотрим внимательно, какие элементы в периодической системе располагаются у пустого места, предназначенного для элемента № 43. Оно находится почти в середине пятого периода. На соответствующих местах в четвертом периоде стоит марганец, а в шестом - рений. Поэтому химические свойства 43-го элемента должны быть похожи на свойства марганца и рения. Недаром Д. И. Менделеев, предсказавший этот элемент, назвал его экамарганцем. Слева от 43-ей клетки находится молибден, занимающий клетку 42, справа, в 44-й - рутений.

Следовательно, чтобы создать элемент № 43, необходимо увеличить число зарядов в ядре атома, имеющего 42 заряда, еще на один элементарный заряд. Поэтому для синтеза нового элемента № 43 нужно взять в качестве исходного сырья молибден. У него в ядре как раз 42 заряда. Одним положительным зарядом обладает самый легкий элемент- водород. Итак, можно ожидать, что элемент № 43 может быть получен в результате ядерной реакции между молибденом и водородом.

Свойства элемента № 43 должны быть сходными с химическими свойствами марганца и рения, и, для того чтобы обнаружить и доказать образование этого элемента, нужно воспользоваться химическими реакциями, аналогичными тем, с помощью которых химики определяют присутствие малых количеств марганца и рения. Вот каким образом периодическая система дает возможность наметить путь для создания искусственного элемента.

Точно таким же путем, который мы только что наметили, и был создан в 1937 г. первый искусственный химический элемент. Он получил знаменательное имя- технеций - первый элемент, изготовленный техническим, искусственным путем. Вот как был осуществлен синтез технеция. Пластинка молибдена подвергалась интенсивной бомбардировке ядрами тяжелого изотопа водорода - дейтерия, которые были разогнаны в циклотроне до огромной скорости.

Ядра тяжелого водорода, получившие очень большую энергию, проникли в ядра молибдена. После облучения в циклотроне пластинка молибдена была растворена в кислоте. Из раствора было выделено с помощью тех же реакций, которые необходимы для аналитического определения марганца (аналог элемента № 43), ничтожное количество нового радиоактивного вещества. Это и был новый элемент- технеций. Вскоре были подробно изучены его химические свойства. Они точно соответствуют положению элемента в менделеевской таблице.

Теперь технеций стал вполне доступным: он образуется в довольно больших количествах в атомных реакторах. Технеций хорошо изучен, уже практически используется. С помощью технеция исследуют процесс коррозии металлов.

Метод, каким был создан 61-й элемент, очень похож на метод, которым получают технеций. Элемент №61 должен быть редкоземельным элементом: 61-я клетка находится между неодимом (№ 60) и самарием (№ 62). Новый элемент впервые был получен в 1938 г. в циклотроне бомбардировкой неодима ядрами дейтерия. Химическим путем 61-й элемент был выделен лишь в 1945 г. из осколочных элементов, образующихся в ядерном реакторе в результате деления урана.

Элемент получил символическое имя прометий. Это название было дано ему неспроста. Древнегреческий миф рассказывает о том, что титан Прометей похитил с неба огонь и передал его людям. За это он был наказан богами: его приковали к скале, и громадный орел ежедневно терзал его. Название "прометий" не только символизирует драматический путь похищения наукой у природы энергии ядерного деления и овладения этой энергией, но и предостерегает людей от страшной военной опасности.

Прометий теперь получают в немалых количествах: его используют в атомных батарейках- источниках постоянного тока, способных действовать без перерыва несколько лет.

Аналогичным путем был синтезирован и самый тяжелый галоген- экаиод- элемент № 85. Он впервые был получен бомбардировкой висмута (№ 83) ядрами гелия (№ 2), ускоренными в циклотроне до больших энергий.

Ядра гелия, второго элемента в периодической системе, обладают двумя зарядами. Поэтому для синтеза 85-го элемента был взят висмут - 83-й элемент. Новый элемент назван астатом (неустойчивый). Он радиоактивен, быстро исчезает. Его химические свойства также оказались точно соответствующими периодическому закону. Он похож: на иод.

Трансурановые элементы.

Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о "достоверном" открытии нового "тяжелого" элемента с атомной массой большей, чем у урана. Например, элемент № 93 "открывали" в природе многократно, он получал имена "богемий", "секваний". Но эти "открытия" оказывались следствием ошибок. Они характеризуют трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.

Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле практически нет.

Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать β-лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической системе на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше - происходит превращение элементов. Так под воздействием нейтронов обычно образуются более тяжелые элементы.

Попытались подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что так же, как и у других элементов, у урана при этом появится β-активность и в результате β-распада возникнет новый элемент с номером, на единицу большим. Он-то и займет 93-ю клетку в системе Менделеева. Высказывали предположение, что этот элемент должен быть похож: на рений, поэтому его заранее назвали экарением.

Первые опыты, казалось, сразу же подтвердили такое предположение. Даже больше- обнаружилось, что при этом возникает не один новый элемент, а несколько. Были опубликованы сообщения о пяти новых элементах тяжелее урана. Кроме экарения были "обнаружены" экаосмий, экаиридий, экаплатина и эказолото. И все открытия оказались ошибкой. Но то была амечательная ошибка. Она привела науку к величайшему из достижений физики за всю историю человечества- к открытию деления урана и овладению энергией атомного ядра.

Никаких трансурановых элементов в действительности не было найдено. У странных новых элементов тщетно пытались найти предполагаемые свойства, которыми должны были обладать элементы от экарения да эказолота. И вдруг среди этих элементов неожиданно были обнаружены радиоактивный барий и лантан. Не трансурановые, а самые обычные, но радиоактивные изотопы элементов, места которых находятся в середине периодической системы Менделеева.

Прошло немного времени, и этот неожиданный и очень странный результат был правильно понят.

Почему из атомных ядер урана, стоящего в конце периодической системы элементов, при действии нейтронов образуются ядра элементов, места которых находятся в ее середине? Например, при действии нейтронов на уран возникают элементы, соответствующие следующим клеткам периодической системы:

Много элементов было найдено в невообразимо сложной смеси радиоактивных изотопов, образующихся в уране, облученном нейтронами. Хотя они оказались старыми, давно знакомыми химикам элементами, в то же время это были новые вещества, впервые созданные человеком.

В природе нет радиоактивных изотопов брома, криптона, стронция и многих других из тридцати четырех элементов - от цинка до гадолиния, возникающих при облучении урана.

В науке часто так бывает: самое загадочное и самое сложное оказывается простым и ясным, когда оно разгадано и понято. Когда нейтрон попадает в ядро урана, оно раскалывается, расщепляется на два осколка - на два атомных ядра меньшей массы. Эти осколки могут быть различного размера, поэтому-то и образуется так много различных радиоактивных изотопов обычных химических элементов.

Одно атомное ядро урана (92) распадается на атомные ядра брома (35) и лантана (57), осколки при расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами криптона (36) и бария (56). Сумма атомных номеров образующихся осколочных элементов будет равна 92.

Это было началом цепи великих открытий. Вскоре обнаружили, что под ударом нейтрона возникают из ядра атома урана-235 не только осколки - ядра с меньшей массой, но и вылетают два-три нейтрона. Каждый из них, в свою очередь, способен снова вызвать деление ядра урана. А при каждом таком делении выделяется очень много энергии. Это и стало началом овладения человеком внутриатомной энергией.

Среди огромного множества продуктов, возникающих при облучении ядер урана нейтронами, был впоследствии обнаружен остававшийся долгое время незамеченным первый настоящий трансурановый элемент № 93. Он возникал при действии нейтронов на уран-238. По химическим свойствам он оказался весьма сходным с ураном и совсем не был похож: на рений, как это ожидали при первых попытках синтезировать элементы тяжелее урана. Поэтому его и не могли сразу обнаружить.

Первый созданный человеком элемент, лежащий за пределами "естественной системы химических элементов", был назван нептунием по имени планеты Нептун. Его создание расширило для нас границы, определенные самой природой. Так же и предсказанное открытие планеты Нептун расширило границы наших знаний о Солнечной системе.

Вскоре был синтезирован и 94-й элемент. Он был назван в честь последней планеты. Солнечной системы.

Его назвали плутонием. В периодической системе Менделеева он следует по порядку за нептунием, аналогично "последней планете Солнечной* системы Плутону, орбита которой лежит за орбитой Нептуна. Элемент № 94 возникает из нептуния при его β-распаде.

Плутоний - единственный из трансурановых элементов, который теперь получают в атомных реакторах в очень больших количествах. Так же как и уран-235, он способен делиться под действием нейтронов и применяется как топливо в атомных реакторах.

Элементы № 95 и № 96 носят названия америций и кюрий. Их также получают теперь в атомных реакторах. Оба элемента обладают очень большой радиоактивностью - испускают α-лучи. Радиоактивность этих элементов настолько велика, что концентрированные растворы их солей нагреваются, закипают и очень сильно светятся в темноте.

Все трансурановые элементы - от нептуния до америция и кюрия- были получены в достаточно больших количествах. В чистом виде это металлы серебристого цвета, все они радиоактивны и по химическим свойствам в чем-то похожи друг на друга, а в чем-то заметно различаются.

Был выделен в чистом виде и 97-й элемент - берклий. Для этого пришлось поместить чистый препарат плутония внутрь ядерного реактора, где он целых шесть лет находился под действием мощного потока нейтронов. За это время в нем накопилось несколько микрограммов элемента № 97. Плутоний извлекли из атомного реактора, растворили в кислоте и из смеси выделили наиболее долгоживущий берклий-249. Он сильно радиоактивен - за год распадается наполовину. Пока удалось получить только несколько микрограммов берклия. Но этого количества хватило ученым, чтобы точно изучить его химические свойства.

Очень интересен элемент № 98 - калифорний, шестой после урана. Калифорний впервые был создан посредством бомбардировки мишени из кюрия α-частицами.

Увлекательна история синтеза двух следующих трансурановых элементов: 99-го и 100-го. Впервые они были найдены в облаках и в "грязи". Чтобы изучить, что образуется при термоядерных взрывах, самолет пролетал сквозь взрывное облако, и на бумажные фильтры были собраны пробы осадка. В этом осадке и были найдены следы двух новых элементов. Чтобы получить более точные данные, на месте взрыва собрали большое количество "грязи" - измененной взрывом почвы и горной породы. Эту "грязь" переработали в лаборатории, и из нее выделили два новых элемента. Их назвали эйнштейнием и фермием, в честь ученых А. Эйнштейна и Э. Ферми, которым человечество в первую очередь обязано открытием путей овладения атомной энергией. Эйнштейну принадлежит закон эквивалентности массы и энергии, а Ферми построил первый атомный реактор. Теперь эйнштейний и фермий получают и в лабораториях.

Элементы второй сотни.

Еще не так давно едва ли кто мог поверить, что в таблицу Менделеева будет включен символ сотого элемента.

Искусственный синтез элементов сделал свое дело: на короткое время фермий замкнул список известных химических элементов. Помыслы ученых были теперь устремлены вдаль, к элементам второй сотни.

Но на пути оказался барьер, преодолеть который было нелегко.

До сих пор физики синтезировали новые трансурановые элементы в основном двумя способами. Либо они обстреливали мишени из трансурановых элементов, уже синтезированных, α-частицами и дейтронами. Либо они бомбардировали уран или плутоний мощными потоками нейтронов. В результате образовывались очень богатые нейтронами изотопы этих элементов, которые после нескольких последовательных β-распадов превращались в изотопы новых трансуранов.

Однако в середине 50-х годов обе эти возможности себя исчерпали. В ядерных реакциях удавалось получить невесомые количества эйнштейния и фермия, и потому из них нельзя было изготовить мишени. Нейтронный метод синтеза также не позволял продвинуться дальше фермия, так как изотопы этого элемента подвергались спонтанному делению с гораздо большей вероятностью, чем β-распаду. Понятно, что в таких условиях не имело смысла говорить о синтезе нового элемента.

Поэтому очередной шаг физики сделали только тогда, когда им удалось накопить минимально необходимое для мишени количество элемента № 99. Это случилось в 1955 г.

Одним из самых примечательных достижений, которым по справедливости может гордиться наука, следует назвать создание 101-го элемента.

Этот элемент получил имя великого творца периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Менделевий был получен следующим образом. На листочек тончайшей золотой фольги нанесли невидимое покрытие, состоящее приблизительно из одного миллиарда атомов эйнштейния. Альфа-частицы с очень большой энергией, пробивая золотую фольгу с обратной стороны, при соударении с атомами эйнштейния могли вступать в ядерную реакцию. В результате образовались атомы 101-го элемента. При таком соударении атомы менделевия вылетали с поверхности золотой фольги и собирались на другом, расположенном рядом тончайшем золотом листочке. Таким остроумным путем удалось выделить в чистом виде атомы 101-го элемента из сложной смеси эйнштейния и продуктов его распада. Невидимый налет смывался кислотой и подвергался радиохимическому исследованию.

Поистине это было чудом. Исходным материалом для создания 101-го элемента в каждом отдельном опыте служил приблизительно один миллиард атомов эйнштейния. Это очень малозначительно меньше одной миллиардной доли миллиграмма, а получить эйнштейний в большем количестве было невозможно. Заранее подсчитали, что из миллиарда атомов эйнштейния при многочасовой бомбардировке α-частицами может прореагировать всего только один-единственный атом эйнштейния и, следовательно, может образоваться только один атом нового элемента. Нужно было не только суметь его обнаружить, но и сделать это так, чтобы выяснить по одному лишь атому химическую природу элемента.

И это было сделано. Успех опыта превзошел расчеты и ожидания. Удалось заметить при одном эксперименте не один, а даже два атома нового элемента. Всего в первой серии опытов было получено семнадцать атомов менделевия. Этого оказалось достаточно, чтобы установить и факт образования нового элемента, и его место в периодической системе и определить его основные химические и радиоактивные свойства. Оказалось, что это α-активный элемент с периодом полураспада около получаса.

Менделевий - первый элемент второй сотни - оказался своеобразной вехой на пути синтеза трансурановых элементов. До сих пор он остается последним из тех, которые были синтезированы старыми методами - облучением α-частицами. Теперь на сцену вышли более могучие снаряды - ускоренные многозарядные ионы различных элементов. Определение химической природы менделевия по считанному числу его атомов положило начало совершенно новой научной дисциплине - физикохимии единичных атомов.

Символ элемента № 102 No - в периодической системе взят в скобки. И в скобках этих заключена долгая и сложная история этого элемента.

О синтезе нобелия сообщила в 1957 г. интернациональная группа физиков, работавших в Нобелевском институте (Стокгольм). Впервые для синтеза нового элемента были применены тяжелые ускоренные ионы. В их качестве выступили ионы 13 С, поток которых направлялся на кюриевую мишень. Исследователи пришли к выводу, что им удалось синтезировать изотоп 102-го элемента. Ему дали название в честь основателя Нобелевского института изобретателя динамита Альфреда Нобеля.

Прошел год, и опыты стокгольмских физиков были воспроизведены почти одновременно в Советском Союзе и США. И выяснилась удивительная вещь: результаты советских и американских ученых не имели ничего общего ни с работами Нобелевского института, ни между собой. Никому и нигде более не удалось повторить эксперименты, проведенные в Швеции. Такая ситуация породила довольно грустную шутку: "От нобелия остался один No" (No - в переводе с английского означает "нет"). Символ, поспешно помещенный в менделеевскую таблицу, не отражал действительного открытия элемента.

Достоверный синтез элемента № 102 совершила группа физиков из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. В 1962-1967 гг. советские ученые синтезировали несколько изотопов элемента № 102 и изучили его свойства. Подтверждение этих данных было получено в США. Однако символ No, не имея на то никакого права, до сих пор находится в 102-й клетке таблицы.

Лоуренсий, элемент № 103 с символом Lw, названный так в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса, был синтезирован в 1961 г. в США. Но здесь не меньшая заслуга и советских физиков. Они получили несколько новых изотопов лоуренсия и впервые изучили свойства этого элемента. Лоуренсий также появился на свет благодаря использованию тяжелых ионов. Мишень из калифорния облучалась ионами бора (или америциевая мишень - ионами кислорода).

Элемент № 104 впервые был получен советскими физиками в 1964 г. К его синтезу приводила бомбардировка плутония ионами неона. 104-й элемент получил название курчатовия (символ Ки) в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова.

105-й и 106-й элементы также впервые удалось синтезировать советским ученым - в 1970 и в 1974 гг. Первый из них- продукт бомбардировки америция ионами неона- был назван нильсборием (Ns) в честь Нильса Бора. Синтез другого осуществлялся следующим образом: мишень из свинца бомбардировалась ионами хрома. Синтезы 105-го и 106-го элементов были осуществлены также и в США.

Вы узнаете об этом в следующей главе, а настоящую мы завершим кратким рассказом о том,

как изучают свойства элементов второй сотни.

Фантастически трудная задача стоит перед экспериментаторами.

Вот ее исходные условия: даны считанные количества (десятки, в лучшем случае сотни) атомов нового элемента, причем атомов весьма короткоживущих (периоды полураспада измеряются секундами, а то и долями секунды). Требуется доказать, что эти атомы - атомы действительно нового элемента (т. е. определить значение Z, а также величину массового числа А, чтобы знать, о каком изотопе нового трансурана идет речь), и изучить его важнейшие химические свойства.

Считанные атомы, ничтожная продолжительность жизни...

На помощь ученым приходят быстрота и высочайшая изобретательность. Но современный исследователь - специалист по синтезу новых элементов - должен не только уметь "подковать блоху". Он должен и в совершенстве владеть теорией.

Проследим за теми основными шагами, посредством которых производят идентификацию нового элемента.

Важнейшей визитной карточкой в первую очередь служат радиоактивные свойства- это может быть испускание α-частиц или спонтанное деление. Каждое α-активное ядро характеризуется специфическими величинами энергии α-частиц. Это обстоятельство позволяет либо опознать известные ядра, либо сделать вывод о том, что обнаружены новые. Например, изучая особенности α-частиц, ученые сумели получить достоверное доказательство синтеза 102-го и 103-го элементов.

Энергичные осколочные ядра, образующиеся в результате деления, обнаружить значительно легче, чем α-частицы, вследствие гораздо большей энергии осколков. Для их регистрации употребляются пластинки, сделанные из стекла специального сорта. Осколки оставляют на поверхности пластинок чуть заметные следы. Затем пластинки проходят химическую обработку (травление), и их внимательно рассматривают под микроскопом. Стекло растворяется в плавиковой кислоте.

Если стеклянную пластинку, обстрелянную осколками, поместить в раствор плавиковой кислоты, то в местах, куда попали осколки, стекло будет растворяться быстрее и там образуются лунки. Их размеры в сотни раз больше первоначального следа, оставленного осколком. Лунки можно наблюдать в микроскоп со слабым увеличением. Другие радиоактивные излучения наносят поверхности стекла меньшие повреждения и не просматриваются после травления.

Вот что рассказывают авторы синтеза курчатовия о том, как происходил процесс опознания нового элемента: "Идет опыт. Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок часов лента несет синтетические ядра к стеклянным пластинкам. Наконец циклотрон выключен. Стеклянные пластинки переданы на обработку в лабораторию. С нетерпением ждем результата. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков. По их положению вычислили период полураспада. Он оказался в интервале времени от 0,1 до 0,5 с.

А вот как те же исследователи рассказывают об оценке химической природы курчатовия и нильсбория. "Схема исследования химических свойств элемента № 104 такова. Атомы отдачи выходят из мишени в струю азота, тормозятся в ней, а затем хлорируются. Соединения 104-го элемента с хлором легко проникают через специальный фильтр, а все актиноиды не проходят. Если 104-й принадлежал бы к актиноидному ряду, то и он бы задержался фильтром. Однако исследования показали, что 104-й элемент - это химический аналог гафния. Это важнейший шаг к заполнению таблицы Менделеева новыми элементами.

Затем в Дубне были изучены химические свойства 105-го элемента. Оказалось, что его хлориды адсорбируются на поверхности трубки, по которой они движутся от мишени при температуре более низкой, чем хлориды гафния, но более высокой, чем хлориды ниобия. Так могли бы вести себя только атомы элемента, близкого по химическим свойствам к танталу. Посмотрите на таблицу Менделеева: химический аналог тантала - элемент № 105! Поэтому опыты по адсорбции на поверхности атомов 105-го элемента подтвердили, что его свойства совпадают с предсказанными на основе периодической системы".

"Если бы в результате какой-то мировой катастрофы
все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к следующим поколениям людей перешла бы только одна фраза, то какое утверждение,
составленное из наименьшего количества слов, передало бы наибольшую информацию? Я считаю, что
это атомно-молекулярная теория: все тела состоят
из атомов и молекул - маленьких частиц, которые
находятся в постоянном движении, притягиваются
друг к другу на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если их плотнее прижать друг к другу. В одной этой фразе содержится невероятное количество
информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения."
Ричард Фейнман.

В 1869 году Д.И.Менделеев обнародовал периодический закон и его следствие - таблицу элементов.
В 1870 году он назвал таблицу "естественной", а
еще через год - "периодической". Вид первых вариантов таблиц был далек от современного. В то
время были известны только 63 элемента (сейчас
118), не были известны инертные газы, актиноиды,
а, самое главное, отсутствовали сведения о строении атомов. Таблица состояла из 6 вертикальных
столбцов (предшественники современных периодов) и содержала 67 элементов (63 известных + 4
предсказанных). Три из предсказанных (экабор,
экасилиций и экаалюминий) вскоре были открыты
и получили названия соответственно: скандий Sc,
германий Ge и галлий Ga. После этого периодический закон получил всеобщее признание.

"Короткая" форма таблицы, 2000-й год

Объяснение периодической системы элементов – одна из важнейших задач атомной физики.

Сформулируем прежде всего те принципы, на которых основано это объяснение:
1). Состояние электрона в атоме полностью определяется четырьмя квантовыми числами:
главным квантовым числом
n = 1, 2, 3, …;
орбитальным
квантовым числом
l = 0, 1, …, n-1;
магнитным квантовым числом m = 0, ±1, ±2, …, ±l;
магнитным спиновым
квантовым числом
ms = +1/2, -1/2.

2) Принцип Паули: В атоме может существовать только один электрон в состоянии,
характеризуемом данными значениями
четырех квантовых чисел; т.е. два электрона
в одном и том же атоме должны
различаться значениями по крайней мере
одного квантового числа.
3) Атом (как и любая система) устойчив тогда,
когда находится в состоянии с наименьшей
возможной энергией.

Совокупность электронов, обладающих одинаковым главным квантовым числом образует
слой. Слои имеют названия:
n
1
2
3
4
5
6
...
Название
K
L
M
N
O
P
...
Совокупность электронов, имеющих одинаковые
n и l, образует оболочку. Названия оболочек:
l
0
1
2
3
4
5
...
Название
s
p
d
f
g
h
...

Принцип Паули ограничивает число электронов
на той или иной электронной оболочке. Действительно, электроны в невозбужденном атоме
стремятся перейти в состояние с наименьшей
энергией (в устойчивое состояние), которое соответствует минимальным значениям главного
и орбитального чисел. Однако возможность такого перехода ограничена принципом Паули.
Поэтому электроны в невозбужденном атоме
находятся в таких состояниях, при которых
энергия атома является наименьшей, но
распределение по состояниям удовлетворяет
принципу Паули.

Установим теперь, сколько электронов может находится на оболочке и в атоме.

Т.к. число ms может иметь два значения, то в
атоме может быть два электрона с одинаковыми числами n, l, m.
При заданном l квантовое число m может иметь
(2 l +1) значений, следовательно, на оболочке может быть 2(2 l +1) электронов, т.е.
l
0
1
2
3
4
5
6
Название
s
p
d
f
g
h
i
Макс. число
электронов
2
6
10
14
18
22
26

При заданном n квантовое число l может принимать n значений: 0, 1, 2, …, n -1. Поэтому максимальное число электронов в слое можно выразить суммой арифметической прогрессии:
2 2(2(n 1) 1)
2
2(2l 1)
n 2n (17.1)
2
l 0
n 1
n
1
2
3
4
5
6
7
Название
K
L
M
N
O
P
Q
Макс. число
электронов
2
8
18
32
50
72
98

Графические изображения электронных s-, p- и d-оболочек

Графические
изображения
электронных
s-, p- и dоболочек

Графическое изображение 4f-оболочки

Схематические изображения электронных оболочек

Вид электронных оболочек

Конфигурация электронных оболочек атомов записывается с помощью следующих обозначений. Каждая оболочка обозначается соответствующим n и буквой, обозначающей l, а индексом справа вверху обозначается число электронов. Например:
Водород
1s1
Гелий
1s2
Литий
1s22s1
Углерод
1s22s22p2
Кислород
1s22s22p4
Аргон
1s22s22p63s23p6

Итак, принцип Паули дает следующую картину построения электронной оболочки атомов. Каждый
вновь присоединяемый электрон связывается в
состоянии с наименьшими возможными квантовыми числами. Эти электроны постепенно заполняют
слой с одним и тем же главным квантовым числом
n. Когда построение слоя заканчивается, получается устойчивая структура (инертный газ). Следующий электрон начинает заполнение уже нового
слоя и т.д. Эта идеальная схема соблюдается до
18 элемента таблицы Менделеева (до аргона).
Начиная с 19-го элемента (калия) наблюдаются отступления от идеальной схемы. Причина этих отступлений заключается в том, что идеальная схема
не учитывает взаимодействия электронов между
собой.

Например, 19-ый электрон калия должен (согласно идеальной схеме) находиться в 3d-оболочке. Однако химические и спектроскопические
данные указывают на то, что этот электрон находится в 4s-оболочке. Детальный расчет с
учетом взаимодействия электронов показывает, что состояние 3d действительно отвечает
большей энергии, чем 4s.

По этой же причине 20-ый электрон кальция тоже
присоединяется в 4s-состояние, а нормальное заполнение 3d-оболочки начинается у скандия. Аналогичное нарушение нормального порядка наблюдается у рубидия, цезия, франция. Другое отступление
от нормального порядка заполнения слоев имеет
место у редких земель (Z = 57 - 70): идет заполнение
4f-оболочки после заполнения оболочек 5s, 5p и 6s.

Еще несколько примеров конфигураций электронных оболочек атомов:
19 Калий
1s22s22p63s23p64s1 = 4s1
20 Кальций
4s2
36 Криптон
4s23d102p6
37 Рубидий
4s23d102p65s1 = 5s1
43 Технеций
5s14d6
54 Ксенон
5s24d105p6
55 Цезий
6s1
56 Барий
6s2
57 Лантан
6s25d1
71 Лютеций
6s25d14f14
86 Радон
6s25d104f146p6

Таким образом, атомная физика полностью объяснила периодическую таблицу элементов. Причем
теория не только объяснила, но и уточнила таблицу. До 1922г. элемент Z=72 не был известен. Он
был предсказан Менделеевым, и ему было оставлено место в группе редких земель. Однако по теоретическим соображениям, группа редких земель
должна содержать 14 элементов (т.к. на 4f оболочке может находиться 14 электронов), т.е. должна
заканчиваться 71-м элементом, а элемент Z=72
должен быть аналогом циркония и титана. На это
впервые указал Н. Бор, и вскоре элемент 72 (гафний) был открыт в циркониевых рудах и по своим
химическим и оптическим свойствам оказался аналогом титана и циркония, а не элементов группы
редких земель.

Недостатки короткой формы таблицы

Из-за того, что короткая таблица ограничена 8-ю
столбцами, приходится подразделять 4-й и следующие периоды на ряды и подгруппы, что лишено
химического смысла. Например, в I группе находятся щелочные металлы и резко отличающиеся
от них по химическим свойствам золото, серебро и
медь. В VII группе находятся галогены и тугоплавкий металл рений. Максимально противоречива
структура VIII группы. В нее включена "триада" железа (Fe, Co, Ni), семейство платиновых металлов
(Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) и инертные газы. Имеются и
другие недостатки.

Длинная форма таблицы

В 1989 году Международный союз теоретической и
прикладной химии (International Union of Pure and
Applied Chemistry - IUPAC, ИЮПАК) отменил короткую форму и утвердил новую "длинную" форму. Она состоит из 18 групп, обозначенных арабскими цифрами. Но чтобы сохранить преемственность, параллельно новым номерам групп записаны старые номера римскими цифрами с указанием
подгрупп (а, б), как в короткой форме. При этом fэлементы (лантаноиды и актиноиды) остались в
третьей группе, и для них, как и раньше, выделены отдельные строки.

"Длин-ная" фор-ма таб-лицы, 2004г

"Длинная"
форма
таблицы,
2004г

Перио-дическая система элемен-тов, предло-женная Н.Бором в 1921г

Периодическая
система
элементов,
предложенная
Н.Бором
в 1921г

Перио-дическая система, предло-женная Н.Бором, и дополнен-ная новыми элементами

Периодическая
система,
предложенная
Н.Бором, и
дополненная новыми
элементами

Состав атомных ядер

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Электрический заряд протона e = 1.6·10-19 Кл, у нейтрона электрический заряд равен 0. Массы протона и нейтрона почти одинаковы:
mp = 1.6724·10-27кг = 938.3 Мэв,
mn = 1.6748·10-27кг = 939.6 Мэв
mn - mp = 1.3 Мэв
Свойства протона и нейтрона по отношению к ядерным силам одинаковы; современная физика считает их двумя состояниями одной частицы: нуклона. Сумма протонов и нейтронов в ядре (т.е. число
нуклонов) называется массовым числом:
A=Z+N

В настоящее время известно (существуют в природе
или получены искусственно) ок. 3000 ядер с различными значениями Z и A, из них стабильных 268
и 17 "долгоживущих" (долгоживущими называются
радиоактивные ядра, период полураспада которых
больше, чем 5·108лет, и поэтому они есть в природе). Всего стабильных и долгоживущих ядер 285;
остальные ядра - радиоактивные, их более 2700.
Число протонов Z равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И.Менделеева. В настоящее
время известны ядра со значениями Z от 0 до 118.
Число нейтронов N может быть различным; ядра с
одинаковыми числами протонов, но разными числами нейтронов, называются изотопами.

Большинство элементов имеют по несколько стабильных изотопов, рекорд принадлежит олову
(Z=50), у которого 10 стабильных изотопов.
Но некоторые элементы (их 24) имеют только по одному стабильному изотопу, а элементы с номерами Z = 43 (технеций), Z = 61 (прометий), а также
все, элементы, начиная с Z = 84 (полоний), не имеют ни одного стабильного изотопа.
Примеры изотопов:
Общее обозначение: AXZ , где X - символ химического элемента. Иногда пишут так: ZA X.
Водород имеет 2 стабильных изотопа (они есть в
природе): 1H1 (легкий водород, протий) и 2H1 (тяжелый водород, дейтерий), а также радиоактивный
изотоп 3H1 (сверхтяжелый водород, тритий).

Другие примеры изотопов:
Гелий имеет 2 стабильных изотопа (они также есть в
природе): 4He2 (обычный гелий) и 3He2 (легкий гелий). Искусственно получены короткоживущие (доли секунды) изотопы 6He2, 8He2, 10He2.
Уран имеет 2 нестабильных, но долгоживущих изотопа (есть в природе): 238U92 (99.3%) и 235U92 (0.7%).
Искусственно получены еще 12 изотопов с временами жизни от 2.5·105лет до нескольких минут.
Ядра с одинаковыми массовыми числами A (но разными Z и N) называются изобарами. Например:
Радиоактивный сверхтяжелый водород тритий 3H1 и
стабильный легкий гелий 3He2.
Радиоактивный углерод-14 ("радиоуглерод") 14C6 и
стабильный азот 14N7.

Искусственные химические элементы

До 1937г оставались неизвестными 4 элемента до
урана: с номерами Z = 43, 61, 85, 87. В 1937г итальянские физики К.Перрье (C.Perrier) и Э.Сегре (E.Segre), работавшие на циклотроне в г. Беркли (США),
облучая молибден дейтронами (ядрами дейтерия)
получили элемент №43, названный технецием:
2
H1 Mo42 Tc43 n
98
99
Для определения химических свойств технеция его
растворили в царской водке, и обнаружили, что он
не осаждается с цирконием, ниобием и молибденом,
а осаждается с марганцем и рением, которые, следовательно, являются химическими гомологами технеция, причем в периодической таблице один из них
находится выше технеция, а другой ниже.

Технеций (Technetium, Tc)

В настоящее время известно 16 изотопов технеция с
массовыми числами от 92 до 107. Наиболее долгоживущие из них: 98Tc43 (T1/2=4.2·106 лет) и 99Tc43 (T1/2=
2.1·105 лет). Позднее технеций в ничтожных количествах был обнаружен в урановых рудах, где он образуется при делении ядер урана. В свободном виде это
серебристо-серый металл, ρ = 11.5 г/см3, Тпл = 2172оС.
Используется как источник бета-частиц в различных
приборах, а также в медицине. Установлено также,
что соли технециевой кислоты (например, KTcO4) являются высокоэффективными ингибиторами коррозии. В количествах, достаточных для практического
использования, технеций получают из отходов атомной промышленности.

Франций

Элемент №87 был обнаружен в 1939 году французским радиохимиком Маргаритой Перей (Marguerite
Perey) в продуктах распада природного радиоактивного изотопа актиния-227:
227
Ac89
223
Fr87 He2
4
В настоящее время известно 34 изотопа франция с
массовыми числами от 199 до 232. Наиболее долгоживущий из них: 223Fr87 (T1/2=22 минуты). Он испытывает альфа- и бета-распады, при этом образуются
соответственно астат-219 и радий-223. В ядерной реакции 18O8 + 197Au79 → 210Fr87 + 5n получают изотоп
210Fr (T =3 минуты). Он испытывает альфа-распад,
87
1/2
при этом образуется астат-206.

Франций

Франций - первый элемент 7-го периода таблицы
Д.И.Менделеева и самый химически активный щелочной металл. Формула его электронной оболочки 7s1.
В настоящее время изотоп франция-223 используют
в радиохимических определениях актиния-227, т.к.
его бета-излучение легче регистрировать, чем
альфа-частицы актиния. Других практических применений франций и его соли не имеют в связи с
малым периодом полураспада. М.Перей пыталась
применить франций в медицине. Ей далось обнаружить, что франций накапливается в клетках ра-ковых
опухолей, но из-за быстрого распада не ус-певает
оказать терапевтическое действие.

Астат (Astatium, At)

Элемент №85 был получен в 1940 году (Д.Корсон,
К.Р.Маккензи, Э.Сегре, Калифорнийский университет в Беркли) в реакции:
4He
209Bi → 211At + 2n
+
2
83
85
В настоящее время известно 37 изотопов астата с
массовыми числами от 191 до 229. Наиболее долгоживущие из них: 209At85 (T1/2=5.5 часа), 210At85 (T1/2 =
8.3 часа) и 211At85 (T1/2=7.2 часа); они испытывают
альфа-распады и e-захваты, при этом образуются
соответственно висмут и полоний.
Гомологом астата является йод. Астат - предпоследний элемент 6-го периода; за ним следует инертный газ радон. Формула электронной оболочки астата 4f145d106s26p5.

Применение астата

Изотоп астат-211 считается перспективным для применения в медицине. Это чистый (т.е. без сопровождающего гамма- или бета-излучения) источник
альфа-частиц. При его распаде образуются альфа
-частицы, с энергией 6,8 МэВ. Длина их пробега в
биологических тканях составляет всего 60 мкм, поэтому при локализации астата в опухоли ионизация происходит в малом объёме, и окружающие
ткани не страдают от его радиоизлучения. Астат
считается эффективным средством лечения щитовидной железы, т.к. подобно йоду, может накапливаться в этом органе, а также меланомы (одного из
наиболее злокачественных новообразований).

Прометий (Prometium, Pm)

В 1945г американские химики Д.Маринский (J.Marinsky), Л.Гленденин (L.Glendenin) и Ч.Кориэлл (C.Coryell) с помощью ионообменных смол выделили 61й элемент из продуктов деления урана. R 1950-му
году химические свойства этого элемента были
исследованы, и комиссия IUPAC присвоила этому
элементу название прометий (в честь мифического героя Прометея).
В настоящее время известно 14 изотопов прометия с
массовыми числами от 140 до 154. Наиболее долгоживущий из них: 145Pm61 (T1/2=18 лет).
Прометий является одним из лантаноидов, и по химическим свойствам от них не отличается. Формула его электронной оболочки 6s24f5.

Применение прометия

Металлический прометий имеет гексагональную кристаллическую структуру, плотность 7.3г/см3, температура плавления ок.1100оС, кипения ок.3000оС.
Наибольшее практическое значение имеет бетаактивный изотоп 147Pm61 (T1/2=2.6 года), который образуется в ядерных реакторах. Его распад не сопровождается гамма-излучением, поэтому его используют для производства безопасных радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде оксида Pm2O3, а также как компонент световых
составов радиолюминофоров (люминесцентных
составов, которые светятся под действием бетачастиц) длительного действия (несколько лет).

Первые трансурановые элементы: нептуний и плутоний

Эти элементы получают в результате реакции
радиационного захвата нейтрона ядрами ура238
239
на-238:
n
U 92
U 92
239
Np93 e e
(23мин)
Np93
239
Pu94 e e
(2.3дня)
239
239
U 92
Это тяжелые металлы с плотностью ок. 20 г/см3 и
температурой плавления ок. 640оС. Их физические и химические свойства изучены так же
хорошо, как и естественных элементов.

Нептуний и плутоний получили свои названия по
аналогии с названиями планет Солнечной системы: Нептун и Плутон, которые расположены за
Ураном. Нептуний впервые получили Э.Макмиллан (McMillan E.) и Ф.Абельсон (Abelson Ph.) в национальной лаборатории им. Э.Лоуренса в г. Беркли (США) в 1940 году. В той же лаборатории, в том
же 1940 году Э.Макмиллан и Г.Сиборг (Seaborg G.)
получили плутоний (нобелевская премия по химии
1951г). Для изучения физических и химических
свойств этих элементов к 1942 году ценой больших усилий удалось получить ок. 0.5 мг солей этих
элементов. В настоящее время изотоп 239Pu94 производится в количествах, измеряемых десятками
тонн в год.

В настоящее время известно 15 изотопов нептуния,
наиболее долгоживущий среди них изотоп 237Np93
(T1/2 =2.14·106 лет).
У плутония известно 20 изотопов, наиболее долгоживущий среди них изотоп 244Pu94 (T1/2=8.2·107 лет).
Изотоп 239Pu94 имеет T1/2 = 24100 лет.
По строению электронной оболочки атома и по своим химическим свойствам оба эти элемента относятся к актиноидам (идет заполнение 5f-оболочки
при заполненных 6s-, 6p- и 7s- оболочках). В свободном виде это серебристо-белые металлы, температура плавления ок. 640оС, кипения ок. 3500оС.
Как и все тяжелые металлы, эти элементы очень
токсичны, как в свободном виде, так и в виде химических соединений.

Америций
После того, как было накоплено достаточное количество плутония-239, появилась возможность получения следующих трансурановых элементов.
95-й элемент был получен в 1944 г также в лаборатории им. Э.Лоуренса в г. Беркли (США) группой
американских физиков под рук. Г.Сиборга в результате двух реакций захвата нейтрона ядрами
плутония и бета-распада плутония-241:
n
239
Pu94
240
Pu94
n 240 Pu94 241Pu94
241
Pu94
241
Am95 e e

Назван в честь страны открытия, латинское название Americium (Am). В настоящее время известно
11 изотопов америция, наиболее долгоживущий
среди них изотоп 243Am95 (T1/2 = 7370 лет).
По строению электронной оболочки атома и по своим химическим свойствам относится к актиноидам.
В свободном виде это серебристый металл, температура плавления ок. 1180оС, кипения 2070оС,
плотность 13.7 г/см3.
Применяется для изготовления нейтронных источников (в смеси с бериллием). Сообщалось также, что
некоторые изотопы америция имеют малую критическую массу, и могут использоваться для создания тактического ядерного оружия ("ядерных снарядов" и "ядерных пуль").

Кюрий
96-й элемент также был получен в 1944 г в той же
лаборатории в США той же группой физиков под
рук. Г.Сиборга в результате реакции
4
He2
239
Pu94
Cm96 n
242
Назван в честь Пьер Кюри и Марии Склодовской-Кюри, латинское название Curium (Cm). В настоящее
время известно 14 изотопов кюрия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 247Cm96 (T1/2 = 1.6·107
лет). По строению атома и по химическим свойствам относится к актиноидам. В свободном виде
это серебристо-белый металл, температура плавления ок. 1345оС, кипения 3200оС, плотность 13.5
г/см3. Применяется для изготовления компактных
источников тока в космонавтике.

Берклий
После накопления достаточного количества америция, в 1949 году в той же лаборатории в США под
рук. Г.Сиборга был получен 97-й элемент в результате реакции
4
241
243
He2
Am95
Bk97 2n
названный в честь города Беркли (Berkeley), латинское название Berkelium (Bk). В настоящее время
известно 10 изотопов берклия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 247Bk97 (T1/2 = 1380 лет). По
строению атома и по химическим свойствам относится к актиноидам. Температура плавления
986оС, кипения 2585оС, плотность 14.8 г/см3. Применяется, так же, как и кюрий, для изготовления
компактных источников тока в космонавтике.

Калифорний
После накопления достаточного количества кюрия, в
1950 году в США под рук. Г.Сиборга был получен
98-й элемент в результате реакции
4
He2 242Cm96 245Cf98 n
Латинское название Californium (Cf). Сейчас известно 15 изотопов калифорния, наиболее долгоживущий среди них изотоп 251Cf98 (T1/2 = 900 лет). По
строению атома относится к актиноидам. Температура плавления 900оС, плотность 15.1 г/см3.
Практическое значение имеет 252Cf98 (T1/2 = 2.6 г),
который является мощным источником нейтронов
(3·1012 нейтронов на 1 г 252Cf98). Возможно также
использование 251Cf98 для изготовления компактных ядерных пуль (критическая масса 10г).

Эйнштейний и Фермий
99-й и 100-й элементы открыли американские физики А.Гиорсо (A.Ghiorso), С.Томпсон (S.G.Thompson) и Г.Хиггинс (G.H.Higgins) в 1952г при анализе
продуктов взрыва водородной бомбы. В момент
взрыва за время 10-7с образуется 1024 нейтронов,
поэтому ядро урана успевает захватить сразу 1517 нейтронов, а дальше в результате цепочки бета-распадов образуются 99-й и 100-й элементы:
U 92 15n
238
U 92 ...
253
253
Es99
U 92 17n 255U 92 ... 255 Fm100
238
Названия даны в честь А.Эйнштейна и Э.Ферми. Латинские названия: Einsteinium (Es) и Fermium (Fm).

Позднее эти элементы были также получены по традиционной схеме, облучением ядер берклия и калифорния альфа-частицами.
В настоящее время известно 13 изотопов эйнштейния и 16 изотопов фермия. Наиболее долгоживущие среди них: изотоп 254Es99 (T1/2 = 276 дней) и
257Fm
100 (T1/2 = 94 дня).
По строению атома и по химическим свойствам оба
эти элемента относятся к тяжелым актиноидам
(почти заполнена 5f-оболочка: у эйнштейния 11
электронов, у фермия 12 электронов на 5f-оболочке при заполненных 6s-, 6p- и 7s- оболочках).
Мишени, содержащие атомы эйнштейния и фермия,
использовались для получения следующих трансурановых элементов.

Менделевий
После того, как было накоплено достаточное количество атомов эйнштейния, в 1955 году в той же лаборатории в США, что и предыдущие трансурановые элементы (рук. Г.Сиборг) был получен 101-й
элемент в реакции:
4
He2
253
Es99
256
Md101 n
Название дано в честь Д.И.Менделеева, латинское
название Mendelevium (Md).
По строению атома менделевий относится к тяжелым актиноидам: 13 электронов на 5f-оболочке
при заполненных 6s-, 6p- и 7s- оболочках. Сейчас
известно 9 изотопов менделевия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 258Md101 (T1/2 = 55 дней).

Нобелий, Nobelium (No)
Впервые о синтезе 102-го элемента сообщила в 1957
г международная группа физиков, работав-ших в
Стокгольме (Швеция), которая и назвала его в
честь А.Нобеля. Однако в дальнейшем это открытие не подтвердилось. В 1958 г группа Г.Сиборга объявила об открытии 254No102, однако свойства
этого изотопа были определены с большой погрешностью.
В 1961 г в России, в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном г. Дубна был построен ускоритель тяжелых ионов: циклотрон У-400, на котором в 1963-1966 гг под рук.
Г.Н.Флерова были получены надежные сведения
об этом элементе.

У-400

Ускоритель тяжелых ионов Дубненский циклотрон
У-400

102-й элемент был получен в 3-х реакциях:
15
N7 243 Am95 254 No102 4n
16
O8 242 Pu94 254 No102 4n
22
Ne10
U 92
238
256
No102 4n
В настоящее время известно 10 изотопов нобелия,
наиболее долгоживущий среди них изотоп 259No102
(T1/2 = 58 минут).
Нобелий является последним элементом группы актиноидов: у него полностью заполнена 5f-оболочка
(14 электронов), а также заполнены 6s-, 6p- и 7sоболочки.

Лоуренсий, Lawrencium (Lr)
Впервые о синтезе ядер 103-го элемента в 1961 г сообщил А.Гиорсо (лаборатория в Беркли). Название дано в честь американского физика Эрнеста
Лоуренса, создателя циклотрона (нобелевская
премия 1939г). В 1965-1967 гг Г.Н.Флеров в Дубненской лаборатории ОИЯИ получил 103-й элемент в реакции 18
243
256
O8
Am95
Lr103 5n
и исследовал свойства этого элемента. Сейчас известны 9 изотопов лоуренсия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 260Lr103 (T1/2 = 3 минуты).
По современным уточненным данным Лоуренсий является уже d-элементом, т.к. с него начинается заполнение d-оболочки (1 электрон на 6d-оболочке).

Резерфордий (Rf)
С 60-х гг прошлого века, после того, как был построен У-400, дубненская лаборатория получила возможность на-равных соревноваться в синтезе трансурановых элементов с лабораторией в Беркли. Первый изотоп 104-го элемента был получен Г.Н.Флеровым в 1964 г в реакции 22
242
260
Ne10
Pu94
Rf104 4n
Вскоре после этого Г.Сиборг в Беркли получил несколько других изотопов. Сейчас известно 8 изотопов
резерфордия, наиболее долгоживущий среди них
изотоп 261Rf104 (T1/2 = 70 секунд). По химическим свойствам резерфордий является d-элементом, аналогом гафния и циркония (2 электрона на 6d-оболочке). В России 104-й элемент назывался Курчатовий,
но в 1997г ИЮПАК утвердил название Резерфордий

105-й элемент Дубний (Db) впервые получен в 1970 г
в Дубне в реакции
22
Ne10 243 Am95 262 Db105 4n
Сейчас известно 4 изотопа дубния, наиболее долгоживущий среди них изотоп 262Db105 (T1/2=40 секунд).
106-й элемент Сиборгий (Sg) получен в 1974 г в реакции
54
207
259
Cr24
Pb82
Sg106 2n
назван в честь Гленна Сиборга.
107-й элемент Борий (Bh) получен в 1976г в реакции
54
Cr24
209
Bi83
261
Bh107 2n
назван в честь Нильса Бора (N.Bohr).

108-й элемент Хассий (Hs) синтезирован в 1984 г в
лаборатории г. Дармштадт (Германия) в реакции:
58
Fe26 208 Pb82 265 Hs108 n
Назван в честь немецкой земли Гессен (Hassia). Наиболее долгоживущий изотоп 270Hs108 (T1/2 = 22с).
109-й элемент Мейтнерий (Mt) синтезирован там же
в 1982 г в реакции: 58
209
266
Fe26
Bi83
Mt109 n
Назван в честь австрийской ученой Лизе Мейтнер.
Наиболее долгоживущий изотоп 278Mt109 (T1/2 = 7.6с).
110-й элемент Дармштадтий (Ds) синтезирован там
же в 1995г в реакции
62
Ni28
208
Pb82
269
Ds110 n
Наиболее долгоживущий изотоп 281Ds110 (T1/2 = 9.6с).

111-й элемент Рентгений (Rg) синтезирован в 1994 г
в лаборатории г. Дармштадт в реакции:
64
Ni28 209 Bi83 272 Rg111 n
Наиболее долгоживущий изотоп 281Rg111 (T1/2 = 26с).
112-й элемент Коперниций (Cn) синтезирован там же
в 1996 г в реакции:
70
Zn30
208
Pb82
Cn112 n
277
Наиболее долгоживущий изотоп 285Cn112 (T1/2 = 30с).
113-й элемент Нихоний (Nh) синтезирован в 2004г в
Японском исследовательском центре в реакции
48
Ca20
237
Np93
282
Nh113 3n
Японцы называют свою страну Нихон (страна восходящего солнца). Наиболее долгоживущий изотоп
286Nh
113 (T1/2 =19.6с).

114-й элемент Флеровий (Fl) синтезирован в России
в ОИЯИ (г. Дубна) в 1999 г в реакции:
48
Ca20 244 Pu94 288 Fl114 4n
Назван в честь Георгия Николаевича Флерова. Наиболее долгоживущий изотоп 289Fl114 (T1/2 = 2.7с).
115-й элемент Московий (Mc) синтезирован в 2004 г
там же в реакции: 48
243
272
Ca20
Am95
Mc115 2n
Наиболее долгоживущий изотоп 289Mc115 (T1/2 =0.16с).
116-й элемент Ливерморий (Lv) синтезирован в США
в 2000г в исследовательском центре в г. Ливермор
в реакции
48
Ca20 248Cm96 293 Lv116 3n
Наиболее долгоживущий изотоп 293Lv116 (T1/2 = 53мс).

117-й элемент Теннесин (Ts) синтезирован в США в
2010 г в реакции: 48
249
294
Ca20
Bk97
Ts117 3n
Назван в честь штата Теннеси, где в г. Ок-Ридж находится Национальная лаборатория Министерства энергетики США. Наиболее долгоживущий изотоп 294Ts117 (T1/2 = 51мс).
118-й элемент Оганесон (Og) синтезирован в России
в ОИЯИ (г. Дубна) в 2006 г в реакции:
86
Kr36 208 Pb82 293Og118 n
Назван в честь Юрия Цолаковича Оганесяна. Пока
известен один изотоп, T1/2=0.89мс. Оганесон завершает седьмой период таблицы Менделеева, по химическим свойствам он должен быть аналогом инертных газов, отсюда название ("он", а не "ий").

Зависимость энергии связи ядра от параметра деформации

Пунктирная кривая соответствует Z2/A > 49, т.е.
Z > 125, A > 320.
Для сплошной кривой
Z2/A < 49.
Оценки с помощью капельной модели ядра показывают, что ядро с числом
протонов Z > 125, должно "мгновенно" (за ядерное
время 5·10-22 с) разделиться на осколки, т.е. периодическая таблица Менделеева должна закончиться в районе 125-го элемента.

Зависимость T1/2
спонтанного деления от параметра
Z2/A. Белые кружочки - экспериментальные данные; пересекающая рисунок сплошная кривая рассчитана по капельной модели
ядра.
(10-6 года = 31.5с)

С момента возникновения нашей планеты прошло около 4,5 миллиардов лет. Сейчас на Земле сохранились только те элементы, которые не распались за это время, то есть смогли «дожить» до сегодняшнего дня - иными словами, время их полураспада дольше, чем возраст Земли. Названия этих элементов мы можем увидеть в Периодической таблице элементов (до урана).

Все элементы тяжелее урана образовались когда-то в процессе ядерного синтеза, но не дожили до наших дней. Потому что уже распались.

Вот поэтому люди вынуждены воспроизводить их заново.

Например: Плутоний. Период его полураспада всего 25 тысяч лет - совсем немного по сравнению с жизнью Земли. Этот элемент, утверждают эксперты, непременно существовал при зарождении планеты, но уже распался. Плутоний производится искусственно десятками тонн и является, как известно, одним из мощных источников энергии.

Что представляет собой процесс искусственного синтеза?

Ученые не в состоянии воссоздать ситуацию условного «сотворения мира» (т.е. необходимое состояние материи при температурах в миллиарды градусов Цельсия) в лабораторных условиях. «Сотворить» элементы в точности так, как это происходило при образовании Солнечной системы и Земли, невозможно. В процессе искусственного синтеза специалисты действуют доступными здесь на Земле средствами, но получают общее представление о том, как могло это происходить тогда и как, возможно, происходит сейчас на далеких звездах.

В общих чертах эксперимент происходит следующим образом. К ядру природного элемента (к примеру, кальция) добавляются нейтроны до тех пор, пока ядро не перестает принимать их. Последний изотоп, перегруженный нейтронами, проживает очень недолго, а произвести следующий не получается вообще. Это и есть критическая точка: предел существования ядер, перегруженных нейтронами.

Как много новых элементов можно создать?

Неизвестно. Вопрос о границе Периодической системы до сих пор открыт.

Кто придумывает название для новых элементов?

Сама процедура признания нового элемента очень сложна. Одним из ключевых требований является то, что открытие должно быть независимо перепроверено, экспериментально подтверждено. Значит, его надо повторить.

Так, например, для официального признания 112-го элемента, который был получен в Германии в 1996 году, понадобилось 14 лет. Церемония «крещения» элемента прошла только в июле 2010 года.

В мире есть несколько наиболее известных лабораторий , сотрудникам которых удалось синтезировать один или даже несколько новых элементов. Это Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Московская область), Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса в Калифорнии (США), Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (США), Европейский Центр по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте (Германия) и др.

После того, как Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признает факт синтеза новых химических элементов, право предлагать для них названия получают их официально признанные первооткрыватели.

При подготовке использованы материалы статей и интервью академика Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?

Алексей Левин

Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента — от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.

Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов — нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.

Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.

Первый искусственный

Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.

Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28. Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически — правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева — минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.

Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого — искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Легкие снаряды

Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.

Следующий, 94-й элемент — плутоний — впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.

Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.

60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.

Тяжелые ионы

Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 — фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).

Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 — в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.

В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения — например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.

Всего три атома

118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) — 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 — единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.

«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, — вспоминает Кентон Муди. — Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».

«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, — объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. — Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой — кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов — сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку — ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов — удовольствие не из дешевых». На фото: при попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.

Мафусаил номер 117

Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже — в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.

В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа — 14 миллисекунд, а более тяжелого — целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже — несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).

Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.