Аркадий Курамшин - Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Помимо «зажигательной свечи» для ядерного реактора небольшие количества калифорния применяются в устройствах, в которых нужен поток нейтронов, из которых наиболее известны датчики для разведывания нефтяных месторождений. Эти детекторы направляют поток нейтронов в исследуемый материал, в котором ядра водорода, безусловно присутствующие в составе углеводородов нефти, замедляют поток нейтронов, то есть позволяют искать молекулы, содержащие водород, в подземных резервуарах. Нейтроны, испускаемые калифорнием, также позволяют искать серебро и золото. Метод, применяющийся для поиска этих металлов, называется нейтронно-активационный анализ — область, в которой идет геологическая разведка, облучают нейтронами и расшифровывают картину γ-излучения, выделяющегося в результате взаимодействия образца с нейтронами — характер ответного излучения индивидуален для каждого металла.

99. Эйнштейний

С первого взгляда, нет ничего странного в том, что элемент № 99 называется эйнштейнием, в конце концов — Эйнштейн самый известный физик XX века, причем настолько, что его формулу — Е=mс 2на зачёте по концепциям современного естествознания могут написать даже те студенты гуманитарных специальностей, которые не ходили на лекции и семинары (ну или почти все — в этом году так я действительно повстречал чудо-студента, который на смог ответить на вопрос: «Скажите, кто составил таблицу Менделеева?»). Тем не менее, слава — не единственная причина попасть в клуб «людей и элементов». Есть химические элементы, названные в честь Бора, Флёрова, Резерфорда, Кюри, Сиборга и Оганесяна (в честь двух последних элементы назвали прижизненно), но в Периодической системе нет Ньютона, Дарвина, Бутлерова, Фейнмана или Дирака.

Ключ к тому, почему в Периодической системе появилось имя Эйнштейна, лежит в том, что практически все учёные, именами которых названы химические элементы (кроме разве что одного, но об этом позже) сыграли важную роль в изучении строения атомов. Мы часто вспоминаем Эйнштейна как автора специальной и общей теорий относительности (которые у многих почему-то сливаются воедино), забывая о том, что работы Эйнштейна заложили основы квантовой теории, без которой сложно представить, как современные представления о строении атома, так и теорию химической связи.

По правде говоря, про химический элемент, названный в честь Эйнштейна, нельзя сказать, что он также знаменит, как и его «крёстный» — это один из актиноидов, как и все актиноиды не имеющий стабильных изотопов, самый стабильный из которых — 252Es, характеризуется периодом полураспада в 472 дня, а наиболее просто получающийся — 253Es, периодом полураспада в 20 дней. Тех небольших количеств эйнштейния, которые удалось получить, хватило, чтобы понять, что эйнштейний, как и другие актиноиды, представляет собой серебристо-белый металл.

Можно сказать, что обстоятельства открытия эйнштейния необычны даже по сравнению с другими трансурановыми элементами — рождение эйнштейния подстегнула гонка вооружений. После того, как 29 августа 1949 года на полигоне в Семипалатинске была испытана первая советская атомная бомба, в США поняли, что они лишились своего козыря в противостоянии с СССР и решили разработать еще более мощное оружие. Новая, как тогда это называлось в официальных документах «супербомба» имела следующую принципиальную схему — запал в виде атомной бомбы должен был создать температуру и давление, достаточные, чтобы инициировать протекающее с выделением колоссальной энергии слияние атомов дейтерия (тяжелого водорода), такое же слияние дейтерия с образованием гелия происходит в звездах, в том числе и звезде по имени Солнце. «Супербомба» или как потом её стали называть, водородная бомба уже относится не к ядерному, а к термоядерному оружию. Испытание первого образца этого оружия США провели на атолле Эниветок в южной части Тихого океана. Сомнительная эстетика награждать бомбы именами собственными — Троица, Малыш, Толстяк, была выдержана и здесь. Благодаря вытянутой цилиндрической форме устройство получило название «Сосиска».

США испытали Сосиску 1 ноября 1952 года, мощность взрыва составила 10 мегатонн в тротиловом эквиваленте — в пятьсот раз больше мощности бомбы, сброшенной на Нагасаки. Островок атолла, на котором проводились испытания, был полностью уничтожен. Следует отметить, что на Эниветоке США испытало не водородную бомбу, а термоядерное устройство, показав принципиальную возможность создания оружия такого типа — Сосиска весила 74 тонны, её высота была чуть больше шести метров, то есть на роль бомбы устройство никак не тянуло. Первая же в мире водородная бомба — компактная и легкая настолько, что её можно было бы доставить к цели с помощью ракеты или стратегического бомбардировщика, была испытана менее, чем через год после взрыва Сосиски — 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне в СССР.

Взрыв на Эниветоке был такой мощности, что породил новый элемент. Как это стало известно? Дело в том, что испытания не ограничивались интересом «взорвется или нет» — тонны материалов, отобранных с места выпадения радиоактивных осадков во время испытания, были отправлены в радиационную лабораторию Беркли. Там среди сгоревших кораллов и пепла Альберт Гиорсо обнаружил атомы элемента с номером 99, который в апреле 1955 года получил название «эйнштейний» (первоначально для обозначения эйнштейния использовался символ «Е», к привычному сейчас символу «Es» перешли в 1960-е годы). Создание и испытания Сосиски были засекречены, и об открытии нового элемента сообщили только спустя три года. В августе 1955 года в журнале Physical Review была опубликована статья об открытии элемента № 99, в которой его предлагали назвать эйнштейнием ( Phys. Rev. 1955. 99 (3): 1048–1049 ).

Как же образовался эйнштейний? Во время взрыва некоторые атомы урана из атомной бомбы-запала смогли поглотить колоссальное количество нейтронов, превратившись на долю мгновения в сверхтяжёлые изотопы урана, которые претерпевали β-распад, в результате чего (если упрощать) «лишние» нейтроны превращались в пары протон-электрон, и порядковый номер элемента увеличивался. Энергия и плотность потока нейтронов во время испытания были столь значительны, что некоторые атомы урана с номером 92 превратились в атомы с номерами 99 и 100. При испытаниях образовался эйнштейний 253Es.

К счастью сейчас, если есть необходимость в эйнштейнии (а такая необходимость может возникнуть, так как этот элемент — хорошая мишень для получения ещё более тяжёлых атомных ядер), нет необходимости взрывать термоядерные боеприпасы. Современный способ получения эйнштейния заключается либо в длительной (продолжающейся несколько лет) бомбардировке плутония нейтронами, либо в бомбардировке урана ядрами азота или кислорода. Сам по себе эйнштейний представляет собой серебристо-белый металл, достаточно летучий и с умеренной для столь тяжёлого элемента температурой плавления — 860 °C. В своих соединениях эйнштейний проявляет степень окисления +2 и +3, известны и изучены такие соединения элемента № 99, как Es 2O 3, EsCl 3, EsOCl и EsBr 2.