Борис Казаков - Превращение элементов

С головы на ноги (или наоборот) перевернулась мечта алхимиков. Они стремились получить золото из других, неблагородных, металлов. Современные же алхимики использовали золото как сырьевой материал для получения элементов, дотоле неизвестных. Возможно, что средневековые алхимики сочли бы такую работу противной воле Творца, форменным кощунством, но современная наука считает её своим великолепным достижением.

Открытие элементов, находящихся за пределами существовавшей тогда таблицы периодической системы, началось, как уже упоминалось, раньше, нежели были заполнены её пробелы. Честь открытия первого зауранового элемента принадлежит Э.Макмиллану.

Сейчас даже трудно поверить в то, что послужила ему в этом всего лишь книжечка из папиросной бумаги.

На первый её листок учёный нанёс слои окиси урана, а затем использовал её в качестве мишени в циклотроне. После обстрела нейтронами Макмиллан извлёк книжечку из установки и с помощью счётчика Гейгера стал измерять радиоактивность каждого её листика. Нужные данные были получены, но выявились и некоторые побочные результаты, значительно более важные, нежели те, ради которых был поставлен эксперимент.

Главным было то, что первый листок бумаги содержал какое-то вещество, имевшее совершенно непохожий (по сравнению с другими листиками) период полураспада. Если бы это было более лёгкое вещество, то ничто не мешало бы ему пройти через толщу листка с остальными продуктами. Наблюдалась радиоактивность, с которой Макмиллан ранее не встречался. Прежде всего это было бета-излучение, приводившее к повышению заряда ядра, а стало быть, к появлению нового, более тяжёлого элемента.

В это время к Макмиллану приехал на летние каникулы старый его друг Ф.Абельсон, здесь он намеревался отдохнуть, но вместо отдыха получил напряжённую, изнурительную работу по изучению химических свойств нового радиоактивного вещества. Это и был 93-й элемент, который они без долгих размышлений нарекли нептунием, в честь планеты Нептун. Их ожидал сюрприз. Согласно периодической системе новый элемент — это экарений. Два друга стали искать у него свойства, подтверждающие это, и не нашли. Нашли они другое: свойства нового элемента лишь незначительно отличались от свойств «родителя» — урана.

Абельсон вернулся на место своей постоянной работы, а Макмиллан продолжал эксперименты, надеясь открыть и следующий, 94-й элемент. Надежда была вполне обоснованной: нептуний радиоактивен, он выбрасывает электроны, следовательно, заряд ядра его должен повыситься. Поиски, начатые Макмилланом, продолжила группа американских учёных, возглавленная Гленном Сиборгом.

После того как выяснилось, что в урановом реакторе накапливается плутоний-239, способный к делению так же, как уран-235, возникла проблема отделения этого нового элемента; естественно, прежде чем что-либо можно было придумать для этого, следовало узнать, что он собой представляет, какими химическими и физическими свойствами обладает. Но как изучать, если весь запас плутония умещался на острие иглы? В ультрамикровесах, которыми пользовались тогда химики, для поддержки коромысла и чашек использовались кварцевые нити тоньше человеческого волоса, и взвешивались на них количества порядка трёх тысячных миллиграмма. Недаром, пожалуй, химики шутили тогда, что им приходится взвешивать невидимые образцы на невидимых весах.

С химической точки зрения плутоний оказался интересным элементом, так как его соли в растворе изменяли окраску в зависимости от валентного состояния, как это бывает у марганца или хрома. Но ни с марганцем, ни с хромом его ничто не связывало, он был похож опять-таки на уран.

По сходству этих элементов с ураном их стали называть уранидами, но связь их между собой оставалась для учёных непонятной. И Сиборг предположил, что не уран, а актиний является родоначальником группы схожих элементов, подобно тому как это наблюдается у группы редкоземельных — лантаноидов. С принятием этой гипотезы всё становилось на место, и после ряда неудач открылась возможность синтезировать следующие элементы — 95-й и 96-й. Достигли этого сравнительно быстро. 95-й элемент обнаружили, когда обстреляли плутониевую мишень нейтронами, а 96-й — альфа-частицами.

Словом, все эти новые элементы по названию составляют своеобразный параллельный ряд группе редкоземельных элементов. Даже между диспрозием и калифорнием в этом смысле есть та же параллель. Диспрозий значит труднодоступный, а калифорний — производное от штата Калифорния, крайнего Запада Америки, заселение которого было, как считается, очень трудным. Синтеза калифорния ждали целых пять лет по той причине, что слишком мало было исходного материала — элементов америция и кюрия. Открыли калифорний в 1950 г., а первое поддающееся взвешиванию количество (порядка трёх стотысячных миллиграмма) было получено лишь в 1958 г. Синтез дальнейших элементов таким образом упёрся в отсутствие исходных материалов. Однако пример плутония, который был получен в урановых реакторах в количествах, достаточных для того, чтобы совершить акт изуверства над населением города Нагасаки, наводил на мысль о том, что возможно для синтеза более тяжёлых элементов найдутся другие пути.

Под кодовым названием «Операция Майк» было проведено испытание термоядерного устройства в 1952 г.

В радиоактивное облако, взметнувшееся над океанским простором, были направлены беспилотные самолёты, управляемые по радио. В специальных бумажных фильтрах они доставили всё, что удалось собрать в атмосфере вблизи взрыва. Эта операция получила название «дорогостоящая грязь».

Разделение захваченного материала на ионообменной колонке сразу показало, что он содержит ещё неизвестные тяжёлые элементы. Выяснилось, что при многомиллионноградусной температуре, развивающейся в момент взрыва, ядро урана способно захватить до 17 нейтронов и увеличить свою массу до 255. Этот чрезвычайно тяжёлый изотоп немедленно распадается с образованием заурановых элементов от № 93 до № 100. Чтобы получить сколь-нибудь заметные количества 99-го и 100-го элементов, названных эйнштейнием и фермием, пришлось переработать тонны кораллов, собранных на месте взрыва.

Таково было первое знакомство с новыми элементами, а потом их научились получать в атомном реакторе. Для этого стали изготовлять образцы из плутониевого сплава в виде салфеточных колец и помещать в реактор, предварительно окружая их алюминиевыми чехлами (для постоянного охлаждения). Часть плутония поглощала нейтроны, превращаясь (после бета-излучения) в америций, который выбрасывал электрон и становился кюрием; кюрий в свою очередь поглощал нейтроны, после чего через бета-излучение становился эйнштейнием и т. д. Это принцип так называемой горячей лаборатории.