Какви химически елементи се създават от човека?

Първият списък от тридесет и три предполагаеми елемента, „Таблица с вещества, принадлежащи към всички царства на природата, които могат да се считат за най-простите части на телата“, е публикуван от Антоан Лоран Лавоазие през 1789 година. Заедно с кислород, азот, водород, седемнадесет метала и няколко други реални елемента, в него се появиха светлина, калоричност и някои оксиди. И когато 80 години по-късно Менделеев излезе с Периодичната система, химиците знаеха 62 елемента. До началото на 20 век се смяташе, че в природата съществуват 92 елемента - от водород до уран, въпреки че някои от тях все още не са открити.

Независимо от това, още в края на 19 век учените признават съществуването на елементи, следващи урана (трансурани) в периодичната таблица, но те не могат да бъдат открити. Вече е известно, че земната кора съдържа следи от 93-и и 94-и елементи - нептуний и плутоний. Но в исторически план тези елементи са получени първо изкуствено и едва след това са открити в състава на минералите.

От 94 първи елемента 83 имат или стабилни, или дълголетни изотопи, чийто полуживот е съпоставим с възрастта на Слънчевата система (те дойдоха на нашата планета от протопланетен облак). Животът на останалите 11 природни елемента е много по-кратък и затова те възникват в земната кора само в резултат на радиоактивни разложения за кратко време. Но какво да кажем за всички останали елементи, от 95-та до 118-та? На нашата планета няма такива. Всички те са получени изкуствено.

Първо изкуствено

Създаването на изкуствени елементи има дълга история. Основната възможност за това става ясна през 1932 г., когато Вернер Хайзенберг и Дмитрий Иваненко стигат до извода, че атомните ядра се състоят от протони и неутрони. Две години по-късно групата на Енрико Ферми се опита да произведе трансурани чрез облъчване на уран с бавни неутрони. Предполагаше се, че ядрото на уран ще улавя един или два неутрона, след което ще претърпи бета-разпад с раждането на 93-ия или 94-ия елемент. Те дори побързаха да обявят откриването на трансурани, които през 1938 г. в своята Нобелова реч Ферми нарече Аусония и Хеспериум. Немските радиохимици Ото Ган и Фриц Страсман, заедно с австрийския физик Лиза Мейтнер, скоро показаха, че Ферми греши: тези нуклиди са изотопи на вече известни елементи, възникнали в резултат на разделянето на ядра на уран в двойки фрагменти с приблизително една и съща маса. Именно това откритие, направено през декември 1938 г., направи възможно създаването на ядрен реактор и атомна бомба.

Патент на седмицата: ваксина срещу едра шарка

Вътре в ядрата има протонни и неутронни обвивки, донякъде подобни на електронните обвивки на атомите. Ядрата с напълно напълнени черупки са особено устойчиви на спонтанни трансформации. Броят на неутроните и протоните, съответстващи на такива обвивки, се нарича магия. Някои от тях са определени експериментално - това са 2, 8, 20 и 28. Моделите на черупките позволяват да се изчислят „магическите числа“ на свръхтежките ядра и теоретично - обаче, без пълна гаранция. Има основание да очакваме, че неутронното число 184 ще бъде магическо. Протонните числа 114, 120 и 126 могат да съответстват на него и последното отново трябва да бъде магическо. Ако това е така, тогава изотопите на 114-ти, 120-ти и 126-ти елемент, всеки от които съдържа 184 неутрона, ще живеят много по-дълго от съседите си според периодичната таблица - минути, часове и дори години (тази област на таблицата обикновено се нарича остров на стабилност ). Учените полагат най-големи надежди на последния изотоп с двойно магическо ядро.

Първият синтезиран елемент изобщо не беше трансуран, а предсказаният от Менделеев екамарганес. Търсен е в различни руди, но безрезултатно. А през 1937 г. екамарган, наричан по-късно технеций (от гръцки - изкуствен), е получен чрез изстрелване на молибденова мишена с ядра на деутерий, разпръснати в циклотрона на Националната лаборатория на Лорънс Беркли.

Леки черупки

Елементи от 93-та до 101-та са получени чрез взаимодействието на уранови ядра или трансурани, следващи го с неутрони, дейтерони (деутериеви ядра) или алфа-частици (хелиеви ядра). Първият успех тук са постигнати от американците Едвин Макмилан и Филип Абелсън, които синтезират Нептуний-239 през 1940 г., изпълнявайки идеята на Ферми: улавяне на бавни неутрони с уран-238 и последващото бета разпадане на уран-239.

Следващият, 94-и елемент - плутоний - е открит за пръв път при изучаване на бета-разпадането на нептуний-238, получено при бомбардиране с дейтерон на уран в Калифорнийския университет в Беркли в циклотрон в началото на 1941 г. И скоро стана ясно, че плутоний-239 под въздействието на бавни неутрони не е по-лош от уран-235 и може да служи като пълнеж на атомна бомба. Следователно цялата информация за получаването и свойствата на този елемент е класифицирана и статия на Макмилан, Глен Сиборг (за техните открития те споделят Нобеловата награда от 1951 г.) и техните колеги със съобщение за втория трансуриум се появява на печат едва през 1946 г.

Американските власти забавят с почти шест години публикуването на откритието на 95-ия елемент „Америка“, който в края на 1944 г. е изолиран от групата на Сиборг от продуктите на неутронното бомбардиране на плутоний в ядрен реактор. Няколко месеца по-рано физиците от същия екип получиха първия изотоп на 96-ия елемент с атомно тегло 242, синтезиран чрез бомбардиране на уран-239 с ускорени алфа частици. Наречен е Кюри в знак на признание за научните достойнства на Пиер и Мария Кюри, като по този начин се открива традицията да се назовават трансурани в чест на класиците на физиката и химията.

60-инчовият циклотрон на Калифорнийския университет стана обект на създаването на още три елемента - 97-и, 98-и и 101-и. Първите две са кръстени на мястото на раждане - Бъркли и Калифорния. Бъркли е синтезиран през декември 1949 г., когато алфа-частиците са изстреляни по цел от Америциум, Калифорния - два месеца по-късно при същата бомбардировка с куриум. 99-ти и 100-ти елемент, Einsteinium и Fermium, са открити чрез радиохимичен анализ на проби, събрани в района на атола Eniwetok, където на 1 ноември 1952 г. американците взривяват десетметатонов термоядрен заряд „Майк“, чиято обвивка е направена от уран-238. По време на експлозията урановите ядра абсорбират до петнадесет неутрона, след което претърпяват вериги на бета-разпад, което доведе до образуването на тези елементи. 101-ият елемент, Менделий, е получен в началото на 1955 г. Seaborg, Albert Gyorso, Bernard Harvey, Gregory Choppin и Stanley Thomson бяха подложени на алфа-частично бомбардиране от около милиард (това е много малко, но просто вече не е) Атомите на Айнщайн електролитно депозирани върху златно фолио. Въпреки изключително високата плътност на лъчите (60 трилиона алфа частици в секунда), са получени само 17 Менделови атоми, но техните радиационни и химични свойства са установени.

Тежки йони

Менделеев стана последният трансуран, получен с неутрони, дейтерони или алфа-частици. За да се получат следните елементи, бяха необходими цели от елемент 100 - фермий, които след това беше невъзможно да се произведат (дори и сега в ядрени реактори фермионите се произвеждат в количества от нанограма).

Учените поеха по друг път: те използваха йонизирани атоми, за да бомбардират цели, чиито ядра съдържат повече от два протона (те се наричат ​​тежки йони). За ускоряване на йонните лъчи бяха необходими специализирани ускорители. Първата такава машина HILAC (тежък йонен линеен ускорител) е пусната в Беркли през 1957 г., втората, циклотрон U-300, е пусната в Съвместния институт за ядрени изследвания в Дубна през 60-те години. По-късно в Дъбна бяха пуснати по-мощни U-400 и U-400M единици. От края на 1975 г. в германския център „Хелмхолц“ за изследване на тежки йони във Викхаузен, един от областите Дармщат, работи друг ускорител UNILAC (универсален линеен ускорител).

По време на тежко йонно бомбардиране на цели от олово, бисмут, уран или трансурани възникват силно възбудени (горещи) ядра, които или се разлагат, или изхвърлят излишната енергия чрез излъчването (изпаряването) на неутроните. Понякога тези ядра отделят един или два неутрона, след което претърпяват други трансформации - например алфа-разпад. Този тип синтез се нарича студен. В Дармщат с негова помощ са получени елементи с числа от 107 (borium) до 112 (kopernits). По същия начин през 2004 г. японските физици създават един атом от 113-ия елемент (година по-рано той е получен в Дубна). С горещо сливане новородените ядра губят повече неутрони - от три до пет. По този начин елементи от Беркли и Дубна синтезират елементи от 102-та (Нобелова) до 106-та (Seaborgium, в чест на Глен Себорг, под чието ръководство са създадени девет нови елемента). По-късно, в Дубна, шестте най-масови свръхтежа са произведени по този начин - от 113-та до 118-та. Международният съюз по теоретична и приложна химия (IUPAC, Международен съюз за чиста и приложна химия) досега одобрява само имената на 114-ти (флеровиум) и 116-и (чернодробен) елементи.

Само три атома

118-тият елемент с временното наименование на ununctii и символа Uuo (според правилата на IUPAC, временните имена на елементи се формират от латински и гръцки корени на имената на номерата на техните атомни номера, un-un-oct (ium) - 118) е създаден от съвместните усилия на две научни групи: Дубнинская под ръководството на Юри Хованнисян и Националната лаборатория Ливърмор под ръководството на Кентън Муди, студент от Сийборг. Унуктиумът в периодичната таблица се намира под радон и следователно може да бъде благороден газ. Все още обаче не е възможно да се определят неговите химични свойства, тъй като физиците създават само три атома от този елемент с масов брой 294 (118 протона, 176 неутрона) и полуразпад около милисекунда: два през 2002 г. и един през 2005 г. Те са получени чрез бомбардиране на мишена от Калифорния-249 (98 протона, 151 неутрона) с тежки калциеви изотопни йони с атомна маса 48 (20 протона и 28 неутрона), разпръснати на ускорителя U-400. Общият брой на калциевите „куршуми“ беше 4, 1х1019, така че производителността на „унцикловия генератор“ на Дубнински е изключително малка. Според Kenton Moody обаче U-400 е единствената машина в света, на която може да се синтезира 118-ият елемент.

„Всяка серия от експерименти върху синтеза на трансурани добавя нова информация за структурата на ядрената материя, която се използва за моделиране свойствата на свръхтежки ядра. По-конкретно, работата по синтеза на 118-ия елемент ни позволи да изхвърлим няколко предишни модела “, спомня си Кентън Муди. - Направихме цел от Калифорния, тъй като не бяха налице по-тежки елементи в правилните количества. Калций-48 съдържа осем допълнителни неутрона в сравнение с основния му изотоп на калций-40. При сливането на ядрото му с ядрото на Калифорния се образуват ядра със 179 неутрона. Те бяха в силно възбудени и поради това особено нестабилни състояния, от които бързо излязоха, освобождавайки неутрони. В резултат на това получихме изотопа на 118-ия елемент със 176 неутрона. И това бяха истински неутрални атоми с пълен набор от електрони! Ако са живели малко по-дълго, човек би могъл да прецени техните химични свойства. "

Методът на Дубнински „Елементите от 113-та до 118-та са създадени въз основа на забележителния метод, разработен в Дубна под ръководството на Юрий Оганесян“, обяснява Александър Якушев, член на екипа в Дармщат. - Вместо никел и цинк, използвани за бомбардиране на цели в Дармщат, Ованнисян взе изотоп с много по-ниска атомна маса - калций-48. Факт е, че използването на леки ядра увеличава вероятността от тяхното сливане с целевите ядра. Ядрото на калций-48 също е два пъти вълшебно, тъй като е съставено от 20 протона и 28 неутрона. Следователно, селекцията на Ованенисян допринася значително за оцеляването на съединените ядра, които възникват при изстрелването на целта. В края на краищата ядрото може да изпусне няколко неутрона и да породи нов трансураний, само ако не се разпадне на фрагменти веднага след раждането. За да синтезират свръхтежките елементи по този начин, физиците от Дънин направиха цели от трансурани, разработени в САЩ - първо плутоний, после америциум, куриум, Калифорния и накрая - беркелий. Калций-48 в природата е само 0, 7%. Той се извлича на електромагнитни сепаратори, това е скъпа процедура. Един милиграм от този изотоп струва около 200 долара. Това количество е достатъчно за час-два обстрела на целта и експериментите продължават с месеци. Самите цели са още по-скъпи, цената им достига милион долара. Плащането на сметките за ток също струва много - тежките йонни ускорители консумират мегават мощност. Като цяло синтезът на свръхтежки елементи не е евтино удоволствие. " На снимката: когато тежък йон навлезе в района на ядрените сили на целта, може да се образува съединено ядро ​​във възбудено състояние. Той или се разпада на фрагменти с приблизително равна маса, или излъчва (изпарява) няколко неутрона и преминава в земно (неизследвано) състояние.

Матусалах номер 117

Елемент 117, известен още като ununseptium, е получен по-късно - през март 2010 г. Този елемент е роден на същата машина U-400, където, както и преди, йони с калций-48 са били изстрелвани от мишена Berkeley-249, синтезирана в Националната лаборатория Oak Ridge. При сблъсъка на ядрата на Беркли и калций възникнаха силно възбудени ядра Ununseptia-297 (117 протона и 180 неутрона). Експериментаторите успяха да получат шест ядра, пет от които изпариха по четири неутрона всеки и се превърнаха в унсептиум-293, а останалите излъчиха три неутрона и дадоха начало на ununseptium-294.

В сравнение с ununction, ununseptium се оказа истинският Methuselah. Периодът на полуразпад на по-лекия изотоп е 14 милисекунди, а по-тежкият е цели 78 милисекунди! През 2012 г. физиците в Дубна са получили още пет ununseptium-293 атома, а по-късно и няколко атома и на двата изотопа. През пролетта на 2014 г. учени от Дармщат съобщиха за синтеза на четири ядра от 117-ия елемент, две от които имаха атомна маса 294. Полуживотът на тази „тежка“ безплътност, измерен от германски учени, беше около 51 милисекунди (това е в пълно съгласие с оценките на учени от Дубна),

Сега в Дармщат подготвят проект за нов линеен ускорител на тежки йони върху свръхпроводящи магнити, който ще позволи синтеза на 119-и и 120-и елементи. Подобни планове се реализират в Дубна, където се изгражда новият циклотрон DS-280. Възможно е само след няколко години да стане възможно синтезирането на нови свръхтежки трансурани. А създаването на 120-ия и дори на 126-ия елемент с 184 неутрона и откриването на острова на стабилността ще се превърне в реалност.

Статията „Осемдесет години на създаване“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 1, януари 2015 г.). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

От какво са направени обувки за бягане?
2019
Йодни таблетки ще бъдат разпределени на живеещите в близост до растението
2019
Слушалки Marshall Major II: тест драйв
2019