Трансурановые элементы.

Трансурановыми элементами называют искусственно синтезированные химические элементы, располагающиеся в периодической системе после урана. Сколько их ещё удастся синтезировать в будущем, пока никто определённо ответить не может.

Уран был замыкающим в естественном ряду химических элементов на протяжении долгих 70 лет.

И всё это время учёных, естественно, волновал вопрос: существуют ли в природе элементы тяжелее урана? Дмитрии Иванович полагал, что если заурановые элементы и удастся когда-нибудь обнаружить в земных недрах, то число их должно быть ограничено. После открытия радиоактивности отсутствие таких элементов в природе объяснили тем, что периоды их полураспада невелики и все они распались, превратились в более лёгкие элементы, очень давно, на самых ранних стадиях эволюции нашей планеты. Но уран, оказавшийся радиоактивным, имел настолько большую продолжительность жизни, что сохранился до нашего времени. Почему же хотя бы ближайшим трансуранам природа не могла отпустить столь же щедрое время на существование? Было много сообщений об открытии якобы новых элементов внутри системы – между водородом и ураном, но почти ни разу научные журналы не писали об обнаружении трансуранов. Учёные лишь спорили, в чём причина обрыва периодической системы на уране.

Только ядерный синтез позволил установить интересные обстоятельства, о которых раньше даже нельзя было подозревать.

Первые исследования по синтезу новых химических элементов были направлены на искусственное получение трансуранов. О первом искусственном трансурановом элементе заговорили на три года раньше, чем появился технеций. Стимулирующим событием оказалось открытие нейтрона. элементарная частица, лишённая заряда, обладала огромной проникающей способностью, могла достичь атомного ядра, не встречая никаких препятствий, и вызывать превращения различных элементов. Нейтронами стали обстреливать мишени из самых различных веществ. Пионером исследований в этой области стал выдающийся итальянский физик Э. Ферми.

Уран, облучённый нейтронами, обнаруживал неизвестную активность с небольшим периодом полураспада. Уран-238, поглотив нейтрон, превращается в неизвестный изотоп элемента уран-239, который является b-радиоактивным и должен превращаться в изотоп элемента с порядковым номером 93. подобный вывод и сделал Э. Ферми со своими коллегами.

В действительности потребовалось очень много усилий, чтобы доказать, что неизвестная активность действительно соответствует первому трансурановому элементу. Химические операции привели к выводу: новый элемент по своим свойствам похож на марганец, т. е. Принадлежит к VII б-подгруппе. Этот аргумент оказался впечатляющим: в то время (в 30-х гг.) почти все химики полагали, что если бы трансурановые элементы существовали, то по крайней мере первые из них были бы аналогичными d-элементов из предыдущих периодов. Это была ошибка, которая, несомненно, повлияла на ход истории открытия элементов тяжелее урана.

Словом, в 1934 г. Э. Ферми уверенно заявлял о синтезе не только элемента 93, которому дал название «аузоний», но и его правого соседа по таблице Менделеева – «гесперия» (№ 94). Последний был продуктом b-распада аузония:

Нашлись учёные, которые «потянули» эту цепочку ещё дальше. Среди них: немецкие исследователи О. Ган, Л. Мейтнер и Ф. Штрассманн. В 1937 г. уже говорили, как о чём-то реальном, об элементе № 97:

.

Но ни один из новых элементов не был получен в сколь-либо заметных количествах, не был выделен в свободном виде. Об их синтезе судили по разнообразным косвенным признакам.

В конечном счёте оказалось, что все эти эфемерные вещества, принимавшиеся за трансурановые элементы, на самом деле представляют собой элементы, относящиеся… к середине периодической системы, т. е. искусственные радиоактивные изотопы давно известных химических элементов. Это стало ясно, когда О. Ган и Ф. Штрассманн сделали 22 декабря 1938 г. одно из величайших открытий XX в. – открытие деления урана под действием медленных нейтронов. Учёные неопровержимо установили, что в уране, облучённом нейтронами, содержатся изотопы бария и лантана. Они могли образоваться лишь при допущении, что нейтроны как бы разваливают ядра урана на несколько более мелких осколков.

Механизм деления объяснили Л. Мейтнер и О. Фриш. Уже существовала так называемая капельная модель ядра: атомное ядро уподабливалось капле жидкости. Если капле придать достаточную энергию, возбудить её, то она может разделиться на более мелкие капли. Так же и ядро, приведённое нейтроном в возбуждённое состояние, способно распасться, разделиться на более мелкие части – ядра атомов более лёгких элементов.

В 1940 г. советские учёные Г. Н. Флеров и К. А. Петржак доказали, что деление урана может происходить самопроизвольно. Так был открыт новый вид радиоактивных превращений, встречающихся в природе, спонтанное деление урана. Это было исключительно важное открытие.

Однако, неправильно объявлять ошибочными исследования по трансуранам в 30-х гг.

Два основных природных изотопа имеет уран: уран-238 (существенно преобладающий) и уран-235. Второй главным образом и делится под действием медленных нейтронов, тогда как первый, поглощая нейтрон, лишь превращается в более тяжёлый изотоп – уран-239, причём это поглощение тем интенсивнее, чем быстрее бомбардирующие нейтроны. Поэтому в первых попытках синтеза трансуранов эффект замедления нейтронов привёл к тому, что при «обстреле» мишени из природного урана, содержащей  и , превалировал процесс деления.

Но уран-238, поглотивший нейтрон, должен был непременно дать начало цепочке образования трансурановых элементов. Требовалось найти надёжный способ поймать атомы элемента 93 в сложнейшей мешанине осколков деления. Сравнительно меньшие по массе, эти осколки в процессе бомбардировки урана должны были отлетать на большие расстояния (иметь большую длину пробега), нежели весьма массивные атомы элемента 93.

Эти рассуждения положил в основу своих экспериментов американский физик Э. Макмиллан, работавший в Калифорнийском университете. Весной 1939 г. он стал тщательно исследовать распределение осколков деления урана по длине пробегов. Ему удалось отделить маленькую порцию осколков с незначительной длиной пробега. Именно в этой порции он обнаружил следы радиоактивного вещества с периодом полураспада 2,3 дня и высокой интенсивностью излучения. Такой активности не наблюдалось в других фракциях осколков. Макмиллану удалось показать, что это вещество Х является продуктом распада изотопа уран-239:

.

К работе подключился химик Ф. Эйблсон. Оказалось, что радиоактивное вещество с периодом полураспада 2,3 дня химически может быть отделено от урана и тория и не имеет ничего общего с рением. Так рухнуло предположение, что элемент 93 должен быть экарением.

Об успешном синтезе нептуния (новый элемент был назван в честь планеты Солнечной системы) объявил американский журнал «Физическое обозрение» вначале 1940 г. так началась эпоха синтеза трансурановых элементов, который оказался весьма важным для дальнейшего развития менделеевского учения о периодичности.

Рис. 17. Схема синтеза элемента № 93 – нептуния.

Даже периоды самых долгоживущих изотопов трансурановых элементов, как правило, значительно уступают возрасту Земли, а потому их существование в природе в настоящее время практически исключено. Таким образом, ясна причина обрыва естественного ряда химических элементов на уране – элементе 92.

За нептунием последовал плутоний. Он был синтезирован по ядерной реакции:

зимой 1940 – 1941 гг. американским учёным Г. Сиборгом с сотрудниками (в лаборатории Г. Сиборга впоследствии было синтезировано ещё несколько новых трансурановых элементов). Но самым важным изотопом плутония оказался  с периодом полураспада 24 360 лет. Помимо того, плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится гораздо интенсивнее, чем

уран-235, а потому является превосходным ядерным горючим. Этот изотоп был использован и при создании ядерного оружия, в связи с чем химические и физические свойства плутония получили весьма тщательно, и нет ничего удивительного, что элемент 94 ныне считается одним из наиболее изученных среди всех химических элементов. Позднее, уже в 50-х гг., ничтожные количества нептуния и плутония удалось обнаружить в природе. Они образуются как продукты воздействия природных нейтронов на уран.

 

Рис. 18. Схема синтеза элемента № 94 – плутония.

 

В 40-х гг. было синтезировано ещё три элемента тяжелее урана: америций (в честь Америки), кюрий (в честь М. и П. Кюри) и берклий (в честь г. Беркли в Калифорнии). Мишенью в ядерных реакторах служил плутоний-239, бомбардируемый нейтронами и a-частицами, и америций (его облучение привело к синтезу берклия):

.

50-е гг. начались с синтеза калифорния (№ 98). Его удалось получить тогда, когда был накоплен в значительных количествах долгоживущий изотоп кюрий-242 и из него изготовили мишень. Ядерная реакция:  привела к синтезу нового элемента 98.

Чтобы двигаться к элементам 99 и 100, следовало позаботиться о накоплении весовых количеств берклия и калифорния. Обстрел изготовленных из них мишеней a-частицами давал основания синтезировать новые элементы. Но слишком малы были периоды полураспада (часы и минуты) синтезированных изотопов элементов 97 и 98, и это оказывалось препятствием для накопления их в необходимых количествах. Предполагался и другой путь: длительное облучение плутония интенсивным потоком нейтронов. Но пришлось бы ждать результаты долгие годы (чтобы получить один из изотопов берклия в чистом виде, плутониевую мишень облучали целых 6 лет!). существенно сократить время синтеза можно было лишь одним-единственным способом: резко увеличить мощность нейтронного пучка. В лабораториях такое оказывалось невозможным.

На помощь пришел термоядерный взрыв. 1 ноября 1952 г. американцы провели взрыв термоядерного устройства на атолле Эниветок в Тихом океане. На месте взрыва собрали несколько сотен килограммов почвы, исследовали образцы. В результате удалось обнаружить изотопы элементов 99 и 100, названных соответственно эйнштейнием (в честь А. Эйнштейна) и фермием (в честь Э. Ферми).

Образующийся при взрыве поток нейтронов оказался очень мощным, что ядра урана-238 сумели поглотить за очень короткий промежуток времени большое число нейтронов. Эти сверхтяжёлые изотопы урана в результате цепочек последовательных -распадов превратились в изотопы эйнштейния и фермия (рисунок 19).

Рис. 19. Схема синтеза элементов № 99 – эйнштейния и № 100 – фермия.

Менделеевием назван химический элемент № 101, синтезированный американскими физиками во главе с Г. Сиборгом в 1955 г. Авторы синтеза назвали новый элемент «в честь признания заслуг великого русского химика, который первым использовал для предсказания свойств неоткрытых химических элементов периодическую систему». Учёным удалось накопить достаточное количество эйнштейния, чтобы приготовить из него мишень (количество эйнштейния измерялось миллиардом атомов); облучая её a-частицами, можно было рассчитать на синтез ядер элемента 101(рисунок 20):

 

Рис. 20. Схема синтеза элемента № 101 – менделеевия.

Период полураспада полученного изотопа  оказался значительно большим , чем предполагали теоретики. И хотя в результате синтеза были получены считанные атомы менделеевия, оказалось возиожным изучить их химические свойства теми же методами, которые использовались для предшествующих трансуранов.

Заключение. Значение периодического закона.

Достойную оценку периодическому закону дал Уильям Размай, который утверждал, что периодический закон является истинным компасом для исследователей.

Прошло совсем немного лет, после его смерти и менделеевская система стала важнейшим звеном наших знаний о мире, в котором мы живем, об эволюции вещества во вселенной, так как Менделеев в своих научных открытиях, и особенно в открытии периодического закона на деле применял диалектический метод познания явлений природы, в связи с чем получил высокую оценку Фридриха Энгельса, который, оценивая периодический закон, отметил, что учёный хоть бессознательно применил гегелевский закон о переходе количества в качество, он все же совершил научный подвиг».

Изучать химию невозможно иначе, как на основе этого вездесущего закона. Каким нелепым выглядел бы учебник химии без таблицы Менделеева! Нужно понимать, как различные элементы связаны между собой и почему они так связаны. Только тогда периодическая система окажется богатейшим хранилищем информации о свойствах элементов и их соединений, таким хранилищем, с которым мало что может сравниться.

Опытный химик, лишь взглянув на место, занимаемое каким-либо элементом в системе, может рассказать о нём многое: металл данный элемент или неметалл; образует он или нет соединения с водородом – гидриды; какие оксиды характерны для этого элемента; какие валентности он может проявлять, вступая в химические соединения; какие соединения этого элемента будут устойчивы, а какие, напротив, окажутся непрочными; из каких соединений и каким способом удобнее и выгоднее всего получать данный элемент в свободном виде. И если химик способен извлечь все эти сведения из периодической системы, то это значит, что он хорошо её освоил.

Периодическая система является основой для получения новых материалов и веществ с новыми, необычными, заранее заданными свойствами, таких веществ, которые неизвестны природе. Они создаются теперь в больших количествах. Она же стала путеводной нитью для синтеза полупроводниковых материалов. Учёные на множестве примеров обнаружили, что наилучшими полупроводниковыми свойствами обладают или должны обладать соединения элементов, занимающих определённые места в менделеевской таблице (главным образом в III – V её группах).

Нельзя ставить задачу получения новых сплавов, игнорируя периодическую систему. Ведь строение и свойства сплавов определяются положением металлов в таблице. В настоящее время известны тысячи различных сплавов.

Пожалуй в любой отрасли современной химии можно заметить отблеск периодического закона. Но не одни только химики склоняют голову перед его величием. В трудном и увлекательном деле синтеза новых элементов невозможно обойтись без периодического закона. Гигантский естественный процесс синтеза химических элементов происходит в звёздах. Этот процесс учёные называют нуклеосинтезом.

Пока учёные не представляют какими именно способами, в результате каких последовательных ядерных реакций образовались известные нам химические элементы. Гипотез нуклеосинтеза много, законченной теории ещё нет. Но можно с уверенностью сказать, что даже самые робкие предположения о путях происхождения элементов были бы невозможны без учёта последовательного расположения элементов в периодической системе. Закономерности ядерной периодичности, строения и свойств атомных ядер лежат в основе разнообразных реакций нуклеосинтеза.

Долго можно перечислять те области человеческого знания и практики, где Великий закон и система элементов играют важную роль. И, по правде говоря, мы даже не представляем себе всю масштабность менделеевского учения о периодичности. Много раз оно ещё блеснёт перед учёными своими неожиданными гранями.

Менделеев, несомненно, – один из крупнейших химиков мира. Хотя со времени его закона прошло более ста лет, никто не знает, когда будет до конца понятно все содержание знаменитой таблицы Менделеева.

 

Рис. 21. Фото Дмитрия Ивановича Менделеева.

 

Рис. 22. Русское химическое общество под председательством

Д. И. Менделеева.

 

Используемая литература.