Характеристикасвойств нобелия
Нобелий102 No 2 9 31 32 18 8 2 НОБЕЛИЙ [259]
5f147s2
В 1955 г. былазаполнена 101-я клетка таблицы Менделеева. Следующим, естественно, должен былстать синтез 102-го элемента.
В 1956 г. к этой работепочти одновременно приступили исследователи из Нобелевского института физики вСтокгольме (в группе работали английские, шведские и американские ученые) и изИнститута атомной энергии в Москве. Вслед за ними в работу по синтезу 102-гоэлемента включились ученые Радиационной лаборатории Калифорнийского университета(Беркли).
Не прошло и года, как внаучных журналах появились статьи, из которых следовало, что элемент №102синтезирован.
Эти сообщенияподхватили газеты, о новом элементе узнал весь мир. Но ясности, необходимой дляокончательного утверждения нового элемента в периодической системе, не было ещедолгие годы. Объясняется это не только трудностями, возрастающими с каждымновым шагом в трансурановую область, но и в какой-то мере поспешностьюзаключений.
В итоге дляокончательного ответа на вопрос: «Что же такое элемент №102?» – понадобилосьдесять лет. Десять лет работы исследователей разных лабораторий и разных стран.
Исторически все работыпо получению и исследованию 102-го элемента можно разделить на два периода: кпервому относятся работы 1956...1959 гг., выполненные в лабораторияхСтокгольма, Москвы и Беркли, ко второму – работы в Объединенном институтеядерных исследований в Дубне (1963...1966 гг.).
Общее, что объединяетвсе эти работы, – метод синтеза. Получить изотопы 102-го элемента можно былотолько в ядерных реакциях с участием тяжелых ионов, бомбардируя такими ионамимишени из урана и некоторых трансурановых элементов.
Разными путями
Вообще говоря,существует несколько способов получения новых элементов. В одном из нихиспользуется облучение урана или плутония мощными нейтроннымипотоками в стационарных или импульсных (взрыв ядерного устройства) условиях.При этом образуются переобогащенные нейтронами изотопы, подверженныебета-распаду. В результате серии таких распадов они превращаются в элементы сбольшими порядковыми номерами. Другой метод основан на облучении ближайшихтяжелых трансурановых мишеней заряженными частицами. При обстреле ядрапротонами его заряд (а, следовательно, и номер элемента) может увеличиться наединицу, при бомбардировке ускоренными альфа-частицами – на две. В частности,этим методом был впервые получен менделевий. И наконец, третий методзаключается в использовании не очень тяжелых мишеней (уран, плутоний, кюрийи др.) и тяжелых бомбардирующих частиц (ионы азота, углерода, неонаи других элементов вплоть до ксенона сейчас и до урана в будущем).Реакции с участием тяжелых ионов позволяют увеличить заряд ядра на несколькоединиц. Для синтеза 102-го элемента первый и второй способы непригодны,единственно приемлемым был метод тяжелых ионов. Изотопы 102-го элемента могутобразовываться в нескольких реакциях, в таких, например:
23892U+ 2210Ne → 256102 + 410n,
24194Pu+ 168O → 253102 + 410n,
24395Am+ 157N → 254102 + 410n,
24696U+ 126C → 254102 + 410n,и т.д.
Проведение подобныхреакций, улавливание и регистрация их продуктов связаны с огромнымиэкспериментальными трудностями. Силы электростатического отталкивания междуядрами заставляют увеличивать энергию бомбардирующих частиц до десятков мегаэлектронвольт– иначе ядра не смогут слиться. Образованные ядра оказываются очень сильно«нагретыми» (энергия их возбуждения достигает нескольких десятковмегаэлектронвольт) и стремятся «остыть», выбрасывая различные частицы. Но новыйэлемент будет образован лишь в том случае, когда ядро выбросит только нейтроны.Если оно выбросит хоть один протон, новый элемент не удастся зарегистрироватьникакими способами: его попросту не будет, ведь номер элемента определяетсячислом протонов в ядре. Этим объясняются исключительные требования,предъявляемые и к мишени, и к пучкам тяжелых ионов. Все это, конечно, крайнеусложняет эксперименты, однако иного пути синтеза 102-го элемента у физиков небыло.
Два подхода к атому
Трудно получить атомыновых трансуранов, но когда имеешь дело с элементами второй сотни, не легчебывает доказать, что тебе действительно удалось получить их изотопы и какиеименно.
Ожидалось, что времяжизни изотопов 102-го элемента будет очень малым: в лучшем случае минуты, чащесекунды и доли секунд. Поэтому исследователям не приходилось рассчитывать натрадиционный метод химической идентификации этого элемента. Нужны были новыеметоды – очень быстрые (экспрессные, как говорят исследователи), чувствительныеи точные. По-видимому – физические.
Если вспомнить, чтоэлемент есть совокупность атомов, состоящих из ядра и электронных оболочек, толегко понять разницу в химическом и физическом подходах к изучению элемента.Химики изучают электронные оболочки атома, его способность отдавать илиприсоединять электроны при взаимодействии с другими атомами. Они устанавливаютпорядковый номер элемента и его место в периодической системе по особенностямстроения внешней части атома. Физики определяют то же самое, но исследуют приэтом сами ядра и идентифицируют элемент по его ядерным свойствам.
Химические свойстваактиноидов (элементов №90...103) настолько близки, что различить их можнотолько с помощью очень тонких аналитических методов, сравнительно медленных,требующих большего времени, чем периоды полураспада элементов второй сотни.
Химические методыидентификации элементов были приемлемы при синтезе изотопов, жизнь которыхизмерялась десятками минут и более (а также 104-го и 105-го элементов, которыепо химическим свойствам значительно отличаются от соседних). Но для 102-го и103-го элементов разработка надежных «быстрых» методов химической идентификациипотребовала больших и длительных усилий.
Физические методыпозволяют установить заряд ядра и массовое число синтезированного изотопа иизучить его радиоактивные свойства. Они основаны на быстром улавливании ядер –продуктов реакции, на выносе их из зоны облучения и переносе к детекторамизлучения для регистрации радиоактивного распада. Эти методы неразрывно связаныс анализом закономерностей ядерных реакций.
Например, приопределенных значениях энергии возбуждения из образовавшегося ядра могут«испариться» несколько нейтронов. Каждый нейтрон уносит часть энергиивозбуждения – примерно 10...12 МэВ. Для «охлаждения» и относительнойстабилизации ядра обычно необходим вылет 4...5 нейтронов. Кривая зависимостивыхода ядер нового изотопа (или нового элемента) от энергии налетающих ионовимеет вид колоколообразной кривой: ее вершина соответствует энергии –наибольшего выхода ядер, а ширина «колокола» на половине высоты составляет10...12 МэВ. Эта кривая называется кривой выхода; изучение ее формы даетдостаточно оснований для распознания изотопа. Для проверки применяют такназываемые перекрестные облучения, цель которых показать, что исследуемыйизотоп появляется только в одной определенной комбинации мишень – частица, приопределенной энергии бомбардирующих ионов. Если же условия опыта меняются(замена мишени или частицы, изменение энергии ионов), то этот изотоп не долженрегистрироваться.
Но тут важно еще однообстоятельство: нужно знать, какому виду радиоактивного распада подверженыновые ядра. Физик должен предвидеть, какие продукты образуются прирадиоактивном распаде новых ядер, и иметь мужество вносить необходимые поправкив расчеты и в эксперимент, если «улов» окажется не тем, что ожидалось.
Изотопы 102-гоэлемента, которые могут образоваться в реакциях с тяжелыми ионами, подверженытрем видам радиоактивного распада. Это – альфа-распад, спонтанное деление изахват орбитальных электронов. Первый вид наиболее вероятен.
При альфа-распаде ядролюбого изотопа элемента №102 превращается в ядро одного из изотопов фермия(элемент №100) и ядро гелия (альфа-частицу). Энергия альфа-частиц приэтом будет строго определенной. Следовательно, зарегистрировать искомое ядроможно двумя способами: либо измерением энергии образовавшихся альфа-частии (Eб)и периода полураспада (T1/2), либонаблюдением дочерних продуктов распада – ядер атомов фермия. Однако в первомслучае существенной помехой определения будет фон, обусловленный альфа-распадомкороткоживущих изотопов других элементов. При этом образуются альфа-частицы,энергия которых близка к энергии альфа-частиц, возникших при распаде ядер102-го элемента. В частности, «густой» фон появляется, если в материале мишениили других деталей установки, подвергающихся облучению, есть примеси свинца,висмута, ртути. Вероятность фоновых реакций значительно больше(иногда в миллионы раз) вероятности реакции, приводящей к образованию 102-гоэлемента. Поэтому тщательная очистка вещества мишени от микропримесей свинца иблизлежащих элементов и сверхчистые материалы для изготовлении установки –обязательные условия чистого опыта по синтезу 102-го элемента.
Помехи и трудностинеизбежны и при определении дочерних продуктов альфа-распада ядер 102-гоэлемента
К сожалению, многие изперечисленных трудностей и серьезнейшие требования к условиям экспериментастали очевидными уже после того, как появились первые сообщения об открытии102-го элемента.
Первый этап
Первая статья«Получение нового элемента 102» была направлена в редакцию «Physical Review» виюле 1957 г. и опубликована в сентябрьском номере этого журнала. Объединеннаяамерикано-англо-шведская группа сообщала об опытах по облучению мишени из смесиизотопов кюрия (244Cm – 95%, 245Cm – 1% и 246Cm– 4%) ионами углерода-12 и углерода-13, ускоренными на циклотроне Нобелевскогоинститута физики. Ядра – продукты реакции – вылетали из мишени, получив энергиюналетающего иона. Их улавливали на специальную фольгу-сборник, которую потомсжигали на платине. Радиоактивный остаток смывали с платины и подвергалихимическому анализу методом ионного обмена. После двенадцати получасовыхоблучений во фракции, соответствующей элементу №102, было зарегистрированооколо 20 альфа-частиц с энергией 8,5±0,1 МэВ. Период полураспада составлялпримерно 10 минут.
Многое в этой статьевызывало недоумение, и прежде всего то, что авторы не смогли точно указатьмассовое число изотопа (оно определяется суммой протонов и нейтронов в ядре).Объяснялось это двумя причинами. Во-первых, не удалось выяснить зависимостьвыхода продукта от энергии ионов из-за неопределенности этой характеристикипотока. Вторая причина – довольно сложный изотопный состав материала мишени.
Сомнение в правильностивыводов вызывал и тот факт, что эффект, приписанный элементу №102, наблюдалсялишь на трех из шести использованных мишеней, да и эти три мишени не давалиэффекта после трех недель работы. Почему – непонятно. В чистом опыте так бытьне должно.
Настораживала и большаявеличина сечения реакции (большой выход нового излучателя), поскольку пучкиионов были маломощными (0,03...0,1 мкА). Но особенно сомнительным было большоевремя жизни изотопа – период полураспада около 10 минут. Тем не менее авторыработы заявили об открытии элемента №102 и предложили назвать его нобелием(символ No) в честь Альфреда Нобеля.
Не прошло и года, какамериканские ученые из Беркли опубликовали статью «Попытки подтвердитьсуществование десятиминутного изотопа элемента 102», в которой сообщили обезуспешных поисках долгоживущей активности с указанными в Стокгольмесвойствами. Эта работа была выполнена очень тщательно и более точно, чем вШвеции. Использовались кюриевые мишени того же изотопного состава, те же самыеионы 12С и 13С, однако интенсивность пучка была больше, аэнергетический спектр пучка был монохроматическим (т.е. пучок состоял из строгоодинаковых по энергии ионов).
Выход всех изотоповболее легких элементов в этом эксперименте оказался гораздо больше, чем встокгольмском, но активность, приписанная элементу №102, не наблюдалась...
Примерно в то же время,что и в Швеции, в Москве также были проведены опыты по синтезу короткоживущихизотопов 102-го элемента. Для получения нового элемента изотопы плутония 241Puи 239Pu облучали ионами кислорода-16 с энергией около 100 МэВ.Изучался альфа-распад продуктов ядерных реакций классическим методом ядерныхфотоэмульсий. В спектре альфа-частиц наряду с группами, обусловленными распадомизвестных элементов, была отмечена группа с энергией 8,9±0,4 МэВ. Былопоказано, что период полураспада этого изотопа меньше 40, но больше 2 секунд.На основании теоретических оценок предполагалось, что наиболее вероятна реакцияс «испарением» четырех нейтронов:
24194Pu+ 168O → 253102 + 410n.
Через несколько месяцевв Беркли были поставлены опыты по синтезу еще одного изотопа – 254102.Американские физики бомбардировали мишени из кюрия-246 ионами углерода-12. Ониустановили, что период полураспада изотопа 254102 близок к 3секундам, а энергия альфа-частиц равна 8,3 МэВ. В опубликованной ими статьеуказывалось также, что ядра изотопа 254102 испытывают спонтанноеделение примерно в 30 случаях из 100.
Для идентификации 254102авторы разработали оригинальный метод, которым доказывалось, что дочерние ядрафермия-250 с хорошо известными свойствами могут появляться на вторичномсборнике ядер отдачи только в результате альфа-распада изотопа 254102.А фермий-250 регистрировали химическими методами.
О синтезе еще одногоизотопа – 255102 та же группа сообщила в 1961 г. Главныехарактеристики этого изотопа: период полураспада – 15 секунд, энергияальфа-частиц – 8,2 МэВ.
На этом по существу изакончился первый этап истории 102-го элемента. Началом второго этапа стал пускбольшого циклотрона многозарядных ионов в Дубне. Это произошло в начале 1961 г.Тогда же была намечена программа получения на этом ускорителе многихнеизвестных изотопов трансурановых элементов начиная от 99-го и далее. Нопрежде чем приступить к новым синтезам, сотрудники Объединенного институтаядерных исследований провели большую серию опытов по изучению закономерностейобразования трансурановых элементов в ядерных реакциях, создали экспрессныеметоды физической идентификации короткоживущих новых изотопов, разработалидетекторы альфа-излучения с очень хорошими характеристиками. Эти работы занялипочти три года.
Второй этап
В 1963 г. сотрудникамЛаборатории ядерных реакций удалось синтезировать наиболее тяжелый в то времяизотоп 102-го элемента – 256102. Его получили в результатебомбардировки мишени из урана-238 ионами неона-22 с энергией 112 МэВ.
Были изучены два видарадиоактивного распада этого изотопа – альфа-распад и спонтанное деление.Оказалось, что время жизни изотопа 256102 составляет около 4 секунд,доля спонтанного деления – всего 0,5%.
Результаты этихэкспериментов сильно расходились с теоретическими оценками, основанными наданных американских ученых о свойствах изотопа 254102 (синтез 1958 г.в Беркли).
В связи с этим былорешено еще раз экспериментально проверить свойства изотопов 254102 и256102 двумя методами. В одном из них свойства изотопов определялипо характеристикам альфа-частиц, в другом – по дочерним ядрам. Результатыэкспериментов с изотопом 256102 оказались такими же, как раньше. Нов другой серии опытов экспериментаторы с удивлением обнаружили, что изотоп 254102обладает свойствами, сильно отличающимися от указанных калифорнийской группой.Выяснилось, что этот изотоп живет не 3, а 65 секунд; энергия альфа-частиц,образующихся при распаде его ядер, составляет не 8,3, а 8,11 МэВ; и наконец,спонтанное деление он испытывает не в 30% случаев, а примерно в одном случае из1800. А ведь эти результаты казались самыми достоверными, самыми бесспорными.
Стало ясно, чтонеобходимо повторить опыты по синтезу и изучению свойств других изотоповэлемента №102. Эти опыты и были поставлены в Дубне в 1965...1966 гг.
Здесь необходимоупомянуть о том, что за годы, прошедшие после первых работ по синтезу элемента№102, ядерная физика ушла далеко вперед. В частности, намного лучше былиизучены закономерности ядерных реакций с участием тяжелых ионов. Да и техникаэксперимента совершенствовалась все эти годы. Поэтому тем, кто начинал исследованияв 60-х годах, много было и понятнее, и доступнее, чем участникам работ1956...1958 гг.Массовое число изотопа Реакция синтеза Период полу-распада, сек. Энергия б-частиц, МэВ Доля спонтанного деления по отношению к б-распаду Место и год открытия 251
239Pu (16O, 4n)* 244Cm (12C, 5n) 0,5...1,0 0,8±0,3 8,6 8,6 Дубна, 1967 Беркли, 1967 252
239Pu (18O, 5n) 4,5±1,5 8,41 Дубна, 1966 253
242Pu (16O, 5n) 239Pu (18O, 4n) 95±10 8,01 Дубна, 1966 254
243Am (15N, 4n) 242Pu (16O, 4n) 238U (22Ne, 6n) 65±10 8,11 1/1800 Дубна, 1963...1966 255
238U (22Ne, 5n) 242Pu (18O, 5n) 180±10 8,09 Дубна, 1966 256
238U (22Ne, 4n) 242Pu (18O, 4n) 3,7±0,5 8,42 1/200 Дубна, 1963 257
248Cm (13C, 4n) 248Cm (12C, 3n) 23±2 8,23 (50%) 8,27 (50%) Беркли, 1967 258
248Cm (13C, 3n)
1,2·10–3 – 100% Беркли, 1968 259
248Cm (18O, б, 3n) 1,5±0,5 часа 7,5 20% Ок-Ридж, 1970
* В скобках указаныбомбардирующие ионы и количество нейтронов, вылетающих из составного ядра.Такая запись ядерных реакций принята в физике.
Сравнить данные,полученные в Дубне, с результатами первых синтезов вы можете, ознакомившись сприведенной здесь таблицей. (Желая подчеркнуть какое-то важное различие, иногдаговорят, будто бы по примеру одесситов, «две большие разницы». В нашей таблице«больших разниц» уже не две, а четыре). Сравнение данных показывает, чтопрактически во всех ранних работах по синтезу и исследованию нового элементадопущены большие или меньшие ошибки.
Группа, работавшая вНобелевском институте, считала, что, скорее всего, ею был получен изотоп 253102(период полураспада T1/2 равен примерно 10 минутам иэнергия альфа-частиц Eб около 8,5 МэВ). Оказалось, что T1/2этого изотопа составляет всего 95 секунд, а Eб – 8,01 МэВ. Тогдастали поговаривать об изотопе 251102. Но в 1967 г. в Дубне и Берклисмогли получить и этот изотоп. Период полураспада его ядер оказался 0,8±0,3секунды, Eб – 8,6 МэВ. Опять не сходились концы с концами...
Московский синтез 1958 г.Изотоп 253102; T1/2 = 2...40 секунд, Eб= 8,9 МэВ. Эти цифры тоже отличаются от результатов проверочных экспериментов.Правда, когда в 1966 г. в Дубне был получен более легкий изотоп – 252102,оказалось, что его характеристики (T1/2 = 4,5 секунды, Eб= 8,4 МэВ) близки к указанным в московской работе. Вполне вероятно, что в 1958 г.в Институте атомной энергии были действительно получены первые атомы элемента№102, но уровень техники того времени не позволил точно определить массовоечисло и энергию альфа-распада изотопа.
О разнице вхарактеристиках калифорнийского изотопа 254102 рассказывалось выше.
В 1961 г. в Беркли былполучен изотоп 255102, и этот эксперимент был воспроизведен в Дубне.И здесь выяснилась разница в характеристиках. По американским данным, периодполураспада ядер 255102 составил примерно 15 секунд, а Eб= 8,2 МэВ. В Дубне были получены совсем другие цифры: T1/2= 3 минуты, Eб = 8,09 МэВ.
Пятый изотоп – 256102был впервые получен в Дубне.
Естественно, можетвозникнуть вопрос: насколько точны новые данные? Ответ: советские ученые неабсолютизируют свои результаты, не выдают их за истину в последней инстанции.Но достоверность этих результатов, бесспорно, намного больше, чем результатовпервых работ. Большой дубненский циклотрон дает значительно более мощные имонохроматические (состоящие из одинаковых ионов) пучки, чем ускорители,которыми располагали участники ранних работ. К началу новых синтезов вреакторах были накоплены достаточные количества изотопоп плутония и америция,необходимых для изготовления высококачественных мишеней. Прецизионные детекторыальфа-излучения и экспрессные методы физической идентификации изотопов,которыми мы располагали, были разработаны уже после окончания ранних работ. Всеэто позволило делать выводы на основании наблюдения уже не десятков, а сотен итысяч атомов.
Наконец, участникидубненской работы лучше знали закономерности образования новых ядер в реакцияхс тяжелыми ионами, чем ученые, ставившие свои опыты в конце 50-х годов. Дляядерной физики пять – семь лет – срок немалый.
О результатах работ посинтезу и исследованию в Дубне пяти изотопов элемента №102 впервые былосообщено на Международной конференции по физике тяжелых ионов в октябре 1966 г.А уже в декабре из Америки пришли первые сообщения о точном воспроизведенииэтих результатов.
Позже (в 1967...1970 гг.)в США, в лабораториях Беркли и Ок-Риджа, были получены еще три изотопа элемента№102 с массовыми числами 257, 258 и 259. Последний изотоп оказался не толькосамым тяжелым, но и самым долгоживущим: его период полураспада 1,5±0,5 часа.
Коротко о химииэлемента №102
Первые опыты по химииэтого элемента были предприняты в Дубне в 1967 г. Методом фронтальнойхроматографии определялись свойства соединения элемента №102 с хлором.Использовали ту же установку, что и для первых опытов по химии 104-го элемента(она подробно описана в статье «Курчатовий»). О свойствах хлорида (илихлоридов) 102-го элемента судили по распределению в хроматографической колонкефермия-252 – дочернего продукта изотопа 256102.
Опыты показали, чтоэлемент №102 образует нелетучий хлорид. Его фронт двигался по колонке оченьмедленно, подобно фронту фермия, кюрия и прочих типичных представителейсемейства актиноидов. В тех же опытах, первых опытах по химии 102-го элемента,было установлено, что степень окисления этого элемента хлором не выше III.
Позже опыты по химии102-го элемента проводились и в Калифорнийском университете. Здесь работали сосравнительно долгоживущим изотопом 255102. Американские химикиустановили, что в водных растворах наиболее устойчиво валентное состояние 2+ ичто окисление до состояния выше 3+ крайне сложно, а может быть, и невозможновообще.
Вот, пожалуй, и все,что известно сейчас о химии элемента №102. Оттого ядерно-физическиехарактеристики его изотопов остаются главными «показателями» при синтезе иисследовании этого элемента.
Тот факт, что во всехранних работах по 102-му элементу были допущены неточности и ошибки, теперьабсолютно бесспорен, и есть все основания считать элемент №102 открытием ученыхсоциалистических стран, работающих в Объединенном институте ядерныхисследований. Им и принадлежит право дать имя этому элементу. От нобелия, какшутят физики, остался только символ, a No по-английски означает «нет»...
Элемент №102 долженбыть переименован – таково общее мнение участников работ по синтезу и исследованиюэтого элемента, проведенных в Дубне. Они предлагают назвать элемент №102 вчесть Фредерика Жолио-Кюри – выдающегося ученого, открывшегоискусственную радиоактивность, и борца за мир.