Как были открыты химические элементы

МЕНДЕЛЕВИЙ

Великих успехов достигли ученые, добравшись до сотого элемента, в названии которого, наконец-то, было увековечено имя Энрико Ферми, предпринявшего некогда первый поход за трансуранами.

За фермием отчетливо вырисовывались контуры страшной опасности: во весь рост поднялся главный враг трансурановых элементов — спонтанное деление. По этому виду радиоактивных превращений изотопы с Z=100 должны были, согласно расчетам, оказаться весьма короткоживущими. Успешный синтез эйнштейния и фермия в мощных нейтронных потоках сначала вселял оптимизм. Но теоретики заявили, что за фермий продвинуться не удастся, ибо слишком мал его период полураспада по спонтанному делению. Ядро сотого элемента быстрее распадется на два осколка, нежели успеет испустить β-частицу.

И все же элемент № 101 оказался последним, который удалось синтезировать классическим методом, применяя в качестве бомбардирующего агента легкую α-частицу. К 1955 г. Г. Сиборгу и его коллегам удалось накопить количество эйнштейния, измеряемое миллиардом атомов. Со всей тщательностью столь мизерное количество нанесли на подложку из золотой фольги, где цена золота по сравнению с ценой эйнштейния была смехотворно низкой. Мишень обстреляли α-частицами. Ученые полагали, что произойдет ядерная реакция: . Образующиеся атомы элемента № 101 благодаря отдаче вылетали из эйнштейниевого слоя и застревали в золотой фольге. После опыта фольгу растворяли и полученный раствор подвергали разделению на хроматографической колонке. Самый ответственный момент — уловить, когда порция раствора, содержащая элемент № 101, выходит из колонки и зарегистрировать случаи спонтанного деления.

Всего пять (!) актов деления удалось зарегистрировать в первом эксперименте. Но и этого хватило, чтобы опознать изотоп элемента № 101. Потом выяснилось, что период его полураспада составляет 3 ч, а массовое число равно 256. Подобная долгоживучесть оказалась неожиданной, и эта неожиданность способствовала успешному синтезу нового элемента. Его назвали менделевием (символ Md), в честь признания заслуг великого русского химика Д. И. Менделеева, который первым использовал для предсказания свойств неоткрытых химических элементов периодическую систему. Так писали авторы открытия менделевия.

Позже, когда символ Md определился в 101-й клетке таблицы, они красочно описали, как все это происходило. Атмосфера уныния царила в лаборатории, рассказывали Г. Сиборг и его коллеги. При попытке синтезировать и идентифицировать элемент № 101 было выполнено несколько тщательных опытов. Увы, они оказались неудачными. Наконец, был поставлен последний, решающий опыт, когда можно было рассчитывать на удачу. В лучшем случае предполагалось получить один или два атома, упорно ускользавшего из рук элемента № 101. Затаив дыхание, ученые ожидали показаний прибора, который регистрировал спонтанное деление. Прошел час. Ночь была уже на исходе. Ожидание казалось бесконечным.

И вдруг, вспоминали авторы открытия, перо самописца стремительно двинулось на середину шкалы и вернулось обратно, прочертив тонкую красную линию. Такой скачок ионизации никогда не наблюдался ранее при исследовании радиоактивных материалов. Вероятно, этот скачок был сигналом ожидавшегося деления. Примерно через час удалось зарегистрировать второй скачок. Теперь появилась уверенность, что произошел распад двух атомов элемента № 101, и его можно вписать в существующий список химических элементов.

Любопытно, что регистрирующий деление прибор был присоединен к пожарному звонку. И элемент № 101 каждый раз объявлял о своем рождении оглушительным трезвоном.

Спустя 12 лет оказалось, что менделевий имеет еще более долгоживущий изотоп 258Md с T½=2 месяца. Именно он позволил ученым детально изучить химические свойства элемента № 101. С открытием менделевия возникла новая область радиохимического исследования — химия единичных атомов со своими специфическими методами. Она оказалась незаменимой помощницей при изучении химической природы последующих трансурановых элементов. Синтез менделевия и стал переломным событием в истории открытия элементов тяжелее урана. Все прежние способы синтеза утратили свое значение, ибо нельзя накоплять менделевий в количествах, достаточных для приготовления мишени. За сто первым элементом открывалась теоретическому взору неизведанная страна, населенная призраками. Уже не было сомнений в том, что следующие трансураны могут существовать лишь секунды и доли секунды.

Даже если и удастся их получить, то изучение их свойств представлялось чрезвычайно трудным делом. Или вообще невозможным.

Но как получить? Какие ядерные реакции пригодны? К счастью, к концу 50-х годов на этот вопрос уже существовал определенный ответ: нужно использовать в качестве бомбардирующих агентов многозарядные ионы легких элементов периодической системы (углерода, кислорода, неона, аргона). Тогда можно изготовлять мишени из обычных трансурановых элементов: плутония, америция, кюрия, т. е. проблема мишени отпадала. Конечно, лучше бы иметь «голые» бомбардирующие ядра (подобно α-частице — ядру атома гелия), но ободрать всю электронную «кожуру» с атомов едва ли возможно. Эти многозарядные ионы предварительно необходимо разогнать до больших скоростей, чтобы их энергия оказалась достаточной для вступления в ядерные реакции. Поэтому нужны новые мощные ускорители. Когда они были созданы, наступил новый взлет в истории открытия трансурановых элементов. Оговоримся, однако, что слово «открытие» здесь имеет несколько иной смысл, чем во всех предшествующих случаях знакомства с новыми элементами.