Какие химические элементы являются рукотворными?

      Комментарии к записи Какие химические элементы являются рукотворными? отключены

Какие химические элементы являются рукотворными?

Первый перечень из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, которыми владел всем царствам природы, каковые смогут принимать во внимание несложными составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье во второй половине 80-ых годов восемнадцатого века. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и кое-какие окислы. А в то время, когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую совокупность, химики знали 62 элемента.

К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента — от водорода до урана, не смотря на то, что кое-какие из них еще не были открыты.

Однако уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но найти их никак не получалось. на данный момент как мы знаем, что в земной коре находятся следовые количества 93-го и 94-го плутония — и элементов нептуния. Но исторически эти элементы сперва взяли искусственно и только позже нашли в составе минералов.

Из 94 первых элементов у 83 имеются или стабильные, или долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Нашей системы (они попали на отечественную планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов большое количество меньше, и потому они появляются в земной коре только в следствии радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На отечественной планете их нет.

Все они были взяты неестественным методом.

Первый неестественный

Создание неестественных элементов имеет продолжительную историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в первой половине 30-ых годов двадцатого века, в то время, когда Вернер Дмитрий и Гейзенберг Иваненко заключили , что ядра атома складываются из нейтронов и протонов. Два года спустя несколько Энрико Ферми постаралась взять трансураны, облучая уран медленными нейтронами.

Предполагалось, что ядро урана захватит один либо два нейтрона, по окончании чего претерпит бета-распад с рождением 93-го либо 94-го элементов. Они кроме того поспешили заявить об открытии трансуранов, каковые во второй половине 30-ых годов XX века в собственной Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием.

Но германские радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер скоро продемонстрировали, что Ферми совершил ошибку: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, появившимися в следствии расщепления ядер урана на пары осколков примерно однообразной массы. Именно это открытие, идеальное в декабре 1938 года, сделало вероятным создание атомной бомбы и ядерного реактора.

Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в разных рудах, но бесполезно. А во второй половине 30-ых годов XX века экамарганец, позднее названный технецием (от греческого ??? — неестественный) был взят при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Легкие боеприпасы

Элементы с 93-го до 101-го были взяты при сотрудничестве ядер урана или следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) либо альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха тут добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, каковые в первой половине 40-ых годов двадцатого века синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.

Следующий, 94-й элемент — плутоний — в первый раз нашли при изучении бета-распада нептуния-238, взятого дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А скоро стало ясно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой ядерной бомбы. Исходя из этого все сведения о свойствах и получении этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за собственные открытия они поделили Нобелевскую премию 1951 года) и их сотрудников с сообщением о втором трансуране показалась в печати только во второй половине 40-ых годов двадцатого века.

Американские власти практически на шесть лет задержали и статью об открытии 95-го элемента, америция, что в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из данной же команды взяли первый изотоп 96-го элемента с ядерным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных Марии и заслуг Пьера Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь химии и классиков физики.

60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — калифорнием и берклием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позднее при такой же бомбардировке кюрия.

99-й и 100-й элементы, фермий и эйнштейний, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных недалеко от атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. На протяжении взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, по окончании чего претерпевали цепочки бета-распадов, каковые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был взят в начале 1955 года.

Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Не обращая внимания на очень высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено только 17 атомов менделевия, но наряду с этим удалось установить их радиационные и химические особенности.

Тяжелые ионы

Менделевий стал последним трансураном, взятым посредством нейтронов, дейтронов либо альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 — фермия, каковые тогда было нереально изготовить (кроме того на данный момент в ядерных реакторах фермий приобретают в нанограммовых количествах).

Ученые пошли вторым методом: применяли для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их именуют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специальные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли во второй половине 50-ых годов XX века, вторую, циклотрон У-300 — в Лаборатории ядерных реакций Объединенного университета ядерных изучений в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне получили и более замечательные установки У-400 и У-400М.

Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в германском Центре по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.

На протяжении бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана либо трансуранов появляются очень сильно возбужденные (тёплые) ядра, каковые или разваливаются, или сбрасывают избыточную энергию при помощи испускания (испарения) нейтронов. Время от времени эти ядра испускают один-два нейтрона, по окончании чего претерпевают и другие превращения — к примеру, альфа-распад. Таковой тип синтеза именуется холодным. В Дармштадте с его помощью взяли элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций).

Этим же методом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был взят в Дубне). При тёплом синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Этим методом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под управлением которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким методом изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — с 113-го по 118-й.

Интернациональный альянс теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) до тех пор пока утвердил только имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.

Всего три атома

118-й элемент с временным заглавием унуноктий и знаком Uuo (правильно IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их ядерного номера, un-un-oct (ium) — 118) был создан общими усилиями двух научных групп: дубнинской под управлением Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под управлением Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и исходя из этого возможно добропорядочным газом.

Но его химические особенности до тех пор пока узнать не удалось, потому, что физики создали только три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их взяли бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с ядерной массой 48 (20 нейтронов и 28 протонов), разогнанными на ускорителе У-400.

Неспециализированное число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» очень мелка. Но, по словам Кентона Муди, У-400 — уникальная машина, на которой возможно было синтезировать 118-й элемент.

«Любая серия опытов по синтезу трансуранов додаёт новую данные о структуре ядерной материи, которую применяют для моделирования особенностей сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента разрешили отбросить пара прошлых моделей, — вспоминает Кентон Муди. — Мы сделали мишень из калифорния, потому, что более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим главным изотопом кальцием-40.

При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они пребывали в очень сильно возбужденных и исходя из этого очень нестабильных состояниях, из которых скоро выходили, сбрасывая нейтроны. В следствии мы взяли изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами.

И это были настоящие нейтральные атомы с полным комплектом электронов! Живи они чуть продолжительнее, возможно было бы делать выводы и об их химических особенностях».

Мафусаил номер 117

Элемент 117, он же унунсептий, был взят позднее — в марте 2010 года. Данный элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали иономами Ca-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении кальция и ядер берклия появлялись очень сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 нейтронов и 180 протонов).

Экспериментаторам удалось взять шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало направляться-294.

В сравнении с унуноктием унунсептий был настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа — 14 миллисекунд, а более тяжелого — целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики взяли еще пять атомов унунсептия-293, позднее — пара атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сказали о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели ядерную массу 294.

Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный германскими учеными, составил около 51 миллисекунды (это прекрасно согласуется с оценками ученых из Дубны).

на данный момент в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, что разрешит совершить синтез 119-го и 120-го элементов. Подобные замыслы реализовывают и в Дубне, где строится новый циклотрон не сильный-280. Нельзя исключать, что всего через пара лет станет вероятным синтез новых сверхтяжелых трансуранов.

И сотворение 120-го, в противном случае и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут действительностью.

Продолжительная судьба на острове стабильности

В ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с всецело заполненными оболочками очень устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. протонов и Числа нейтронов, соответствующих таким оболочкам, именуются волшебными.

Кое-какие из них выяснены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28.

Оболочечные модели разрешают вычислить «волшебные числа» сверхтяжелых ядер и теоретически — действительно, без полной гарантии. Имеется основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется волшебным. Ему смогут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть волшебным.

В случае если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, которые содержат по 184 нейтрона, будут жить куда продолжительнее собственных соседей по таблице Менделеева — 60 секунд, часы, в противном случае и годы (эту область таблицы принято именовать островом стабильности). Самые громадные надежды ученые возлагают на последний изотоп с два раза волшебным ядром.

Дубнинский способ

    Рецепт для сверхтяжелых При попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может появиться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно или распадается на осколки приблизительно равной массы, или испускает (испаряет) пара нейтронов и переходит в главное (невозбужденное) состояние.

«Элементы со 113-го по 118-й созданы на базе превосходного способа, созданного в Дубне под управлением Юрия Оганесяна, — растолковывает участник дармштадской команды Александр Якушев. — Вместо цинка и никеля, использовавшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян забрал изотоп с куда меньшей ядерной массой — кальций-48. Дело в том, что применение легких ядер увеличивает возможность их слияния с ядрами мишени.

Ядро кальция-48 к тому же два раза волшебное, потому, что сложено из 20 нейтронов и 28 протонов. Исходя из этого выбор Оганесяна очень сильно содействовал выживанию составных ядер, появляющихся при обстреле мишени. Так как ядро может скинуть пара нейтронов и дать начало новому трансурану лишь в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки.

Дабы синтезировать так сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в Соединенных Штатах трансуранов — сперва плутония, позже америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-второй обстрела мишени, а опыты продолжаются месяцами.

Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата квитанций за электричество также поднимается в копеечку — ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов — наслаждение не из недорогих».

Статья «Восемьдесят лет творения» размещена в издании «Популярная механика» (№147, январь 2015).

Химия 2. Строение атомов химических элементов — Академия занимательных наук


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: