Характеристика свойств нобелия
Характеристика
свойств нобелия
Нобелий
102
|
No
|
2 9 31 32 18 8 2
|
НОБЕЛИЙ
|
[259]
|
5f147s2
|
В 1955 г. была
заполнена 101-я клетка таблицы Менделеева. Следующим, естественно, должен был
стать синтез 102-го элемента.
В 1956 г. к этой работе
почти одновременно приступили исследователи из Нобелевского института физики в
Стокгольме (в группе работали английские, шведские и американские ученые) и из
Института атомной энергии в Москве. Вслед за ними в работу по синтезу 102-го
элемента включились ученые Радиационной лаборатории Калифорнийского университета
(Беркли).
Не прошло и года, как в
научных журналах появились статьи, из которых следовало, что элемент №102
синтезирован.
Эти сообщения
подхватили газеты, о новом элементе узнал весь мир. Но ясности, необходимой для
окончательного утверждения нового элемента в периодической системе, не было еще
долгие годы. Объясняется это не только трудностями, возрастающими с каждым
новым шагом в трансурановую область, но и в какой-то мере поспешностью
заключений.
В итоге для
окончательного ответа на вопрос: «Что же такое элемент №102?» – понадобилось
десять лет. Десять лет работы исследователей разных лабораторий и разных стран.
Исторически все работы
по получению и исследованию 102-го элемента можно разделить на два периода: к
первому относятся работы 1956...1959 гг., выполненные в лабораториях
Стокгольма, Москвы и Беркли, ко второму – работы в Объединенном институте
ядерных исследований в Дубне (1963...1966 гг.).
Общее, что объединяет
все эти работы, – метод синтеза. Получить изотопы 102-го элемента можно было
только в ядерных реакциях с участием тяжелых ионов, бомбардируя такими ионами
мишени из урана и некоторых трансурановых элементов.
Разными путями
Вообще говоря,
существует несколько способов получения новых элементов. В одном из них
используется облучение урана или плутония
мощными нейтронными потоками в стационарных или импульсных (взрыв ядерного
устройства) условиях. При этом образуются переобогащенные нейтронами изотопы,
подверженные бета-распаду. В результате серии таких распадов они превращаются в
элементы с большими порядковыми номерами. Другой метод основан на облучении
ближайших тяжелых трансурановых мишеней заряженными частицами. При обстреле
ядра протонами его заряд (а, следовательно, и номер элемента) может увеличиться
на единицу, при бомбардировке ускоренными альфа-частицами – на две. В
частности, этим методом был впервые получен менделевий. И наконец, третий метод
заключается в использовании не очень тяжелых мишеней (уран, плутоний, кюрий
и др.) и тяжелых бомбардирующих частиц (ионы азота,
углерода,
неона
и других элементов вплоть до ксенона сейчас и до урана в будущем).
Реакции с участием тяжелых ионов позволяют увеличить заряд ядра на несколько
единиц. Для синтеза 102-го элемента первый и второй способы непригодны,
единственно приемлемым был метод тяжелых ионов. Изотопы 102-го элемента могут
образовываться 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 подобных
реакций, улавливание и регистрация их продуктов связаны с огромными
экспериментальными трудностями. Силы электростатического отталкивания между
ядрами заставляют увеличивать энергию бомбардирующих частиц до десятков мегаэлектронвольт
– иначе ядра не смогут слиться. Образованные ядра оказываются очень сильно
«нагретыми» (энергия их возбуждения достигает нескольких десятков
мегаэлектронвольт) и стремятся «остыть», выбрасывая различные частицы. Но новый
элемент будет образован лишь в том случае, когда ядро выбросит только нейтроны.
Если оно выбросит хоть один протон, новый элемент не удастся зарегистрировать
никакими способами: его попросту не будет, ведь номер элемента определяется
числом протонов в ядре. Этим объясняются исключительные требования,
предъявляемые и к мишени, и к пучкам тяжелых ионов. Все это, конечно, крайне
усложняет эксперименты, однако иного пути синтеза 102-го элемента у физиков не
было.
Два подхода к атому
Трудно получить атомы
новых трансуранов, но когда имеешь дело с элементами второй сотни, не легче
бывает доказать, что тебе действительно удалось получить их изотопы и какие
именно.
Ожидалось, что время
жизни изотопов 102-го элемента будет очень малым: в лучшем случае минуты, чаще
секунды и доли секунд. Поэтому исследователям не приходилось рассчитывать на
традиционный метод химической идентификации этого элемента. Нужны были новые
методы – очень быстрые (экспрессные, как говорят исследователи), чувствительные
и точные. По-видимому – физические.
Если вспомнить, что
элемент есть совокупность атомов, состоящих из ядра и электронных оболочек, то
легко понять разницу в химическом и физическом подходах к изучению элемента.
Химики изучают электронные оболочки атома, его способность отдавать или
присоединять электроны при взаимодействии с другими атомами. Они устанавливают
порядковый номер элемента и его место в периодической системе по особенностям
строения внешней части атома. Физики определяют то же самое, но исследуют при
этом сами ядра и идентифицируют элемент по его ядерным свойствам.
Химические свойства
актиноидов (элементов №90...103) настолько близки, что различить их можно
только с помощью очень тонких аналитических методов, сравнительно медленных,
требующих большего времени, чем периоды полураспада элементов второй сотни.
Химические методы
идентификации элементов были приемлемы при синтезе изотопов, жизнь которых
измерялась десятками минут и более (а также 104-го и 105-го элементов, которые
по химическим свойствам значительно отличаются от соседних). Но для 102-го и
103-го элементов разработка надежных «быстрых» методов химической идентификации
потребовала больших и длительных усилий.
Физические методы
позволяют установить заряд ядра и массовое число синтезированного изотопа и
изучить его радиоактивные свойства. Они основаны на быстром улавливании ядер –
продуктов реакции, на выносе их из зоны облучения и переносе к детекторам
излучения для регистрации радиоактивного распада. Эти методы неразрывно связаны
с анализом закономерностей ядерных реакций.
Например, при
определенных значениях энергии возбуждения из образовавшегося ядра могут
«испариться» несколько нейтронов. Каждый нейтрон уносит часть энергии
возбуждения – примерно 10...12 МэВ. Для «охлаждения» и относительной
стабилизации ядра обычно необходим вылет 4...5 нейтронов. Кривая зависимости
выхода ядер нового изотопа (или нового элемента) от энергии налетающих ионов
имеет вид колоколообразной кривой: ее вершина соответствует энергии –
наибольшего выхода ядер, а ширина «колокола» на половине высоты составляет
10...12 МэВ. Эта кривая называется кривой выхода; изучение ее формы дает
достаточно оснований для распознания изотопа. Для проверки применяют так
называемые перекрестные облучения, цель которых показать, что исследуемый
изотоп появляется только в одной определенной комбинации мишень – частица, при
определенной энергии бомбардирующих ионов. Если же условия опыта меняются
(замена мишени или частицы, изменение энергии ионов), то этот изотоп не должен
регистрироваться.
Но тут важно еще одно
обстоятельство: нужно знать, какому виду радиоактивного распада подвержены
новые ядра. Физик должен предвидеть, какие продукты образуются при
радиоактивном распаде новых ядер, и иметь мужество вносить необходимые поправки
в расчеты и в эксперимент, если «улов» окажется не тем, что ожидалось.
Изотопы 102-го
элемента, которые могут образоваться в реакциях с тяжелыми ионами, подвержены
трем видам радиоактивного распада. Это – альфа-распад, спонтанное деление и
захват орбитальных электронов. Первый вид наиболее вероятен.
При альфа-распаде ядро
любого изотопа элемента №102 превращается в ядро одного из изотопов фермия
(элемент №100) и ядро гелия (альфа-частицу). Энергия альфа-частиц
при этом будет строго определенной. Следовательно, зарегистрировать искомое
ядро можно двумя способами: либо измерением энергии образовавшихся альфа-частии
(Eб) и периода полураспада (T 1/2),
либо наблюдением дочерних продуктов распада – ядер атомов фермия. Однако в
первом случае существенной помехой определения будет фон, обусловленный
альфа-распадом короткоживущих изотопов других элементов. При этом образуются
альфа-частицы, энергия которых близка к энергии альфа-частиц, возникших при
распаде ядер 102-го элемента. В частности, «густой» фон появляется, если в
материале мишени или 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-го элемента. Поэтому тщательная
очистка вещества мишени от микропримесей свинца и близлежащих элементов и
сверхчистые материалы для изготовлении установки – обязательные условия чистого
опыта по синтезу 102-го элемента.
Помехи и трудности
неизбежны и при определении дочерних продуктов альфа-распада ядер 102-го
элемента
К сожалению, многие из
перечисленных трудностей и серьезнейшие требования к условиям эксперимента
стали очевидными уже после того, как появились первые сообщения об открытии
102-го элемента.
Первый этап
Первая статья
«Получение нового элемента 102» была направлена в редакцию «Physical Review» в
июле 1957 г. и опубликована в сентябрьском номере этого журнала. Объединенная
американо-англо-шведская группа сообщала об опытах по облучению мишени из смеси
изотопов кюрия (244Cm – 95%, 245Cm – 1% и 246Cm
– 4%) ионами углерода-12 и углерода-13, ускоренными на циклотроне Нобелевского
института физики. Ядра – продукты реакции – вылетали из мишени, получив энергию
налетающего иона. Их улавливали на специальную фольгу-сборник, которую потом
сжигали на платине. Радиоактивный остаток смывали с платины и подвергали
химическому анализу методом ионного обмена. После двенадцати получасовых
облучений во фракции, соответствующей элементу №102, было зарегистрировано
около 20 альфа-частиц с энергией 8,5±0,1 МэВ. Период полураспада составлял
примерно 10 минут.
Многое в этой статье
вызывало недоумение, и прежде всего то, что авторы не смогли точно указать
массовое число изотопа (оно определяется суммой протонов и нейтронов в ядре).
Объяснялось это двумя причинами. Во-первых, не удалось выяснить зависимость
выхода продукта от энергии ионов из-за неопределенности этой характеристики
потока. Вторая причина – довольно сложный изотопный состав материала мишени.
Сомнение в правильности
выводов вызывал и тот факт, что эффект, приписанный элементу №102, наблюдался
лишь на трех из шести использованных мишеней, да и эти три мишени не давали
эффекта после трех недель работы. Почему – непонятно. В чистом опыте так быть
не должно.
Настораживала и большая
величина сечения реакции (большой выход нового излучателя), поскольку пучки
ионов были маломощными (0,03...0,1 мкА). Но особенно сомнительным было большое
время жизни изотопа – период полураспада около 10 минут. Тем не менее авторы
работы заявили об открытии элемента №102 и предложили назвать его нобелием
(символ No) в честь Альфреда Нобеля.
Не прошло и года, как
американские ученые из Беркли опубликовали статью «Попытки подтвердить
существование десятиминутного изотопа элемента 102», в которой сообщили о
безуспешных поисках долгоживущей активности с указанными в Стокгольме
свойствами. Эта работа была выполнена очень тщательно и более точно, чем в
Швеции. Использовались кюриевые мишени того же изотопного состава, те же самые
ионы 12С и 13С, однако интенсивность пучка была больше, а
энергетический спектр пучка был монохроматическим (т.е. пучок состоял из строго
одинаковых по энергии ионов).
Выход всех изотопов
более легких элементов в этом эксперименте оказался гораздо больше, чем в
стокгольмском, но активность, приписанная элементу №102, не наблюдалась...
Примерно в то же время,
что и в Швеции, в Москве также были проведены опыты по синтезу короткоживущих
изотопов 102-го элемента. Для получения нового элемента изотопы плутония 241Pu
и 239Pu облучали ионами кислорода-16 с энергией около 100 МэВ.
Изучался альфа-распад продуктов ядерных реакций классическим методом ядерных
фотоэмульсий. В спектре альфа-частиц наряду с группами, обусловленными распадом
известных элементов, была отмечена группа с энергией 8,9±0,4 МэВ. Было
показано, что период полураспада этого изотопа меньше 40, но больше 2 секунд.
На основании теоретических оценок предполагалось, что наиболее вероятна реакция
с «испарением» четырех нейтронов:
24194Pu
+ 168O → 253102 + 410n.
Через несколько месяцев
в Беркли были поставлены опыты по синтезу еще одного изотопа – 254102.
Американские физики бомбардировали мишени из кюрия-246 ионами углерода-12. Они
установили, что период полураспада изотопа 254102 близок к 3
секундам, а энергия альфа-частиц равна 8,3 МэВ. В опубликованной ими статье
указывалось также, что ядра изотопа 254102 испытывают спонтанное
деление примерно в 30 случаях из 100.
Для идентификации 254102
авторы разработали оригинальный метод, которым доказывалось, что дочерние ядра
фермия-250 с хорошо известными свойствами могут появляться на вторичном
сборнике ядер отдачи только в результате альфа-распада изотопа 254102.
А фермий-250 регистрировали химическими методами.
О синтезе еще одного
изотопа – 255102 та же группа сообщила в 1961 г. Главные
характеристики этого изотопа: период полураспада – 15 секунд, энергия
альфа-частиц – 8,2 МэВ.
На этом по существу и
закончился первый этап истории 102-го элемента. Началом второго этапа стал пуск
большого циклотрона многозарядных ионов в Дубне. Это произошло в начале 1961 г.
Тогда же была намечена программа получения на этом ускорителе многих
неизвестных изотопов трансурановых элементов начиная от 99-го и далее. Но
прежде чем приступить к новым синтезам, сотрудники Объединенного института
ядерных исследований провели большую серию опытов по изучению закономерностей
образования трансурановых элементов в ядерных реакциях, создали экспрессные
методы физической идентификации короткоживущих новых изотопов, разработали
детекторы альфа-излучения с очень хорошими характеристиками. Эти работы заняли
почти три года.
Второй этап
В 1963 г. сотрудникам
Лаборатории ядерных реакций удалось синтезировать наиболее тяжелый в то время
изотоп 102-го элемента – 256102. Его получили в результате
бомбардировки мишени из урана-238 ионами неона-22 с энергией 112 МэВ.
Были изучены два вида
радиоактивного 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 этих
экспериментов сильно расходились с теоретическими оценками, основанными на
данных американских ученых о свойствах изотопа 254102 (синтез 1958 г.
в Беркли).
В связи с этим было
решено еще раз экспериментально проверить свойства изотопов 254102 и
256102 двумя методами. В одном из них свойства изотопов определяли
по характеристикам альфа-частиц, в другом – по дочерним ядрам. Результаты
экспериментов с изотопом 256102 оказались такими же, как раньше. Но
в другой серии опытов экспериментаторы с удивлением обнаружили, что изотоп 254102
обладает 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 из
1800. А ведь эти результаты казались самыми достоверными, самыми бесспорными.
Стало ясно, что
необходимо повторить опыты по синтезу и изучению свойств других изотопов
элемента №102. Эти опыты и были поставлены в Дубне в 1965...1966 гг.
Здесь необходимо
упомянуть о том, что за годы, прошедшие после первых работ по синтезу элемента
№102, ядерная физика ушла далеко вперед. В частности, намного лучше были
изучены закономерности ядерных реакций с участием тяжелых ионов. Да и техника
эксперимента совершенствовалась все эти годы. Поэтому тем, кто начинал исследования
в 60-х годах, много было и понятнее, и доступнее, чем участникам работ
1956...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
|
|
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 указаны
бомбардирующие 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 с
приведенной здесь таблицей. (Желая подчеркнуть какое-то важное различие, иногда
говорят, будто бы по примеру одесситов, «две большие разницы». В нашей таблице
«больших разниц» уже не две, а четыре). Сравнение данных показывает, что
практически во всех ранних работах по синтезу и исследованию нового элемента
допущены большие или меньшие ошибки.
Группа, работавшая в
Нобелевском институте, считала, что, скорее всего, ею был получен изотоп 253102
(период полураспада T 1/2 равен примерно 10 минутам и
энергия альфа-частиц Eб около 8,5 МэВ). Оказалось, что T 1/2
этого изотопа составляет всего 95 секунд, а Eб – 8,01 МэВ. Тогда
стали поговаривать об изотопе 251102. Но в 1967 г. в Дубне и Беркли
смогли получить и этот изотоп. Период полураспада его ядер оказался 0,8±0,3
секунды, Eб – 8,6 МэВ. Опять не сходились концы с концами...
Московский синтез 1958 г.
Изотоп 253102; T 1/2 = 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 (T 1/2 = 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 массовое
число и энергию альфа-распада изотопа.
О разнице в
характеристиках калифорнийского изотопа 254102 рассказывалось выше.
В 1961 г. в Беркли был
получен изотоп 255102, и этот эксперимент был воспроизведен в Дубне.
И здесь выяснилась разница в характеристиках. По американским данным, период
полураспада ядер 255102 составил примерно 15 секунд, а Eб
= 8,2 МэВ. В Дубне были получены совсем другие цифры: T 1/2
= 3 минуты, Eб = 8,09 МэВ.
Пятый изотоп – 256102
был впервые получен в Дубне.
Естественно, может
возникнуть вопрос: насколько точны новые данные? Ответ: советские ученые не
абсолютизируют свои результаты, не выдают их за истину в последней инстанции.
Но достоверность этих результатов, бесспорно, намного больше, чем результатов
первых работ. Большой дубненский циклотрон дает значительно более мощные и
монохроматические (состоящие из одинаковых ионов) пучки, чем ускорители,
которыми располагали участники ранних работ. К началу новых синтезов в
реакторах были накоплены достаточные количества изотопоп плутония и америция,
необходимых для изготовления высококачественных мишеней. Прецизионные детекторы
альфа-излучения и экспрессные методы физической идентификации изотопов,
которыми мы располагали, были разработаны уже после окончания ранних работ. Все
это позволило делать выводы на основании наблюдения уже не десятков, а сотен и
тысяч атомов.
Наконец, участники
дубненской работы лучше знали закономерности образования новых ядер в реакциях
с тяжелыми ионами, чем ученые, ставившие свои опыты в конце 50-х годов. Для
ядерной физики пять – семь лет – срок немалый.
О результатах работ по
синтезу и исследованию в Дубне пяти изотопов элемента №102 впервые было
сообщено на Международной конференции по физике тяжелых ионов в октябре 1966 г.
А уже в декабре из Америки пришли первые сообщения о точном воспроизведении
этих 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 только
самым тяжелым, но и самым долгоживущим: его период полураспада 1,5±0,5 часа.
Коротко о химии
элемента №102
Первые опыты по химии
этого элемента были предприняты в Дубне в 1967 г. Методом фронтальной
хроматографии 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 (или
хлоридов) 102-го элемента судили по распределению в хроматографической колонке
фермия-252 – дочернего продукта изотопа 256102.
Опыты показали, что
элемент №102 образует нелетучий хлорид. Его фронт двигался по колонке очень
медленно, подобно фронту фермия, кюрия и прочих типичных представителей
семейства 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 химии
102-го элемента проводились и в Калифорнийском университете. Здесь работали со
сравнительно долгоживущим изотопом 255102. Американские химики
установили, что в водных растворах наиболее устойчиво валентное состояние 2+ и
что окисление до состояния выше 3+ крайне сложно, а может быть, и невозможно
вообще.
Вот, пожалуй, и все,
что известно сейчас о химии элемента №102. Оттого ядерно-физические
характеристики его изотопов остаются главными «показателями» при синтезе и
исследовании этого элемента.
Тот факт, что во всех
ранних работах по 102-му элементу были допущены неточности и ошибки, теперь
абсолютно бесспорен, и есть все основания считать элемент №102 открытием ученых
социалистических стран, работающих в Объединенном институте ядерных
исследований. Им и принадлежит право дать имя этому элементу. От нобелия, как
шутят физики, остался только символ, a No по-английски означает «нет»...
Элемент №102 должен
быть переименован – таково общее мнение участников работ по синтезу и исследованию
этого элемента, проведенных в Дубне. Они предлагают назвать элемент №102 в
честь Фредерика
Жолио-Кюри – выдающегося ученого, открывшего искусственную
радиоактивность, и борца за мир.