Химия. Как открывают новые элементы?

Некоторые элементы были известны людям многие тысячелетия: это медь, серебро, золото, свинец, олово, железо и углерод. Позднее, но более чем 2000 лет назад, были открыты сурьма (примерно 5000 лет назад), ртуть (более чем 3.500 лет назад), цинк (более 3000 лет назад) и сера (более чем 2.500 лет назад).

К середине XIX века различных элементов было найдено более 50. Исследователи начали запутываться в новых открываемых элементах. Известны случаи, когда в разных странах ученые-химики открывали один и тот же элемент, называя его по-разному.

Возникла насущная необходимость как-то систематизировать открытые химические элементы. Это удалось Дмитрию Ивановичу Менделееву, который придумал свою Периодическую таблицу элементов.

Не все ученые того времени приняли предложенную им теорию. Утверждали, что он вносит в химию смуту. Ведь в его таблице, ради того чтобы все элементы оказались упорядочены по свойствам согласно их весу, был изменен принятый тогда вес нескольких химических элементов. Однако впоследствии были обнаружены ошибки в определении веса этих элементов и новые цифры совпали с предсказанными Менделеевым.

А чего стоили оставленные им в самой первой версии таблицы пустые места, предназначенные для еще не открытых элементов, названных им «экаалюминием», «экабором», «экасилицием»! Однако в 1875 году П. Э. Лекок де Буободран открыл экаалюминий, названный им галлием; в 1879 году Л. Нильсен открыл экабор, который он назвал скандием; а в 1886 году К. Винклер открыл экасилиций — германий.

В новых версиях таблицы появилось еще больше пустых мест для еще не открытых элементов, была предсказана новая, седьмая, строка таблицы и ее начали заполнять уже в конце XIX века. Так Пьер и Мария Кюри открыли в 1898 году предсказанные Периодической таблицей двителлур — полоний (элемент 82), и экабарий — радий (элемент 88).

Протактиний (1918), гафний (1923), рений (1925), технеций (1937) — в XX веке постепенно заполнялись предсказанные Периодической таблицей новые элементы. Элемент № 57, экацезий, первый элемент 7-й строки, предсказанный Менделеевым, был открыт в 1939 году в научном институте в Париже, назвали его францием.

К началу 1940-х первые 6 строк таблицы были заполнены — и исследователи начали «заполнять» 7-ю строку. Пришла пора трансурановых элементов — элементов, размещаемых в таблице Менделеева за ураном, 92-м элементом таблицы, открытым в 1789 году.

Первые трансурановые элементы — нептуний (элемент-93) и плутоний (элемент-94) — были получены в результате длительного облучения урана нейтронами. В результате атом U-238, поглотив нейтрон, превращался в U-239 — нестабильный изотоп, который в результате -β-распада превращался вначале в нептуний-239 (элемент-93), который тоже был нестабилен и вскоре, в результате еще одного -β-распада, становился плутонием-239 (элемент-94).

Начиная с 1940-х годов, оружейный плутоний нарабатывали сотнями килограммов в специальных «оружейных» атомных реакторах, он — сердце многих тысяч атомных бомб и снарядов (начиная с «Толстяка», сброшенного в 1945 году на Нагасаки).

Получение новых трансурановых элементов посредством нейтронной бомбардировки работало вплоть до элемента-98. Нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий и калифорний — элементы, полученные в результате облучения нейтронами урана, получают их из отработанного ядерного топлива (ОЯТ).

Америций (Am, элемент-95) был получен группой Гленна Сиборга в Металлургической лаборатории Чикагского университета в 1944 году. Изотоп Am-241 используется в контрольно-измерительных приборах.

Есть некоторые теоретические расчеты, позволяющие предположить, что изотоп Am-242 может оказаться очень перспективным ядерным топливом для сверхмалых атомных реакторов (например — в космосе). Увы, все тормозится из-за отсутствия методов его получения хотя бы в граммах. Возможно, будет отработана технология, и тогда его станут добывать из изотопа Am-241 с помощью нейтронного облучения.

Кюрий (Cm, элемент-96). Металл впервые был получен в лаборатории в 1944 году, в результате бомбардировки плутония альфа-частицами. В настоящее время добывается из ОЯТ. Изотоп Кюрий-242 применяется для производства сверхкомпактных и мощных радиоизотопных источников энергии, для запуска специальных ядерных реакторов. Спрос на этот металл во много раз превышает предложение, потому цена — десятки тысяч долларов за грамм.

Берклий (Bk, элемент-97). Получен в 1949 году в Национальной лаборатории в г. Беркли. Все известные изотопы имеют очень короткий период полураспада, поэтому их практическое использование невозможно. Однако его используют для получения изотопов калифорния, как промежуточный шаг превращения элементов.

Калифорний (Cf, элемент-98). Получен искусственно в 1950 году в Калифорнийском университете г. Беркли. Известны 17 его изотопов. Наиболее ценен Cf-252, являющийся мощным источником нейтронов. Металл используется в медицине — в лучевой терапии опухолей, и в химии — в нейтронно-активационном анализе, который позволяет неразрушающим способом определить состав и концентрацию элементов в исследуемом образце.

Спрос на этот металл во много раз превышает предложение, потому столь необходимый изотоп стоит от 4 до 30 млн долларов за грамм. Производится десятками микрограммов в год.

Увы, на калифорнии цепочка создания новых трансурановых элементов при помощи облучения нейтронами оборвалась, этот элемент обладает альфа-радиоактивностью, в ходе которой его атомы теряют заряд.

Для получения более тяжелых трансурановых элементов применили облучение металлов в циклотроне ядрами атомов гелия (альфа-частицами) — и на мишенях появлялись с микроскопических количествах все новые и новые элементы: Эйнштейний (99), Фермий (100), Меделевий (101), Нобелий (102), Лоуренсий (103), Резерфордий (104)… Их имена утверждены международной комиссией — вплоть до элемента-118, Оганесона.

Увы, практического значения эти элементы не имеют. Физические свойства большинства из них указываются предположительно. И трудно сказать, какого цвета должен быть слиток металла, если этого металла добыли пару микрограммов или вовсе несколько сотен атомов.

Зачем ученые продолжают создавать все новые и новые трансураниды, тратя на эти опыты миллиарды? Может быть, им просто интересно? А возможно, они надеются на успех, как получилось с Калифорнием-252?

Как бы то ни было, но 7-ю строку Периодической таблицы исследователи заполняли всю вторую половину XX века. Сегодня ученые ведут поиск элементов №№ 119 и 120. Наверное, скоро у Таблицы Менделеева появится 8-я строка.