Где конец системы Менделеева? Часть первая.

таблица Менделеева

Было время, когда таблицу элементов замыкал уран, и тянулось оно, надо сказать, весьма долго. За ураном начиналось Неизвестное. Беспокойная мысль ученых не могла ответить на вопрос, почему в природе не обнаружены элементы тяжелее урана. Быть может, они невообразимо редки, быть может, не существуют вообще — недаром же сам Менделеев завещал грядущим поколениям химиков обратить на уран особое внимание. От последнего в списке элементов можно ожидать всяких сюрпризов, говорил великий ученый. Это предвидение начало сбываться уже при его жизни. Ведь именно уран привел Анри Беккереля к открытию явления радиоактивности.

Элементы конца периодической системы неустойчивы — к такому выводу пришла наука в начале двадцатого века. Простая логика подсказывала, что трансурановые элементы обладали, по-видимому, довольно короткими периодами полураспада и потому не сохранились до нашего времени. Вот почему менделеевская система обрывалась на уране.

Чтобы дать отсутствию трансурановых элементов в природе более строгое научное объяснение, нам придется сделать некоторое отступление.

Все элементы конца таблицы Менделеева, начиная с полония, радиоактивны. Лишь уран и торий, находившиеся на Земле в момент образования Солнечной системы, сохранились с той поры на нашей планете. Дело в том, что существующие в природе их изотопы — торий-232, уран-235, уран-238 — имеют периоды полураспада, превышающие возраст Земли (5 миллиардов лет). Остальные же радиоактивные элементы — полоний, радий, актиний и другие — гораздо менее долговечны. Те их количества, которые мы сейчас обнаруживаем в земной коре, не были свидетелями образования Солнечной системы и представляют собой лишь продукты распада урана и тория, так сказать, вторичные элементы. Чему же обязаны уран и торий своей сравнительно огромной долговечностью?

Казалось бы, чем дальше расположен элемент в периодической системе, тем он неустойчивее. А на деле периоды полураспада изотопов урана и тория превосходят периоды полураспада всех прочих изотопов радиоактивных элементов конца периодической системы в миллионы и десятки миллионов раз.

Судите сами. Сорок шесть радиоизотопов входят в ряды радиоактивных превращений урана-238, урана-235 и тория-232. Тридцать четыре из них альфа-активны. Испускание ядер гелия (альфа-распад) является главным видом распада у тяжелых элементов. Для каждого альфа-активного изотопа характерна своя величина энергии распада. Чем выше эта энергия, тем менее долговечен изотоп, тем меньше период его полураспада. Физики измеряют энергию процессов микромира в специальных единицах — электронвольтах. Так, у астатина-213 энергия альфа-распада составляет 9,2 миллиона, а у тория-232— 4,05 миллиона электрон- вольт. Первый погибает, не успев родиться, живет лишь сотые доли секунды; второй теряет половину атомов за астрономически большой срок — 14,5 миллиардов лет.

Итак, более легкий элемент оказывается куда менее устойчивым, чем более тяжелый. Парадокс? Пожалуй! Чтобы разрешить это противоречие, нам придется углубиться в самые недра атома, в его ядро. Оно, грубо говоря, состоит из двух сортов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Мы еще очень мало знаем о природе ядерных сил — сил, удерживающих в повиновении составные элементы ядра, не дающих ему «рассыпаться». Ученые предлагали различные модели ядра; одной из них является так называемая оболочечная модель. Суть ее состоит в том, что в ядрах предполагается наличие особых нейтронных и протонных оболочек. В какой же связи они находятся с радиоактивностью ядер?

Вспомним сначала обычную химию. В периодической системе элементов имеется группа инертных газов, в которую входят гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Они не образуют химических соединений. Почему? Да потому, что их внешние электронные оболочки являются весьма устойчивыми системами. Они не склонны ни отдавать электроны, ни принимать новые. Все прочие элементы в реакциях, наоборот, стремятся достроить свои наружные электронные слои до структуры ближайшего «благородного» газа. Достичь оболочки из 8 электронов — вот «идеал» химического элемента, вступающего в реакцию. Именно этот фундаментальный факт определяет в конечном счете химическую активность элементов.

Как показали ученые, и среди ядер существуют «идеальные образцы», особые ядерные структуры. Это ядра, которые содержат 2, 8, 20, 50, 82 или 126 нейтронов или протонов; про них говорят, что они имеют замкнутые нейтронные или протонные оболочки. Ядра с подобными «магическими числами» нейтронов или протонов по многим качествам отличаются от своих соседей. Например, они гораздо устойчивее и значительно более распространены в природе.

Оболочкой из 126 нейтронов обладают изотопы многих элементов конца периодической системы — полония, астатина, радона, франция. Изотопы, имеющие большее количество нейтронов, стремятся достичь этой оболочки, путем «сбрасывания» избыточных нейтронов. А удалены эти нейтроны могут быть только в составе альфа-частицы, другими словами, путем альфа-распада. Вот почему элементы от полония до радия так неустойчивы по отношению к альфа-распаду; здесь-то и кроется причина их недолговечности. Когда число нейтронов в ядрах заметно превышает 126, стремление достичь подобной структуры ослабевает, и энергия альфа-распада уменьшается. А это, в свою очередь, приводит к росту долговечности элемента. У тория, протактиния и урана влияние этой оболочки уже ничтожно.

Правда, тут вклинивается еще одно обстоятельство: протактиний подводит то, что он элемент нечетный, а нечетные радиоэлементы, как правило, менее устойчивы, чем их четные соседи. Этот факт находит объяснение в ядерной физике, но мы не будем на нем останавливаться. У элементов же, следующих за ураном, должна сказываться другая тенденция. Очень тяжелые ядра по самой своей природе представляют малоустойчивые образования; они начинают разрушаться из-за собственной «тяжести». Действительно, у нептуния, плутония и последующих трансуранов энергия альфа-распада снова возрастает. Поэтому-то они слишком недолговечны, чтобы сохраниться на Земле с момента своего образования; поэтому-то уран долгое время оставался последним элементом периодической системы.

Поиски трансурановых элементов в природе представляли собой долгую цепь неудач и разочарований. В конце концов, нептуний и плутоний обнаружили в земных минералах, (а не в «космической пыли»), но в количествах, представляющих скорее теоретический интерес. Весь нептуний и плутоний, содержащиеся на нашей планете, поместились бы на средней руки самоходной барже. Они — «всего лишь» продукты ядерных реакций урана с нейтронами.

Практически имеет смысл говорить лишь об искусственном получении трансурановых элементов. В 1940 году были синтезированы нептуний и плутоний. В 1961 году мир узнал о «рождении» сто третьего элемента — лоуренсия. Сейчас известны различные методы получения трансурановых элементов. Один из них — длительное (на протяжении нескольких лет) облучение урана нейтронами. Так удается синтезировать изотопы элементов вплоть до фермия (порядковый номер 100). Механизм этих ядерных процессов несложен: перегруженные нейтронами ядра урана подвергаются бета-распаду, что и приводит к образованию ядер с большими зарядами. Для синтеза отдельных трансуранов (америция, кюрия, берклия, калифорния) в качестве бомбардирующих снарядов используют альфа-частицы. Наконец, последние трансурановые элементы получают весьма оригинальным способом, обстреливая уран, плутоний или кюрий ускоренными ионами легких элементов периодической системы — кислорода, неона, углерода, бора.

Продолжение следует.

Автор: Д. Трифонов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *