Де кінець системи Менделєєва? Частина перша.

таблиця Менделєєва

Був час, коли таблицю елементів замикав уран, і тягнувся він, треба сказати, вельми довго. За ураном починалося Невідоме. Неспокійна думка вчених не могла відповісти на питання, чому в природі не виявлені елементи важче урану. Бути може, вони неймовірно рідкісні, можливо, не існують взагалі – недарма ж сам Менделєєв заповідав прийдешнім поколінням хіміків звернути на уран особливу увагу. Від останнього в списку елементів можна очікувати всяких сюрпризів, говорив великий вчений. Це передбачення почало збуватися вже за його життя. Адже саме уран привів Анрі Беккереля до відкриття явища радіоактивності.

Елементи кінця періодичної системи нестійкі – до такого висновку прийшла наука на початку двадцятого століття. Проста логіка підказувала, що трансуранові елементи володіли, мабуть, досить короткими періодами напіврозпаду і тому не збереглися до нашого часу. Ось чому менделєєвська система обривалася на урані.

Щоб дати відсутності трансуранових елементів в природі більш суворе наукове пояснення, нам доведеться зробити деякий відступ.

Всі елементи кінця таблиці Менделєєва, починаючи з полонію, радіоактивні. Лише уран і торій, що знаходилися на Землі в момент утворення Сонячної системи, збереглися з тієї пори на нашій планеті. Справа в тому, що існуючі в природі їх ізотопи – торій-232, уран-235, уран-238 – мають періоди напіврозпаду, що перевищують вік Землі (5 мільярдів років). Решта ж радіоактивні елементи – полоній, радій, актиній та інші – набагато менш довговічні. Ті їх кількості, які ми зараз виявляємо в земній корі, не були свідками утворення Сонячної системи і являють собою лише продукти розпаду урану і торію, так би мовити, вторинні елементи. Чому ж зобов’язані уран і торій своїй порівняно величезній довговічності?

Здавалося б, чим далі розташований елемент в періодичній системі, тим він нестійкіший. А на ділі періоди напіврозпаду ізотопів урану і торію перевершують періоди напіврозпаду всіх інших ізотопів радіоактивних елементів кінця періодичної системи в мільйони і десятки мільйонів разів.

Судіть самі. Сорок шість радіоізотопів входять до лав радіоактивних перетворень урану-238, урану-235 і торію-232. Тридцять чотири з них альфа-активні. Випускання ядер гелію (альфа-розпад) є головним видом розпаду у важких елементів. Для кожного альфа-активного ізотопу характерна своя величина енергії розпаду. Чим вище ця енергія, тим менш довговічний ізотоп, тим менше період його напіврозпаду. Фізики вимірюють енергію процесів мікросвіту в спеціальних одиницях – електронвольтах. Так, у астатин-213 енергія альфа-розпаду становить 9,2 мільйона, а у торію-232- 4,05 мільйона електрон-вольт. Перший гине, не встигнувши народитися, живе лише соті частки секунди; другий втрачає половину атомів за астрономічно великий термін – 14,5 мільярдів років.

Отже, більш легкий елемент виявляється куди менш стійким, ніж більш важкий. Парадокс? Мабуть! Щоб вирішити це протиріччя, нам доведеться заглибитися в самі надра атома, в його ядро. Воно, грубо кажучи, складається з двох сортів елементарних частинок – протонів і нейтронів. Ми ще дуже мало знаємо про природу ядерних сил – сил, що утримують в покорі складові елементи ядра, що не дають йому «розсипатися». Вчені пропонували різні моделі ядра; однією з них є так звана оболонкова модель. Суть її полягає в тому, що в ядрах передбачається наявність особливих нейтронних і протонних оболонок. В якому ж зв’язку вони знаходяться з радіоактивністю ядер?

Згадаймо спочатку звичайну хімію. У періодичній системі елементів є група інертних газів, в яку входять гелій, неон, аргон, криптон, ксенон і радон. Вони не утворюють хімічних сполук. Чому? Та тому, що їхні зовнішні електронні оболонки є дуже стійкими системами. Вони не схильні ні віддавати електрони, ні приймати нові. Всі інші елементи в реакціях, навпаки, прагнуть добудувати свої зовнішні електронні шари до структури найближчого «благородного» газу. Досягти оболонки з 8 електронів – ось «ідеал» хімічного елемента, що вступає в реакцію. Саме цей фундаментальний факт визначає в кінцевому рахунку хімічну активність елементів.

Як показали вчені, і серед ядер існують «ідеальні зразки», особливі ядерні структури. Це ядра, які містять 2, 8, 20, 50, 82 або 126 нейтронів або протонів; про них говорять, що вони мають замкнуті нейтронні або протонні оболонки. Ядра з подібними «магічними числами» нейтронів або протонів по багатьом якостям відрізняються від своїх сусідів. Наприклад, вони набагато стійкіше і значно більш поширені в природі.

Оболонкою з 126 нейтронів володіють ізотопи багатьох елементів кінця періодичної системи – полонію, астатину, радону, франція. Ізотопи, що мають більшу кількість нейтронів, прагнуть досягти цієї оболонки, шляхом «скидання» надлишкових нейтронів. А видалені ці нейтрони можуть бути тільки в складі альфа-частинки, іншими словами, шляхом альфа-розпаду. Ось чому елементи від полонію до радію так нестійкі по відношенню до альфа-розпаду; тут-то і криється причина їх недовговічності. Коли число нейтронів в ядрах помітно перевищує 126, прагнення досягти подібної структури слабшає, і енергія альфа-розпаду зменшується. А це, в свою чергу, призводить до зростання довговічності елемента. У торію, протактинію і урану вплив цієї оболонки вже мізерний.

Правда, тут вклинюється ще одна обставина: протактиній підводить те, що він елемент непарний, а непарні радіоелементи, як правило, менш стійкі, ніж їх парні сусіди. Цей факт знаходить пояснення в ядерній фізиці, але ми не будемо на ньому зупинятися. У елементів же, наступних за ураном, повинна позначатися інша тенденція. Дуже важкі ядра за самою своєю природою представляють малостійкі утворення; вони починають руйнуватися через власну «тяжкість». Дійсно, у нептунію, плутонію і наступних трансуранів енергія альфа-розпаду знову зростає. Тому-то вони занадто недовговічні, щоб зберегтися на Землі з моменту свого утворення; тому-то уран довгий час залишався останнім елементом періодичної системи.

Пошуки трансуранових елементів в природі представляли собою довгий ланцюг невдач і розчарувань. Зрештою, нептуній і плутоній виявили в земних мінералах, (а не в «космічного пилу»), але в кількостях, що представляють скоріше теоретичний інтерес. Весь нептуній і плутоній, що містяться на нашій планеті, помістилися б на середньої руки самохідній баржі. Вони – «всього лише» продукти ядерних реакцій урану з нейтронами.

Практично має сенс говорити лише про штучне отримання трансуранових елементів. У 1940 році були синтезовані нептуній і плутоній. У 1961 році світ дізнався про «народження» сто третього елемента – лоуренса. Зараз відомі різні методи отримання трансуранових елементів. Один з них – тривале (протягом декількох років) опромінення урану нейтронами. Так вдається синтезувати ізотопи елементів аж до фермію (порядковий номер 100). Механізм цих ядерних процесів нескладний: перевантажені нейтронами ядра урану піддаються бета-розпаду, що і призводить до утворення ядер з великими зарядами. Для синтезу окремих трансуранів (америцію, кюрія, берклію, каліфорнія) в якості бомбардуючих снарядів використовують альфа-частинки. Нарешті, останні трансуранові елементи отримуються вельми оригінальним способом, обстрілюючи уран, плутоній або кюрій прискореними іонами легких елементів періодичної системи – кисню, неону, вуглецю, бору.

Далі буде.

Автор: Д. Трифонов.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *