Путешествие в Страну элементов

Одним из первых методов выделения радиоактивных изотопов без носителя был метод отдачи. Суть его заключается в следующем. При взаимодействии ядра атома с какой-либо бомбардирующей частицей оно получает дополнительную кинетическую энергию, то есть энергию движущейся частицы, которая помогает ему, грубо говоря, «вырваться из объятий» химических связей с другими атомами. Поскольку вырвавшийся атом обычно ионизирован, лишен части своих электронов, то, используя свойства ионов притягиваться к противоположным зарядам, такие атомы можно «собирать» на пластинах, заряженных отрицательно. Именно так были впервые выделены и идентифицированы всего 17 атомов элемента менделеевия. Порой удается применить и более простые методы. Так, при облучении окиси магния дейтронами по реакции

²⁶Mg + d → ²⁴Na + α

получается радиоактивный изотоп натрия, который из мишени можно просто вымыть водой, поскольку окись магния в воде не растворима.

Фабрика изотопов

Вскоре после того как ученые получили первые искусственные радиоактивные изотопы, выяснилось, что самыми выгодными с энергетической точки зрения оказались реакции, при которых ядра взаимодействуют не с заряженными, а с нейтральными частицами, с нейтронами. Вот об этих реакциях и пойдет речь.

Нейтроны и уран

Исторически первой ядерной реакцией, которая привела к обнаружению нейтронов, было взаимодействие альфа-частиц с бериллием. Однако нейтроны, как оказалось впоследствии, можно получать и другими путями, например по реакции:

¹¹₅B + ⁴₂He → ¹⁴₇N + ¹₀n.

Известен еще один способ, приводящий к рождению нейтронов. Так, они возникают при действии протонов на мишень, содержащую изотоп лития:

⁷₃Li + ¹₁H → ⁷₄Be + ¹₀n.

Получающиеся по различным реакциям нейтроны обладают разной скоростью, разными энергиями.

Нейтроны оказались превосходными «снарядами» для «обстрела» атомного ядра. Ведь они не имеют заряда, а следовательно, не будут, как альфа-частицы или протоны, отталкиваться положительно заряженными ядрами. Ученые сразу же взяли нейтрон на «вооружение». Первым среди них был итальянский физик Энрико Ферми. В результате его экспериментов выяснилось, что большинство элементов периодической системы взаимодействует с нейтронами. Особенно хорошо протекали ядерные реакции с так называемыми медленными нейтронами.

Из физики известно, что если катящийся шарик сталкивается с неподвижным, наибольшее количество энергии (или максимальную скорость) неподвижный шарик получит в том случае, когда массы обоих шариков равны. То же самое происходило и с нейтронами. Лучше всего они замедлялись при соударениях с ядрами атомов водорода.

Однако при этом одновременно может происходить реакция:

¹₁H + ¹₀n → ²₁H + γ

В настоящее время лучшим замедлителем для нейтронов считается тяжелая вода, содержащая в своем составе вместо обычного водорода атомы его изотопа дейтерия ²₁Д, а также графит. И дейтерий и графит практически не взаимодействуют с нейтронами, то есть не поглощают, а лишь задерживают их.

В результате захвата ядрами медленных (или вообще любых) нейтронов чаще всего испускается гамма-квант и образуются изотопы тех же элементов, но с массовым числом на единицу больше. Однако в некоторых случаях после захвата медленного нейтрона из образовавшегося возбужденного ядра может вылетать протон или альфа-частица:

¹⁴₇N + ¹₀n → ¹⁴₆C + ¹₁H;

¹⁰₅B + ¹₀n → ⁷₃Li + ⁴₂He.

В начале 1934 года Ферми начал изучать действие медленных нейтронов на ядра урана. Результаты этих экспериментов превзошли все ожидания: в продуктах взаимодействия удалось обнаружить неизвестные изотопы каких-то элементов, испускающие бета-частицы. Но какие? Предположили, что взаимодействие урана с нейтронами происходит по схеме:

²³⁸₉₂U + ¹₀n → ²³⁹₉₂U + γ

Но образующийся изотоп урана, как считал Ферми, не мог быть стабильным и легко испускал бета-частицы:

²³⁹₉₂U → ²³⁹₉₃Э + β^–

Поэтому Ферми высказал мысль, что при взаимодействии урана с нейтронами образуется новый, не встречающийся в природе элемент, который в периодической системе должен был располагаться за ураном. И хотя первый заурановый элемент — нептуний — был получен именно таким способом, оказалось, что в опытах Ферми фигурировал совсем не он…

Что именно получается в результате «бомбардировки» урана нейтронами, взялись выяснить французский ученый Фредерик Жолио-Кюри и серб Савич. Они пришли к неожиданному выводу: в продуктах взаимодействия урана с нейтронами присутствует элемент № 57 — лантан. Это было удивительно и непонятно: искали трансураны, а обнаружили элемент середины таблицы Менделеева. Объяснили непонятное явление немецкие радиохимики Ган и Штрассманн лишь в 1939 году.