Путешествие в Страну элементов

Учитывая место элементов № 93 и 94 в периодической системе, можно было ожидать, что они будут напоминать рений и осмий. Но строение электронных оболочек говорило о возможных отклонениях. Может быть, эти элементы встанут в начале новой группы, подобной редкоземельной? В 1941 году физик-теоретик Мария Гепперт-Майер доказала математически, что такая группа возможна.

Но главным образом интерес исследователей был направлен к процессу деления ядер урана как источнику огромных количеств энергии. Процесс деления особенно тщательно изучался американскими учеными.

В 1939 году несколько физиков Калифорнийского университета измеряли расстояния, на которые разлетаются осколки деления, стараясь определить их энергию. Эдуард Мак-Миллан обнаружил в тонком слое расщепляющегося урана новые тяжелые частицы. Это были изотопы элемента № 93, образовавшиеся при захвате медленных нейтронов ядрами урана.

В 1940 году существование нового элемента — нептуния — было доказано химически. По свойствам он больше напоминал уран, чем рений и марганец. Таким образом подтвердилось предположение о новой группе трансурановых элементов.

Почти в те же дни природный уран был подвергнут в циклотроне облучению ядрами тяжелого водорода. Образовавшийся нептуний, выделяя бета-частицы, распался до элемента № 94 — плутония. Затем в продуктах деления был обнаружен его изотоп плутоний-239, который расщеплялся медленными нейтронами так же легко, как уран-235.

18 августа 1942 года Кэнингэм и Вернер получили примерно 500 миллионных долей грамма чистых солей плутония. Из такого количества с трудом можно было бы изготовить булавочную головку. Но его оказалось достаточно, чтобы провести подробное исследование всех основных свойств нового элемента. К концу 1942 года, то есть через 18 месяцев со дня открытия, плутоний можно было уже считать одним из самых изученных химических элементов.

Новые шаги за уран

Синтез всех других трансурановых элементов связан с именем американского физика Гленна Сиборга. Это был тщательно продуманный и предельно точно подготовленный технический поход в неизвестную страну сверхтяжелых атомов.

В сложном лабиринте ядерных реакций «нитью Ариадны» служила аналогия свойств трансурановых элементов. Каждый из них в определенном валентном состоянии напоминает все более легкие и более тяжелые с той же валентностью. И систематические отклонения, нарастая с каждым элементом, образуют четкую последовательность физических и химических свойств.

И еще одно счастливое совпадение. Новая группа очень похожа на классическое редкоземельное семейство. Так, редкоземельные элементы вымываются растворителями с ионообменной смолы (например, с катионита) в строгом, никогда не нарушаемом порядке. Этот порядок сохраняется и у трансурановых элементов. В первых порциях растворителя — всегда самые тяжелые из них. В то же время ионообменный метод обладает высокой чувствительностью. С его помощью можно отделить друг от друга даже несколько атомов. Поэтому существование почти всех трансурановых элементов было доказано с помощью ионообменных смол.

Когда плутоний перестал быть дефицитным материалом, он тут же был использован для синтеза элементов № 95 и 96. Это произошло незадолго до окончания второй мировой войны. Плутониевую мишень подвергли продолжительному облучению альфа-частицами, и на ионообменной смоле из продуктов ядерной реакции был выделен новый элемент — № 95, названный в честь первых исследователей ядерных превращений Марии и Пьера Кюри кюрием.

Немного позднее Сиборг приготовил изотоп плутоний-241. Он, излучая электроны, превращался в элемент № 95 — америций. Первым заметное количество америция получил Кэнингэм. Препарат Кэнингэма был облучен нейтронами, и из него в 1945 году Вернер и Перлмен выделили чистый кюрий.

Через некоторое время америций и кюрий стали получать по нескольку миллиграммов одновременно, облучая нейтронами плутоний. Всего же для тщательного изучения свойств этих элементов потребовался промежуток в 5–6 лет.

Теперь кюриевые и америциевые мишени, в свою очередь, были использованы для синтеза элементов № 97 и 98. Он был проведен в 60-дюймовом циклотроне Калифорнийского университета в Беркли. Быстрые альфа-частицы, проникая в мишень, каждый раз давали изотопы с порядковым номером на две единицы больше, чем у исходного элемента. Оставалось только быстро выделить новые элементы из радиоактивных продуктов и, наконец, назвать их.