"Ад" и "безумие"
Благодаря точным ультрамикрохимическим работам ученые очень скоро стали располагать всеми основными физико-химическими данными для искусственного элемента плутония. Теперь исследователи с некоторой гордостью заявляют, что о плутонии известно больше, чем о каком-нибудь классическом элементе, скажем, железе.
Когда в конце 1943 года в США смогли "наскрести" несколько миллиграммов плутония, в Чикагском университете группа Гленна Сиборга и Альберта Гиорсо стала работать над синтезом и обнаружением других ближайших трансуранов -95- и 96-го. Они, несомненно, также должны образовываться в атомном реакторе в результате многократного захвата нейтронов ураном. Однако не было смысла выделять неизвестные элементы из продуктов деления до тех пор, пока не будут известны их химические и физические свойства. Поэтому Сиборг с сотрудниками хотели сначала получить эти трансураны при помощи циклотрона бомбардировкой плутония нейтронами или дейтронами. Между тем опыты, длившиеся месяцами, не давали каких-либо сдвигов. Появились сомнения в правильности использования методов разделения.
Прежние представления, согласно которым элементы 93, 94, 95 являются аналогами рения, осмия и иридия, то есть должны проявлять те же химические свойства, были разрушены с открытием нептуния и плутония: в этом месте периодическая система элементов была неверна! Экарений -- нептуний и экаосмий -- плутоний, как ни странно, совершенно не имели сходства с рением или осмием. Поэтому Сиборг предположил, что трансураны вместе с ураном относятся к новой группе элементов, являющихся преимущественно шестивалентными. Однако как ни привлекателен был этот вариант, как раз для него не было химических доказательств. Все операции, предпринятые для выделения полученных элементов 95 и 96, не приводили ни к чему, если исходить из их 6-валентности.
Сиборг вновь и вновь перепроверял свои представления. Быть может, аналогично 14 лантаноидам (редкоземельным элементам) существует также группа из 14 "актиноидов", которая следует за актинием и заканчивается 103-м элементом? В этом случае элементы 95 и 96 должны иметь электронные конфигурации, сходные с их "родственниками" -- европием (элемент 63) и гадолинием (элемент 64), то есть должны быть преимущественно трехвалентными.
Завороженная этой мыслью группа Сиборга рискнула сделать отважный прыжок в неизвестное. Они хотели, прежде всего, синтезировать элемент 96, чтобы на нем проверить свои представления. Летом 1944 года они бомбардировали 10 мг плутония -- больше не было -- альфа-частицами из циклотрона в Беркли:
[239]Pu + [4]He [242]X+ n
Опыт удался, удались и химическое разделение и идентификация элемента 96. Появилась актиноидная концепция Сиборга: актиноиды являются не чем иным, как экалантаноидами. Это следовало учитывать при размещении их в периодической системе. Так получилось, что 96-й элемент был открыт еще до 95-го. Однако химическое разделение обоих элементов долгое время казалось невыполнимым. Один сотрудник из группы в Беркли предложил назвать эти трансураны "пандемониум" (ад) и "делириум" (безумие). Разделение удалось только в 1945 году и лишь с помощью новой техники, которая основывалась на селективности только что разработанных ионообменных смол. Выделенный 96-й элемент назвали кюрием в честь Марии Кюри. Для 95-го элемента предложили название америций, исходя из его лантаноидного аналога -- европия. Когда позднее было получено первое видимое глазом количество искусственного элемента америция и его хотели запечатлеть на пленке, в Беркли отыскали подходящий для сравнения масштаб: маленькое игольное ушко. И все же оно было больше, чем количество америция, собранное на крошечном центрифужном стеклышке!
Чтобы получить следующие трансураны, нужно было располагать достаточно большими количествами америция и кюрия в качестве веществ для мишени. Вопрос касался не только их синтеза и выделения, но и лучевой защиты, ибо новые трансураны оказались крайне коварными радиоактивными веществами. Одним из опаснейших является плутоний вследствие его долго неисчезающий радиоактивности, а также способности задерживаться в человеческом организме. В 1 м[3] воздуха максимально допустимое содержание составляет 10[-9] г Pu. Если сравнить с синильной кислотой -- одним из сильнейших химических ядов, то ее предельно допустимая концентрация равна 11 мг на 1 м[3] воздуха. Поэтому при работе с этими искусственными элементами, ввиду их "радиотоксичности", первоочередной проблемой становится защита.
Синтезы элементов 97 и 98 заставили себя ждать. Затем их наконец получили. Сиборг, Гиорсо и Томсон в Беркли бомбардировали элементы 95 и 96 альфа-частицами большой энергии. Для мишеней были взяты миллиграммовые количества америция и даже микрограммовые количества кюрия, которые синтезировали искусственно в 1949/50 годах. Они были получены облучением соответственно плутония и америция в реакторе мощным потоком нейтронов. В урановом реакторе поток нейтронов во много раз интенсивнее, чем в циклотроне.
Два новых элемента увидели свет: 97-й -- берклий и 98-й - калифорний. Особенно тяжело досталось обнаружение 98-го элемента: из микрограммовых количеств кюрия образовывалось лишь около 5 000 атомов калифорния. Когда это стало известно, в университете в Беркли многие шутили: это количество значительно меньше, чем число студентов! Берклий так и остался очень редким элементом. Мировой запас и сегодня составляет лишь несколько миллиграммов. И все же благодаря изощренным методам анализа наука знает все наиболее существенные физико-химические константы этого искусственного элемента.
В настоящее время атомный реактор является основным источником получения элементов 94--98. Трансураны извлекают из отходов, образующихся после выгорания стержней из обогащенного урана, причем выделяют эти элементы в различных количествах. К этому мы еще вернемся. Значительно выше выходы продуктов деления средней массы, в которые превращается в реакторе уран-235. К ним относятся также искусственные элементы 43 и 61.
В 1945 году американские химики Марийский, Гленденин и Кориелл, используя новый ионообменник, впервые выделили заметные количества 61-го элемента. Все они вошли в историю науки как первооткрыватели этого элемента. Американцы предложили назвать его прометий, что символизировало бы отвагу человеческого духа и вместе с тем возможные опасности использования атомной энергии: ведь Прометей похитил у богов огонь, чтобы передать его людям.
Главный изотоп, прометий-147, радиоактивен и испускает слабое бета-излучение. Эти данные совпали с теоретическими предсказаниями. После того, как стали известны характерные свойства нового элемента, опыты по обнаружению его в природе, проводившиеся Эреметсе и другими учеными, имели некоторый успех. Работая в промышленном масштабе, финский химик выделил из 6 000 т апатита около 20 т оксидов редкоземельных элементов, а из них -- 3,8 кг смеси оксидов самария и неодима. После разделения на ионообменнике осталось целых 83 мг, которые испускали слабое бета-излучение. Эту фракцию Эреметсе исследовал в 1965 году и ее бета-спектр совпал со спектром прометия-147. По оценке Эреметсе, в концентрате, полученном из 6000 т апатита, должно содержаться 10[-11] г прометия. Кроме того, следы этого элемента были найдены также в урановой смолке. Предполагается, что природный прометий образовался захватом нейтронов 60-м элементом, неодимом, либо спонтанным делением урана-238, а также индуцированным делением урана-235. Однако такие природные "находки" не отвергают определения прометия, как искусственного элемента. Ведь ощутимые количества его и сегодня можно получить только из продуктов деления урана: мощные реакторы в 10 000 кВт дают ежедневно 1500 мг прометия-147. В 1959 году годовой выпуск прометия в США повысился уже до 650 г.
Изотоп технеция [99]Тс также удалось обнаружить в природе в виде следов. В 1 кг урановой руды нашли 10[-10] г изотопа. Технеций-99 возникает при спонтанном делении урана-238. Однако вряд ли кто-нибудь захочет получать его из урановых руд. В настоящее время располагают килограммовыми количествами технеция и получают его исключительно в ядерной промышленности. Еще в 1959 году английские химики сообщали, что они выделили 20 г этого искусственного элемента из 100 т отработанного реакторного топлива.
По новейшим исследованиям, плутоний уже нельзя называть искусственным элементом, ибо в 1971 году его обнаружили в природном редкоземельном минерале бастнезите, не содержащем урана. В 90 кг горной породы содержится 10[-14] г плутония-244, что было установлено с помощью масс-спектрографа. Это -- единственный изотоп 94-го элемента, который еще не совсем исчез с лица Земли за время ее существования. Другие изотопы плутония, которые сегодня в виде следов еще находятся в природных урановых рудах, имеют, как уже говорилось, искусственное происхождение.
