Трансурановые элементы

Трансура́новые элементы

Химические элементы, расположенные в периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) Д. И. Менделеева за Ураном, то есть с атомным номером Z ≥ 93. Известно 14 Т. э. Из-за относительно высокой скорости их радиоактивного распада Т. э. в заметных количествах не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 5․10⁹ лет, а Период полураспада T_1/2 наиболее долгоживущих изотопов Т. э. меньше 10⁷ лет. За время существования Земли Т. э., возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их количество резко уменьшилось (до 10¹² раз). В природных минералах найдены микроколичества ²⁴⁴Pu — наиболее долгоживущего Т. э. (T_1/2 ~ 8․10⁶ лет), который, возможно, сохранился на Земле с момента её формирования. В урановых рудах обнаружены следы ²³⁷Np (T_1/2 ~ 2,14․10⁶ лет) и ²³⁹Pu (T_1/2 ~ 2,4․10⁴ лет), которые образуются в результате ядерных реакций с участием ядер U.

Первые Т. э. были синтезированы в начале 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) группой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Известно несколько способов синтеза Т. э. Они сводятся к облучению мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах (См. Ядерный реактор) или при взрыве ядерных устройств, можно получить все Т. э. до Fm (Z = 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к β-распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой β-распадов. Возможности этого метода ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Причины — недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с Z > 100.

Элемент с Z = 101 (Менделевий) был открыт в 1955 при облучении ²⁵³₉₉Es (эйнштейния) ускоренными α-частицами. Пять элементов с Z > 101 были получены на ускорителях заряженных частиц [циклотрон Объединённого института ядерных исследований (См. Объединённый институт ядерных исследований) (ОИЯИ; Дубна, СССР) и линейный ускоритель тяжёлых ионов «Хайлак» (Беркли, США)] в ядерных реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами. Определяющий вклад в эти работы внесли группа учёных под руководством Г. Н. Флёрова (Дубна) и группа Г. Сиборга — А. Гиорсо (Лаборатория им. Лоуренса, Беркли). Существенные результаты были получены также в Окриджской национальной лаборатории США.

Для синтеза далёких Т. э. используется два типа ядерных реакций — слияния и деления. В первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого составного ядра снимается путём «испарения» нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm, Cf образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия возбуждения ~ 40—60 Мэв). Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию в среднем порядка 10—12 Мэв, поэтому для «остывания» составного ядра должно вылететь до 5 нейтронов. С испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого ядра. Для элементов с Z = 104—105 вероятность испарения одного нейтрона в 500—100 раз меньше вероятности деления. Это объясняет малый выход новых элементов: доля ядер, которые «выживают» в результате снятия возбуждения, составляет всего 10^—8—10^—10 от полного числа ядер мишени, слившихся с частицами. В этом кроется причина того, что за последние 20 лет синтезировано всего 5 новых элементов (Z = 102—106).

В ОИЯИ разработан новый метод синтеза Т. э., основанный на реакциях слияния ядер, причём в качестве мишеней используются плотно упакованные устойчивые ядра изотопов Pb, а в качестве бомбардирующих частиц сравнительно тяжёлые ионы Ar, Ti, Cr. Избыточная энергия ионов расходуется на «распаковку» составного ядра, и энергия возбуждения оказывается низкой (всего 10—15 Мэв). Для снятия возбуждения такой ядерной системы достаточно испарения 1—2 нейтронов. В итоге получается весьма заметный выигрыш в выходе новых Т. э. Этим методом был осуществлен синтез Т. э. с Z = 100, Z = 104 и Z = 106.

В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза Т. э. вынужденное деление ядер под действием тяжёлых ионов. Осколки деления ядер под действием тяжёлых ионов имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией (следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно, большим, чем половина суммы Z мишени и Z бомбардирующего иона). Экспериментально было установлено, что распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых частиц. Применение ускоренных ионов Xe или U позволило бы получить новые Т. э. в качестве тяжёлых осколков деления при облучении урановых мишеней. В 1971 в ОИЯИ были ускорены ионы Xe с помощью 2 циклотронов, которыми облучалась урановая мишень. Результаты показали, что новый метод пригоден для синтеза тяжёлых Т. э.

Т. э. испытывают все виды радиоактивного распада. Однако Электронный захват и β-распад — процессы относительно медленные, и их роль становится небольшой при распаде ядер с Z > 100, имеющих короткие времена жизни относительно α-распада и спонтанного деления. По мере утяжеления элемента конкуренция между спонтанным делением и (β-распадом становится всё более заметной. Нестабильность относительно спонтанного деления, очевидно, определяет границу периодической системы элементов. Если период полураспада для спонтанного деления ₉₂U ~ 10¹⁶ лет, для ₉₄Pu ~ 10¹⁰ лет, то для ₁₀₀Fm он измеряется часами, для 104-го элемента — секундами (см. Курчатовий), для 106-го элемента — несколькими мсек. О химических свойствах Т. э. (до Z = 104) и строении их электронных оболочек см. в ст. Актиноиды.

Теоретическое рассмотрение показывает, что возможно существование очень тяжёлых ядер, имеющих повышенную стабильность относительно спонтанного деления и α-распада. «Остров стабильности» должен располагаться вблизи магического ядра (См. Магические ядра), у которого число протонов 114, а число нейтронов 184. Если гипотетическая область стабильности окажется реальной, то границы периодической системы элементов существенно расширятся. Ведутся поиски экспериментальных путей для проникновения в эту область элементов. Получить 114 протонов в новом ядре сравнительно легко, а 184 нейтрона — трудно. Причём отступление от магического числа 184 даже на несколько единиц резко понижает устойчивость ядра к спонтанному делению.

Расчёты барьеров деления и времён жизни сверхтяжёлых элементов привели к выводу, что некоторые сверхтяжёлые элементы могут иметь период полураспада около 10⁸ лет и их микроколичества могли сохраниться на Земле до нашего времени. В 1968 под руководством Флёрова начаты поиски сверхтяжёлых элементов в природе. Исследуются земные минералы, продукты извержения вулканов, геотермальные воды, а также объекты, способные к аккумуляции тяжёлой компоненты космических лучей (См. Космические лучи) (железо-марганцевые конкреции со дна океанов, илы донных отложений озёр и морей, метеориты, породы лунного регалита). Изучают образцы, в которых, согласно теоретическим представлениям, могут содержаться химические элементы с Z > 108. Одновременно ведутся исследования с помощью ускорителей многозарядных ионов.

Лит.: Флёров Г. Н., Звара И., Химические элементы второй сотни. Сообщения ОИЯИ Д7-6013, [Дубна, 1971]: Флёров Г. Н., Поиск и синтез трансурановых элементов, в кн.: Peaceful uses of atomic energy, N. Y. — Vienna, v. 7, 1972, p. 471; Радиоактивные элементы Po — (Ns) — …, под ред. И. В. Петрянова-Соколова, М., 1974.

Г. Н. Флёров, В. А. Друин.