20.15. Искусственная радиоактивность

Устойчивые атомы можно превратить в радиоактивные путем бомбардировки их частицами, движущимися с высокими скоростями. В более ранних экспериментальных работах такими быстрыми частицами служили альфа-частицы, испускаемые ядрами ²¹⁴Bi (этот изотоп называли радием C). Первой ядерной реакцией, проведенной в лабораторных условиях, была реакция между альфа-частицами и азотом; эту реакцию осуществил в 1919 г. Резерфорд с сотрудниками в Кавендишской лаборатории в Кембридже. При бомбардировке азота альфа-частицами происходит следующая ядерная реакция:

$${}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \longrightarrow {}^{17}_{8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}$$

В этой реакции ядро азота реагирует с ядром гелия, обладающим значительной кинетической энергией; в результате соударения образуются два новых ядра — ядро ¹⁷O и протон.

Ядро ¹⁷O устойчиво, и поэтому рассматриваемая ядерная реакция не приводит к возникновению искусственной радиоактивности. Однако многие другие элементы, подвергающиеся аналогичным реакциям, образуют неустойчивые ядра, претерпевающие затем радиоактивный распад.

Многие ядерные реакции являются результатом взаимодействия между ядрами и нейтронами. В первых экспериментах с нейтронами пользовались смесью радона и металлического бериллия. При этом испускаемые радоном альфа-частицы реагировали с изотопом бериллия ⁹Be, давая нейтроны в соответствии со следующими реакциями:

$${}^{9}_{4}\mathrm{Be} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \longrightarrow {}^{12}_{6}\mathrm{C} + {}^{1}_{0}n$$

$${}^{9}_{4}\mathrm{Be} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \longrightarrow 3\,{}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}n$$

Источниками нейтронов являются также ядерные реакции на циклотронах и в урановых ядерных реакторах.

Первым из трансурановых элементов был получен изотоп нептуния ²³⁹Np. Этот нуклид удалось получить в 1940 г. Э. М. Макмиллану и П. Х. Абелсону бомбардировкой урана дейтронами высокой энергии

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{2}_{1}\mathrm{H} \longrightarrow {}^{239}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}$$

$${}^{239}_{92}\mathrm{U} \longrightarrow {}^{239}_{93}\mathrm{Np} + e^{-}$$

Первый изотоп плутония ²³⁸Pu был получен в результате следующих реакций:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{2}_{1}\mathrm{H} \longrightarrow {}^{238}_{93}\mathrm{Np} + 2\,{}^{1}_{0}n$$

$${}^{238}_{93}\mathrm{Np} \longrightarrow {}^{238}_{94}\mathrm{Pu} + e^{-}$$

Изотоп ²³⁸Np самопроизвольно распадается с испусканием электрона. Период полураспада этого изотопа равен 2,0 сут.

В период второй мировой войны и в последующие годы было произведено приблизительно миллион килограммов изотопа ²³⁹Pu. Этот нуклид довольно устойчив; период его полураспада составляет примерно 24 000 лет. Ядра ²³⁹Pu медленно распадаются с испусканием альфа-частиц. Получают этот изотоп реакцией между главным изотопом урана ²³⁸U и нейтронами, протекающей с образованием ²³⁹U, который затем самопроизвольно распадается с испусканием электрона и превращается в изотоп ²³⁹Np, а уже он в свою очередь, самопроизвольно испуская электроны, превращается в ²³⁹Pu

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n \longrightarrow {}^{239}_{92}\mathrm{U}$$

$${}^{239}_{92}\mathrm{U} \longrightarrow {}^{239}_{93}\mathrm{Np} + e^{-}$$

$${}^{239}_{93}\mathrm{Np} \longrightarrow {}^{239}_{94}\mathrm{Pu} + e^{-}$$

Плутоний и четыре следующих трансурановых элемента — америций, кюрий, берклий и калифорний — были открыты Г. Т. Сиборгом с сотрудниками в Калифорнийском университете в Беркли. Америций был получен в виде изотопа ²⁴¹Am следующим образом:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \longrightarrow {}^{241}_{94}\mathrm{Pu} + {}^{1}_{0}n$$

$${}^{241}_{94}\mathrm{Pu} \longrightarrow {}^{241}_{95}\mathrm{Am} + e^{-}$$

Ядра этого изотопа подвергаются медленному радиоактивному распаду с испусканием альфа-частиц. Период полураспада равен 500 годам. Кюрий получен в результате бомбардировки плутония-239 ионами гелия, ускоренными в циклотроне

$${}^{239}_{94}\mathrm{Pu} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \longrightarrow {}^{242}_{96}\mathrm{Cm} + {}^{1}_{0}n$$

Нуклид ²⁴²Cm испускает альфа-частицы; период полураспада составляет примерно 5 мес. Получены также и другие нуклиды кюрия. Один из них ²⁴⁰Cm образуется при бомбардировке ²³⁹Pu ускоренными ионами гелия

$${}^{239}_{94}\mathrm{Pu} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \longrightarrow {}^{240}_{96}\mathrm{Cm} + 3\,{}^{1}_{0}n$$

Сиборг и его сотрудники, пользуясь очень малыми количествами веществ, сумели получить значительную информацию о химических свойствах трансурановых элементов. Они установили, что в то время, как уран по свойствам подобен вольфраму, поскольку проявляет ярко выраженную тенденцию давать соединения в состоянии окисления +6, последующие трансурановые элементы не похожи на рений, осмий, иридий и платину; они проявляют все возрастающее стремление к образованию ионных соединений, в которых их состояние окисления равно +3. Такое поведение аналогично поведению редкоземельных металлов.