Строение ядра

Знание строения ядра поможет нам глубже понимать и правильно писать уравнения ядерных реакций.

Ядро — это центральная, положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса; заряд ядра определяет число и распределение электронов в электронной оболочке, порядковый номер элемента и физико-химические свойства.

Так, например, изобары ${}^{124}_{50}\mathrm{Sn}$, ${}^{124}_{52}\mathrm{Te}$, ${}^{124}_{54}\mathrm{Xe}$ имеют одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер и, следовательно, обладают различными свойствами.

Поэтому в настоящее время периодический закон Д. И. Менделеева формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Индивидуальность атома сохраняется до тех пор, пока сохраняется целость его ядра. Атом может потерять несколько электронов или может приобрести определенное количество электронов, но основная его индивидуальность при этом сохраняется. При изменении состава ядра изменяется и характер атома.

Размеры ядер атомов химических элементов несколько различаются между собой, но в среднем их радиус близок к величине 10⁻¹³ см. Радиус атомов примерно составляет 10⁻⁸ см (в 100 000 раз больше).

Масса электрона очень мала и большая часть массы атома (0,999) сосредоточена в его ядре, а так как масса является мерой энергии, то в ядре сосредоточена почти вся энергия атома. Необходимо отметить огромную плотность вещества в ядре — около 1,4 · 10¹⁴ г/см³, причем плотность ядер всех атомов примерно одинакова.

Сложность ядра впервые с очевидностью обнаружилась в явлениях естественной радиоактивности. Было установлено, что некоторые, наиболее тяжелые, элементы периодической системы с порядковым номером 84 и более самопроизвольно разлагаются, непрерывно выделяя какое-то излучение. Опыты показали, что под воздействием магнитного или электрического поля в этом излучении можно обнаружить 3 части:

1) альфа-лучи — поток тяжелых α-частиц, которые представляют собой ядра гелия с зарядом +2 и массовым числом 4, летящие со скоростью около 20 000 км/сек;

2) бета-лучи — электроны ($\bar{e}$ или $\bar{\beta}$), легкие, отрицательно заряженные частицы, летящие со скоростью около 270 000 км/сек;

3) гамма-лучи (γ) — обычные электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у рентгеновских лучей.

Искусственная радиоактивность (открытая И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри в 1934 г.) вполне аналогична естественной, но наводится благодаря облучению того или иного элемента. При искусственной радиоактивности очень часто вместо электрона вылетает позитрон.

В 1932 г. советские ученые Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон предложили протонно-нейтронную теорию строения ядра, которая получила всеобщее признание. Согласно этой теории, все ядра состоят из протонов и нейтронов (см. приложение 7). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе (Z); общая сумма протонов и нейтронов в ядре (общее число нуклонов) равно массовому числу (A) каждого изотопа данного элемента; число нейтронов (N) в ядре равно разности массового числа и числа протонов: N (число нейтронов) = A (массовое число) − Z (число протонов).

Ядра принято обозначать так: слева от символа элемента внизу пишут порядковый номер элемента, т. е. заряд ядра, а вверху массовое число атома, например:

$${}^{16}_{8}\mathrm{O},\quad {}^{23}_{11}\mathrm{Na},\quad {}^{238}_{92}\mathrm{U}$$

Соотношение между числом нейтронов и числом протонов $\left(\dfrac{N}{Z}\right)$ несколько изменяется с изменением величины Z в сторону увеличения числа нейтронов, колеблясь около 1 для первых 20 более легких элементов периодической системы (за исключением более легкого изотопа водорода, у которого имеется только 1 протон и нет нейтронов), а затем с 21 элемента постепенно увеличиваясь и доходя до 1,6 у тяжелого элемента урана, у которого 92 протона и 146 нейтронов.

Однако по мере увеличения числа протонов в ядре и нарастания сил отталкивания между ними, начиная с 84-го элемента, ядра атомов становятся неустойчивыми (радиоактивными).

Для устойчивости ядра необходимо, чтобы отношение числа нейтронов к числу протонов в каждом конкретном случае находилось в определенных пределах. Если эти пределы нарушаются так, что протонов становится больше, чем полагается, то ядро становится радиоактивным и перестраивается, выбрасывая положительно заряженные частицы (позитроны или α-частицы). Точно так же, если в ядре слишком много нейтронов, то ядро становится неустойчивым и перестраивается, выбрасывая электроны. Очевидно, выбрасывание электрона происходит в момент превращения в ядре нейтрона в протон, а выбрасывание позитрона — за счет превращения протона в нейтрон.

В настоящее время считают, что протон и нейтрон — это два различных состояния одной и той же частицы, и взаимопревращение их происходит по следующим схемам:

нейтрон ⇄ протон + электрон + антинейтрино

$$n \rightleftarrows p + \bar{e}\,(\bar{\beta}) + \bar{\nu}$$

протон ⇄ нейтрон + позитрон + нейтрино

$$p \rightleftarrows n + e^{+}\,(\beta^{+}) + \nu$$

Следовательно, выбрасывание электронов радиоактивными элементами можно объяснить тем, что один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон, электрон и антинейтрино, при этом две последние частицы вылетают наружу, а заряд ядра увеличивается на единицу.

В действительности, процессы по вышеуказанным схемам протекают более сложно.

Ядра атомов обладают очень большой прочностью.

Ядра любого атома состоят из определенного числа протонов и нейтронов. Если подсчитать массу протонов и нейтронов в ядре и сравнить ее с фактической (экспериментально определяемой) массой ядра, то получается некоторая разница в массе — «дефект массы» Δm:

$$\Delta m = ZM_p + (A - Z)\,M_n - M_{\text{ядра}},$$

где Z — число протонов; M_p — масса протона; (A − Z) — число нейтронов; M_n — масса нейтрона; M_ядра — масса ядра.

Произведем расчет для ядра гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Масса двух протонов 1,00757 · 2 = 2,01514; масса двух нейтронов 1,00893 · 2 = 2,01786. Отсюда дефект массы Δm = 2,01514 + 2,01786 − 4,00260 = 0,03040. Эту убыль (уменьшение) массы при соединении свободных частиц в целостную связанную систему и называют дефектом массы.

Закон взаимосвязи массы и энергии выражается, как известно, формулой E = mc², где E — энергия в эрг, m — масса в г, c — скорость света (3 · 10¹⁰ см/сек). Отсюда, подставив в приведенную формулу 0,03040 г массы, получим 2,7 · 10¹⁹ эрг или 6,46 · 10⁸ ккал.

Следовательно, дефект массы, происходящий при образовании 4 г атомных ядер гелия, должен сопровождаться выделением огромного количества энергии.

Энергия, которая выделилась при образовании ядра, называется энергией связи данного ядра (E_св). Если эту энергию связи отнести к 1 нуклону $\left(\dfrac{E_{\text{св}}}{A}\right)$, то получится так называемая удельная (средняя) энергия связи, которая показывает прочность связи нуклонов в данном ядре. Эту энергию нужно затратить, чтобы вырвать нуклон из ядра.

На сложную структуру ядра указывает факт существования изомерии искусственных радиоактивных ядер, открытый советским физиком И. В. Курчатовым.

Изомерия ядер выражается в том, что некоторые ядра, имеющие один и тот же заряд и одну и ту же массу, имеют в то же время разную продолжительность жизни.

Например, искусственный изотоп ⁸⁰Br существует в двух изомерных формах: одна, обладающая бета-радиоактивностью, имеет период полураспада 18 мин; другая, испускающая γ-лучи, имеет период полураспада 4,5 ч; при этом вторая форма за счет γ-излучения переходит в первую.

Одна из структурных моделей ядра, предложенная Я. И. Френкелем и Н. Бором, называемая капельной моделью, основывается на аналогии ядерного вещества с каплей очень плотной жидкости. Эта аналогия оказалась довольно полезной и хорошо объясняет целый ряд особенностей ядер (в частности, деления атомных ядер), но все-таки еще многих свойств ядра она объяснить не может.

Существует и другая модель ядра, так называемая оболочечная модель ядра. Согласно этой модели, протоны и нейтроны последовательно, независимо друг от друга, заполняют наиболее низкие энергетические уровни ядерных оболочек, подобно тому, как электроны в атоме заполняют электронные оболочки. Ядра с заполненными протонными и нейтронными оболочками обладают наиболее устойчивой структурой.

Особенно высокой стабильностью отличаются ядра с числом нуклонов 2, 8, 20, 82 и 126.

Указанные числа получили название «магических». Если в ядре количество нуклонов равно одному из этих чисел, то в нем оболочки заполнены и оно исключительно прочно. Ядра с магическим числом нуклонов широко распространены во Вселенной.

Оболочечная модель ядра лучше объясняет свойства ядра в нормальном (невозбужденном) состоянии; капельная модель лучше объясняет свойства ядер в возбужденном состоянии.

Предложена обобщенная (коллективная) модель ядра. Она учитывает не только индивидуальные для отдельных нуклонов, но и коллективные для всего ядра движения частиц и их совокупности. Движение и изменение состояния отдельных нуклонов передается всем ядерным частицам, что приводит к колебаниям поверхности ядра и вызывает его деформацию. Последняя приводит к резкому изменению свойств ядра и нарушению количественных характеристик, отражающих состояние ядерной симметрии.

Эта модель позволила объяснить такие особенности деления тяжелых ядер, которые были непонятны с точки зрения капельной модели ядра.

В состав ядра входят, как мы знаем, положительно заряженные протоны, которые должны были бы отталкиваться между собою, а между тем ядра являются образованиями очень прочными. Какие же силы придают такую большую прочность ядру?

Ясно, что, кроме электростатических сил отталкивания, в ядре должны существовать еще и какие-то большие силы притяжения. Природа этих сил еще не изучена с достаточной полнотой, и мы называем их ядерными силами. Однако совершенно ясно, что это не силы тяготения (эти силы слишком слабы) и не силы электрические.

Особенностью ядерных сил является то, что они имеют очень большую величину — в сотни тысяч раз больше сил, удерживающих атомы в молекуле. В то же время они имеют очень малый радиус действия. Если химические силы действуют на расстоянии 10⁻⁸ см, то ядерные силы могут действовать только на расстоянии 2 · 10⁻¹³ см, вследствие чего нуклон хорошо взаимодействует только со своими ближайшими соседями.

Ядерные силы действуют примерно одинаково для любой пары нуклонов.

Как же осуществляется взаимодействие нуклонов в ядре?

В настоящее время существует мезонная теория ядерных сил. По этой теории ядерные силы относятся к типу обменных сил и в этом отношении несколько напоминают химические силы и, в частности, ковалентную связь.

Ковалентная связь, как известно, осуществляется тем, что пара электронов является общей для двух атомов и что атомы связываются между собою путем как бы взаимного «обмена» своими электронами, попеременно принадлежащим то одному, то другому атому.

Мы уже указывали, что в ядре протон и нейтрон характеризуются своей взаимопревращаемостью. Нейтрон, испуская электрон и антинейтрино, превращается в протон. Естественно было предположить, что в результате такой взаимопревращаемости нуклонов осуществляются ядерные силы между нуклонами: нейтрон испускает электрон и антинейтрино и превращается в протон, и далее все начинается сначала. Таким образом, находящиеся все время в процессе передачи электрон и антинейтрино связывают, как бы склеивают между собою протоны и нейтроны.

Однако расчеты показали, что ядерные силы, возникающие при таком обмене, слишком слабы по сравнению с опытными данными. Поэтому в 1936 г. японский физик Юкава предположил, что в обмене между нуклонами должны участвовать какие-то особые частицы (в то время еще неизвестные) и вычислил массу этих частиц.

Позднее, в 1947 г., такие частицы были открыты в космических лучах и были названы пи-мезонами.

Пи-мезоны крайне неустойчивы (время их существования около одной стомиллионной доли секунды) и могут распадаться в конечном итоге на электрон (или позитрон) и нейтрино.

В непрерывном обмене пи-мезонами, колеблющимися между нуклонами ядра, и заключается сущность внутриядерных сил.

Схемы взаимного перехода элементарных частиц можно представить так:

$$\begin{array}{l|l} \text{а)}\ \pi^{-} \to \mu^{-} + \tilde{\nu} & \text{а)}\ \pi^{+} \to \mu^{+} + \nu \\ \text{б)}\ \mu^{-} \to e^{-} + \nu + \tilde{\nu} & \text{б)}\ \mu^{+} \to e^{+} + \nu + \tilde{\nu} \\ \text{в)}\ p + e^{-} + \tilde{\nu} \to n & \text{в)}\ n + e^{+} + \nu \to p \end{array}$$

При химических реакциях взаимодействуют между собою атомы и молекулы, но ядра атомов остаются без изменения.

Реакции, при которых происходят превращения атомных ядер, обусловленные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом, называются ядерными.

Первые естественные ядерные реакции наблюдались в явлениях естественной радиоактивности. В этих случаях при самопроизвольном испускании α-частицы ядро уменьшает свою массу на 4 единицы и теряет два положительных заряда, т. е. превращается в новый элемент с порядковым номером на две единицы меньше.

При испускании β⁻-лучей (электронов) ядро не изменяет своей массы, но превращается в новый элемент с порядковым номером на единицу больше (правило сдвига).

Первой искусственной ядерной реакцией была реакция превращения азота в кислород, проведенная Резерфордом в 1919 г.

Как же осуществляются ядерные реакции?

Они происходят при столкновении быстрых частиц (с большой энергией) с ядром и сопровождаются их изменением (при этом часто происходит испускание фотонов). Протекание ядерной реакции складывается из двух фаз. На первой фазе происходит захват частицы (вместе с ее энергией) и ядро переходит в возбужденное состояние с нарушением нормального отношения его составных частей и с избытком внутренней энергии.

Возбужденное состояние длится около 10⁻¹³ и более секунд. За ним следует вторая фаза — стабилизация ядра, т. е. освобождение от избыточной энергии и переход в более устойчивое состояние. Это может произойти двумя путями: или испусканием энергии в виде фотонов (γ-излучение), или выбрасыванием соответствующей частицы.

В настоящее время существует много различных методов, с помощью которых можно зарегистрировать отдельные частицы и даже иметь сведения о массе, заряде и энергии этих частиц. Так, например, счетчики Гейгера разных типов применяются для счета α- и β⁻-частиц и γ-лучей.

Для наблюдения ядерных частиц широко применяется также камера Вильсона и толстослойные фотоэмульсии.

Большую помощь в анализе результатов ядерных реакций нередко оказывает радиохимия (химия радиоактивных изотопов), позволяющая определить, ядра каких именно элементов возникают в результате ядерных превращений.

С первых шагов исследований ядерных реакций было очевидно, что сущность их состоит в изменении состава и строения атомных ядер под воздействием бомбардировки ядерными частицами.

Изучены основные закономерности ядерных реакций в зависимости от энергии и природы бомбардирующих частиц и порядковых номеров ядер-мишеней.

Как и при обычных химических реакциях, при ядерных реакциях происходит либо выделение энергии и массы, либо их поглощение.

Ядерные реакции, в которых сумма масс полученных продуктов меньше суммы масс исходных ядер, а кинетическая энергия продуктов больше кинетической энергии исходных, называются экзотермическими, т. е. идущими с выделением тепла (энергии).

Так, например, ядерная реакция α-частицы с бериллием

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

сопровождается выделением энергии в 5,6 Мэв.

Кинетическая энергия ядра углерода и нейтрона на 5,6 Мэв больше кинетической энергии ядра бериллия и α-частицы. В данном случае происходит освобождение скрытой ядерной энергии — переход ее в кинетическую.

Ядерные реакции, в которых массы полученных продуктов больше масс исходных ядер, а кинетическая энергия меньше, называются эндотермическими, т. е. протекающими с поглощением тепла (энергии).

Реакция α-частицы с азотом с образованием протона и кислорода является эндотермической.

Сумма энергий ядра кислорода и протона меньше кинетической энергии исходных ядер на величину 1,2 Мэв. В данной реакции происходит превращение кинетической энергии в ядерную.

* См. В. И. Гольданский. Ядерные реакции и методы их осуществления. Изд-во «Знание», М., 1955.

Основными характеристиками ядра являются две величины: его заряд и его массовое число. Поэтому ядро и изображается обычно химическим символом с этими характеристиками, например:

${}^{4}_{2}\mathrm{He}$, ${}^{23}_{11}\mathrm{Na}$, ${}^{27}_{13}\mathrm{Al}$ и т. д.

Точно так же изображаются и отдельные частицы, например:

${}^{1}_{1}p$ (протон), ${}^{1}_{0}n$ (нейтрон), ${}^{2}_{1}d$ (дейтрон) и другие.

Индексы вверху означают массовые числа ядер, равные сумме чисел протонов и нейтронов, а индексы внизу — атомные номера ядер (числа протонов в ядре), равные порядковому номеру элементов.

Как же химически записать уравнение ядерной реакции?

В левой части уравнения пишут исходные вещества, а в правой — конечные продукты. Между правой и левой частями уравнения ставят стрелку.

Тепловые эффекты ядерных реакций в миллионы раз превышают тепловые эффекты химических реакций и достигают десятков и даже сотен миллионов электронвольт (1 эв = 1,60207 · 10⁻¹⁹ дж).

При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер, и, следовательно, происходит превращение одних атомов в другие, поэтому применяемая при химических реакциях система проверки правильности написанного уравнения реакции по количеству атомов каждого элемента здесь уже непригодна и должна быть заменена другим приемом.

Уравнение ядерной реакции является правильным, если в правой и левой его половинах соблюдается равенство, общего массового числа и равенство общего числа зарядов. Это правило почти полностью совпадает с правилом проверки правильности ионного уравнения. Например, уравнение:

5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ = 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O

написано правильно, ибо в нем слева и справа числа атомов каждого элемента и числа зарядов равны.

Уравнение

Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ = Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O

написано неправильно, ибо в нем равны числа атомов каждого элемента, но нет равенства зарядов.

Напишем несколько уравнений ядерных реакций и прежде всего уравнение реакции Резерфорда. Он бомбардировал азот α-частицами (т. е. ядрами гелия); при этом получались протоны и ядра какого-то другого вещества.

Течение этой реакции выразится следующим уравнением:

$${}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{1}_{1}p + {}^{17}_{8}\mathrm{X}$$

Но ядро с зарядом 8 есть ядро кислорода. В окончательном виде уравнение реакции запишется так:

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

Уравнение написано правильно, так как сумма массовых чисел в левой половине (14 + 4) равна сумме массовых чисел в правой половине (17 + 1) и сумма зарядов в левой половине (7 + 2) равна сумме зарядов в правой половине (8 + 1).

Рассмотрим еще несколько примеров ядерных реакций:

1. При действии α-частицы на бериллий выделяются нейтроны. Уравнение этой реакции запишется так:

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

(реакция открытия нейтрона).

2. При действии α-частицы на серу выделяется дейтрон (ядро дейтерия). Уравнение реакции надо записать так:

$${}^{32}_{16}\mathrm{S} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{2}_{1}d + {}^{34}_{17}\mathrm{Cl}$$

3. При действии дейтронов на серу выделяются α-частицы. Уравнение реакции:

$${}^{32}_{16}\mathrm{S} + {}^{2}_{1}d \to {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{30}_{15}\mathrm{P}$$

Для написания уравнения ядерной реакции пользуются периодической системой Д. И. Менделеева, чтобы по порядковому номеру определить название элемента (и наоборот, по названию элемента найти порядковый номер).

Чтобы написать уравнение ядерной реакции, мы должны знать, кроме исходных веществ, хотя бы один конечный продукт из двух.

Уравнение ядерной реакции часто пишут сокращенно, причем сперва пишется взятое для реакции ядро, затем рядом в скобках вначале действующая частица, а затем выделяющаяся частица и, наконец, после скобки, получающееся ядро. В сокращенной записи индексы внизу не пишут, так как заряды ядер заданы химическими символами.

Приведем примеры полных уравнений ядерных реакций и в сокращенной записи.

Для осуществления химической реакции необходимо сближение атомов или молекул до расстояния порядка размеров атомов (∼ 10⁻⁸ см), при котором может произойти взаимодействие их электронных оболочек. Электростатические силы, связывающие атомы в различных химических соединениях, в миллионы раз меньше ядерных сил. Во столько же раз энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, больше энергии химических реакций.

Чтобы вызвать ядерную реакцию, необходимо сообщить ядрам такую энергию, при которой они смогут преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться друг с другом на расстояния порядка 10⁻¹²—10⁻¹³ см, при которых происходит взаимодействие, обусловленное ядерными силами, действующими между нуклонами.

Ниже приводим типы некоторых ядерных реакций (табл. 26).

Огромное количество энергии (называемой ядерной или атомной) находится в ядре в скрытом состоянии. Практическое использование ядерных реакций для освобождения ядерной энергии очень долго оставалось невыгодным из-за малой вероятности удачных попаданий. Однако в 1939 г. наступил новый этап в развитии ядерной физики в связи с открытием деления ядер урана под действием нейтронов.

Ядро урана захватывает нейтрон и распадается на два больших осколка. Происходит, таким образом, совершенно новый вид ядерных превращений — так называемое деление ядер урана.

Очень быстро была установлена химическая природа этих осколков — они оказались радиоактивными изотопами элементов середины периодической системы. Величина этих осколков может быть различной, но сумма их зарядов должна быть равна 92 (заряду ядра урана). Как правило, обычно происходит асимметричное деление ядра, т. е. один осколок несколько тяжелее другого. Чаще всего встречаются такие комбинации осколков: барий + криптон; цезий + рубидий; лантан + бром и др.

Деление ядра урана на два массивных осколка сопровождается выделением большого количества энергии. При полном делении 1 кг урана-235 выделяется около 1,8 · 10¹⁰ ккал или 20 миллионов киловатт-часов, что равно энергии, выделяющейся при взрыве 20000 т тротила.

Особенностью этой реакции, как показал Жолио-Кюри, является то, что из ядра одновременно вылетает 2—3 нейтрона:

$${}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n \to \text{I осколок} + \text{II осколок} + (2-3)\,{}^{1}_{0}n$$

или

$${}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n = {}^{A^{\mathrm{I}}}_{Z^{\mathrm{I}}}\mathrm{X} + {}^{A^{\mathrm{II}}}_{Z^{\mathrm{II}}}\mathrm{Y} + 3\,[{}^{1}_{0}n] + E,$$

где Z^I + Z^II = 92, A^I + A^II + 3 = 236. Z^I и Z^II могут меняться от 30 до 65, A^I и A^II — от 72 до 162.

Вылетевшие нейтроны в свою очередь способны вызвать деление новых ядер урана, начав цепную реакцию.

Таблица 26. Типы некоторых ядерных реакций *

Цепная реакция, раз начавшись, может продолжаться самопроизвольно лавинообразно и с нарастающей скоростью.

Для того чтобы цепная реакция могла иметь место, необходимо, чтобы уран был очищен от примесей и его было бы достаточное количество. Наименьшее количество урана, при котором возможна цепная ядерная реакция, называется критической массой. Если количество урана меньше критической массы, то цепной процесс деления ядер может прекратиться; при слишком большой массе урана цепная реакция, если ее не регулировать, может, постепенно ускоряясь, принять характер взрыва.

Кроме урана-235, совершенно аналогичное деление ядер способны также давать плутоний-239 и уран-233. Сырьем для плутония служит уран-238 по реакциям:

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

$${}^{239}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow[\text{23,5 \textit{мин}}]{\beta^{-}} {}^{239}_{93}\mathrm{Np}$$

$${}^{239}_{93}\mathrm{Np} \xrightarrow[\text{2,3 дня}]{\beta^{-}} {}^{239}_{94}\mathrm{Pu}$$

Сырьем для урана-233 служит торий:

$${}^{232}_{90}\mathrm{Th} + {}^{1}_{0}n \to {}^{233}_{90}\mathrm{Th} + \gamma$$

$${}^{233}_{90}\mathrm{Th} \xrightarrow[\text{23,5 \textit{мин}}]{\beta^{-}} {}^{233}_{91}\mathrm{Pa}$$

$${}^{233}_{91}\mathrm{Pa} \xrightarrow[\text{27,4 дня}]{\beta^{-}} {}^{233}_{92}\mathrm{U}$$

В настоящее время ядерная энергия уже входит в практический обиход.

27 июня 1954 г. в СССР была пущена первая в мире электростанция в 5000 квт, работающая на ядерной энергии, и эту дату надо считать датой рождения новой области энергетики — ядерной энергетики.

Реактор для получения энергии (урановый котел) загружается ураном, обогащенным до 5% ураном-235. Расход горючего — 30 г урана в сутки.

В конце 1957 г. был спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин», предназначенный для плавания в районах Арктики.

К известным уже до настоящего времени видам энергии: механической, тепловой, химической, электрической и другим прибавился новый вид энергии — ядерная энергия.

Ядерная энергия обладает большой концентрированностью. При пробеге автомобиля «Победа» в 100 000 км двигатель его расходует 10—11 т бензина, а атомный двигатель той же мощности и при том же пробеге израсходует всего лишь 6 г урана.

Второй важной особенностью ядерной энергии является радиоактивность: распадающиеся атомы благодаря своей радиоактивности с помощью соответствующих приборов легко могут быть обнаружены, поэтому их называют «мечеными атомами». Меченые атомы очень широко применяются в качестве радиоактивных индикаторов, для самых разнообразных целей в научных исследованиях, в промышленности, в сельском хозяйстве, химии, медицине, биологии и других областях.

В последнее время внимание физиков и энергетиков сосредоточено на разработке термоядерных реакций, происходящих при сверхвысоких температурах порядка десятков миллионов градусов и выше.

К таким реакциям относятся:

$${}^{2}_{1}\mathrm{H}\ (\text{дейтерий}) + {}^{3}_{1}\mathrm{H}\ (\text{тритий}) \to {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}n + 17{,}6\ \textit{Мэв}$$

$${}^{6}_{3}\mathrm{Li} + {}^{2}_{1}\mathrm{H} \to 2\,{}^{4}_{2}\mathrm{He} + 22{,}4\ \textit{Мэв}$$

Источником энергии солнца и других звезд являются термоядерные реакции.

Из них основное значение имеет синтез гелия из водорода по суммарной схеме:

$$4p = \alpha + 2e^{-} + 565\ \text{млн.}\ \textit{ккал},$$

причем данная реакция протекает через целый ряд промежуточных стадий. В недрах солнца температура достигает миллионов градусов, а давление — десятков и сотен миллионов атмосфер. Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. На долю всех остальных элементов (углерод, азот и др.) приходится 10%.

Термоядерные реакции дают на грамм используемого горючего в четыре с лишним раза больше энергии, чем деление ядер урана или плутония. Эти процессы пока реализованы лишь в форме так называемой водородной бомбы. Необходимая для такого процесса сверхвысокая температура (в десятки миллионов градусов) достигается при взрыве атомной бомбы ²³⁵U или ²³⁹Pu), которая детонирует термоядерное «горючее» (обычно смеси изотопов водорода).

Характерная особенность ядерной реакции в том, что, начавшись при очень высокой температуре, она дальше протекает самопроизвольно.

Ввиду того, что тритий очень дорог, главная задача состоит в создании такого управляемого термоядерного реактора, который работал бы на чистом дейтерии. А запасов дейтерия как топлива хватит на сотни миллионов лет, и производство его из обычной воды совсем недорого. Таким образом, после овладения термоядерными реакциями энергетические ресурсы человечества станут практически безграничными.

* П. П. Коржев. Справочник по химии. Учпедгиз, 1958.

В настоящее время известно четырнадцать элементов, синтезированных учеными. Из них десять расположены за ураном — так называемые заурановые или трансурановые — и четыре долгое время были «белыми пятнами» в периодической системе Д. И. Менделеева: 43 — технеций Tc, 61 — прометий Pm, 85 — астат At и 87 — франций Fr.

Нептуний (элемент 93). Нептуний был впервые выделен искусственным путем в 1940 г. (Макмилланом и Абельсоном) в результате β⁻-распада ядер ²³⁹U, возникающих при облучении медленными нейтронами изотопа ²³⁸U.

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

Образовавшийся изотоп урана ²³⁹U радиоактивен с периодом полураспада 23 минуты (T = 23 мин).

Испуская β⁻-частицы, ²³⁹U превращается в новый элемент с порядковым номером 93:

$${}^{239}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow{\beta^-} {}^{239}_{93}\mathrm{Np}$$

Выделенный таким путем элемент был назван нептунием по имени планеты Нептун, находящейся в солнечной системе за ураном.

Несколько позднее нептуний был получен на циклотроне при бомбардировке урана дейтронами:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{2}_{1}\mathrm{H} \to {}^{1}_{0}n + {}^{239}_{93}\mathrm{Np}$$

Изотоп ²³⁹Np радиоактивен, с периодом полураспада 2—3 дня. Самый устойчивый изотоп нептуния ²³⁷Np с периодом полураспада 2,2 млн. лет получается в ядерных реакторах в результате следующей реакции:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n \to 2{}^{1}_{0}n + {}^{237}_{92}\mathrm{U}$$

Образовавшийся изотоп ²³⁷U β⁻-радиоактивен:

$${}^{237}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow{\beta^-} {}^{237}_{93}\mathrm{Np}$$

На основании исследования химических свойств нептуния установлено, что он может иметь валентность 2, 3, 4, 5 и 6, причем наиболее устойчивы его четырех- и шестивалентные состояния, а двухвалентное в растворах не существует.

Окислительно-восстановительные реакции, приводящие к образованию различной степени окисления нептуния, приведены в табл. 27.

Его четырехвалентное состояние более устойчиво, чем соответствующее состояние урана, а шестивалентное более устойчиво, чем у плутония. Этим пользуются при отделении образующегося в ядерных реакторах нептуния от урана и плутония.

Шестивалентный нептуний в кислой среде образует ион нептунил NpO₂²⁺, аналогично тому, как для урана известен уранил UO₂²⁺, а для плутония — плутонил PuO₂²⁺. При действии сернистой кислоты (как восстановителя) на смесь этих трех ионов получаются нептунит и плутонит с четырехвалентными Np и Pu; а уран остается шестивалентным. Последний может быть осажден ацетатом натрия в виде NaUO₂(CH₃COO)₃. Четырехвалентный нептуний, оставшийся в растворе, можно окислить броматом калия KBrO₃ до шестивалентного, плутоний при этом остается четырехвалентным. Наконец, действием ацетата натрия можно получить NaNpO₂(CH₃COO)₃, т. е. натрийнептунилацетат. Имеются и другие способы отделения Np от Pu.

Таблица 27. Окислительно-восстановительные реакции нептуния

Из четырехвалентных соединений нептуния наиболее изучена двуокись нептуния NpO₂ и гидроокись нептуния Np(OH)₄ · nH₂O. Двуокись нептуния представляет собой коричневый кристаллический порошок, образующийся при прокаливании гидроокиси или солей. Двуокись нептуния растворяется в концентрированной серной кислоте в присутствии бромата калия.

Гидроокись нептуния — студенистая зеленовато-серая масса, получается при действии на четырехвалентные соли нептуния аммиаком.

Гидроокись нептуния легко растворяется в кислотах.

Нептуний с фтором образует соединения NpF₆, NpF₅, NpF₄ и NpF₃. С хлором, бромом и иодом образует соединения NpCl₃, NpCl₄, NpBr₃, NpBr₄ и NpI₃.

Металлический нептуний получается восстановлением NpF₃ парами бария при 1200° C. Полученный таким путем металлический нептуний представляет собой серебристый металл, мало окисляемый на воздухе, плотность которого 19,5 г/см³, температура плавления 640° C.

Плутоний (элемент 94). Плутоний впервые получен (Сиборгом с сотр.) в 1941 г. и назван плутонием Pu по имени планеты Плутон, следующей в солнечной системе за Нептуном. Получается он при бомбардировке ускоренными на циклотроне дейтронами ядер урана:

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

Будучи β⁻-радиоактивен, ²³⁸Np распадается

$${}^{238}_{93}\mathrm{Np} \xrightarrow[2{,}1\ \text{дня}]{\beta^-} {}^{238}_{94}\mathrm{Pu}$$

Изотоп ²³⁸Pu испускает α-частицы с периодом полураспада около 90 лет. Более подробно изучен другой α-активный изотоп ²³⁹Pu с периодом полураспада 24 000 лет. Этот изотоп в настоящее время, наряду с изотопом урана-235, является основным материалом при производстве атомных бомб.

Изотоп ²³⁹Pu получается в урановом котле в результате захвата ядрами ²³⁸U медленных нейтронов и последующего β⁻-распада

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n \to \gamma + {}^{239}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow[2{,}3\ \textit{мин}]{\beta^-} {}^{239}_{93}\mathrm{Np} \xrightarrow[2{,}33\ \text{дня}]{\beta^-} {}^{239}_{94}\mathrm{Pu}$$

Изотоп ²³⁹Pu найден также в виде ничтожных примесей в некоторых урановых рудах. Химические свойства плутония изучены не хуже, чем свойства некоторых «старых» элементов. Плутоний, как U и Np, обладает переменной валентностью — (2), 3, 4, 5, 6.

Наиболее устойчив четырехвалентный плутоний, а двухвалентный в растворах (так же, как и Np) отсутствует. Разделение U, Np и Pu основывается на осаждении четырехвалентных нептуния и плутония плавиковой кислотой HF в виде солей NpF₄ и PuF₄. Что касается шестивалентного урана, то он остается в растворе. Затем осадок растворяется нагреванием с концентрированной H₂SO₄ и после окисления Np до шестивалентного действием HF осаждается плутоний, нептуний же остается в растворе.

Трехвалентные соединения плутония похожи по свойствам на соединения редкоземельных элементов.

Соединения плутония, где он пятивалентен, малоустойчивы.

Соединения шестивалентного плутония бывают двух типов: плутониты — (NH₄)₂PuO₄, BaPuO₄ и др. и плутонилы — PuO₂(NO₃)₂, PuO₂SO₄ и др., в которых плутонил ион PuO₂²⁺ играет роль двухвалентного катиона.

Восстановители: H₂SO₃, NH₂OH · HCl, K₄[Fe(CN)₆] и др. — переводят в водных растворах четырехвалентный плутоний в трехвалентный. В кислой среде соединения плутония различной валентности подвергаются реакциям самовосстановления — самоокисления.

В концентрированной соляной кислоте $\overset{+4}{\mathrm{Pu}}$, подвергаясь самоокислению-самовосстановлению (или диспропорционированию), превращается в $\overset{+6}{\mathrm{Pu}}$ и $\overset{+3}{\mathrm{Pu}}$:

$$\overset{+4}{\mathrm{Pu}} + 2\overset{+4}{\mathrm{Pu}} \rightleftarrows \overset{+6}{\mathrm{Pu}} + 2\overset{+3}{\mathrm{Pu}}$$

причем реакция сдвинута слева направо тем сильнее, чем выше температура и меньше концентрация соляной кислоты.

В разбавленных растворах увеличивается концентрация пятивалентного плутония и одновременно протекают реакции:

$$\overset{+5}{\mathrm{Pu}} + \overset{+4}{\mathrm{Pu}} \rightleftarrows \overset{+6}{\mathrm{Pu}} + \overset{+3}{\mathrm{Pu}}$$

$$\overset{+5}{\mathrm{Pu}} + \overset{+5}{\mathrm{Pu}} \rightleftarrows \overset{+6}{\mathrm{Pu}} + \overset{+4}{\mathrm{Pu}}$$

Изучение вышеприведенных реакций облегчается тем, что ионы плутония различной валентности имеют разную окраску раствора: трехвалентный — синий, четырехвалентный — бледно-розовый (за исключением Pu(NO₃)₄ — зеленый), пятивалентный — бесцветный, шестивалентный — оранжевый или розовый.

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие между различными степенями окисления плутония, приведены в табл. 28.

Таблица 28. Окислительно-восстановительные реакции плутония

Плутоний, находясь в состоянии высшей валентности, весьма склонен к образованию комплексных соединений. Металлический плутоний был получен восстановлением PuF₄ парами бария при температуре 1200° C:

2Ba + PuF₄ → Pu + 2BaF₂

По внешнему виду и плотности он похож на уран.

Америций (элемент 95). Америций был получен (Сиборгом, Джемсом и Морганом) в 1944—1945 гг. из β⁻-радиоактивного ²⁴¹Pu.

Изотоп ²⁴¹Pu получался при бомбардировке урана α-частицами с энергией 40—44 Мэв по следующей ядерной реакции:

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

Образующийся изотоп ²⁴¹Pu радиоактивен, с периодом полураспада около 10 лет и в результате радиоактивного распада превращается в америций:

$${}^{241}_{94}\mathrm{Pu} \xrightarrow{\beta^-} {}^{241}_{95}\mathrm{Am}$$

В наибольших количествах изотоп ²⁴¹Am может быть получен при облучении плутония на ядерных реакторах:

$${}^{239}\mathrm{Pu} + {}^{1}_{0}n \to {}^{240}\mathrm{Pu} + \gamma$$

$${}^{240}\mathrm{Pu} + {}^{1}_{0}n \to {}^{241}\mathrm{Pu} + \gamma$$

$${}^{241}\mathrm{Pu} \xrightarrow{\beta^-} {}^{241}\mathrm{Am}$$

Наиболее устойчивым является америций в трехвалентном состоянии, в котором он схож с лантаноидами, почему последние и применяются как инертные носители при получении америция.

Кроме трехвалентного состояния америций проявляет также валентность 2, 4, 5, 6. Причем его соединения высших валентностей весьма неустойчивы.

Окислительно-восстановительные реакции америция, протекающие под действием различных окислителей и восстановителей, представлены в табл. 29.

Таблица 29. Окислительно-восстановительные реакции америция

Америций в металлическом виде удалось получить действием паров бария на AmF₃ при 1150—1350° C. Плотность америция равна 11,7 г/см³.

Кюрий (элемент 96). Кюрий был получен (Сиборгом с сотр.) почти одновременно с америцием. При бомбардировке α-частицами изотопа ²³⁹Pu получается кюрий по реакции:

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

Полученный таким образом элемент был назван кюрием в честь знаменитых ученых Марии и Пьера Кюри.

Изотоп кюрия ²⁴²Cm в относительно больших количествах получается при действии на америций тепловыми нейтронами в ядерных реакторах:

$${}^{241}_{95}\mathrm{Am} + {}^{1}_{0}n \to {}^{242}_{95}\mathrm{Am} + \gamma$$

$${}^{242}_{95}\mathrm{Am} \xrightarrow{\beta^-} {}^{242}_{96}\mathrm{Cm}$$

Известны изотопы Cm с массовым числом 238—250. Наиболее устойчив изотоп ²⁴⁷Cm(T_1/2 > 4 · 10⁷ лет).

Все изотопы могут быть получены длительным облучением урана или плутония тепловыми нейтронами в ядерных реакторах.

²⁴²Cm имеет период полураспада 162 дня. Но, продолжая облучение тепловыми нейтронами изотопа ²⁴²Cm можно получить ряд изотопов: ²⁴²Cm (n, γ), ²⁴³Cm (n, γ), ²⁴⁴Cm (n, γ) и ²⁴⁵Cm (n, γ).

Из этих тяжелых изотопов последний является самым устойчивым изотопом кюрия с периодом полураспада более 500 лет. Аналогично гадолинию (в группе редкоземельных элементов) кюрий характеризуется довольно устойчивым единственным трехвалентным состоянием. Разделение кюрия, плутония и америция производится осаждением CmF₃ с носителем LaF₃ в присутствии сильного окислителя, переводящего плутоний в шестивалентный. Можно также отделить кюрий от америция путем перевода последнего в шестивалентное состояние каким-либо сильным окислителем. При этом кюрий остается по-прежнему трехвалентным. Ввиду сильного α-излучения кюрия, которое разлагает воду с выделением H₂, O₂ и H₂O₂, изучение свойств кюрия затруднительно. Кюрий в металлическом виде получается действием паров бария при 1275° C на фторид кюрия CmF₃. Полученный металл обладает серебристым цветом, плотность его 7 г/см³.

Берклий (элемент 97). Берклий был получен искусственно в 1950 г. (Томпсоном, Гиорсо и Сиборгом) при бомбардировке ²⁴¹Am α-частицами:

$${}^{241}_{95}\mathrm{Am} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{243}_{97}\mathrm{Bk} + 2{}^{1}_{0}n$$

Известны изотопы Bk с массовым числом 243—250 и второй изомер изотопа ²⁵⁰Bk. Наиболее устойчивы ²⁴⁷Bk (T_1/2 = 7000 лет) и ²⁴⁹Bk (T_1/2 = 290 суток). Из них первый получается при облучении α-частицами кюрия, а второй под действием тепловых нейтронов реактора на уран или плутоний. Аналогично тербию может проявлять валентность 3 и 4.

Берклий Bk назван по имени города, где он был впервые получен.

Калифорний (элемент 98). Получен в 1950 г. (Томпсоном, Стретом, Гиорсо, Сиборгом) при бомбардировке ²⁴²Cm α-частицами с энергией 35 Мэв:

$${}^{242}_{96}\mathrm{Cm} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{244}_{98}\mathrm{Cf} + 2{}^{1}_{0}n$$

Калифорний Cf назван по имени штата, где он впервые получен.

Берклий и калифорний могут быть также получены при бомбардировке ядер урана ядрами углерода.

Выделение берклия и калифорния химическим путем явилось триумфом хроматографического метода.

Изучение химических свойств берклия и калифорния показало, что берклий проявляет валентность 3 и 4, а калифорний может быть только в трехвалентном состоянии.

Эйнштейний (элемент 99). Первые сообщения о получении элемента с порядковым номером 99 и о присвоении ему названия «афиний», появившиеся в 1951 г., оказались ошибочными.

Эйнштейний был впервые получен в декабре 1952 г. группой американских ученых (из шестнадцати человек). Новый элемент был назван эйнштейнием в честь автора теории относительности и закона о соотношении между энергией и массой Альберта Эйнштейна.

Ныне известно уже 11 изотопов в интервале массовых чисел от 246 до 256. Наиболее долгоживущим изотопом является ²⁵⁴Es.

Легкий изотоп этого элемента (²⁴⁶Es) может быть синтезирован при бомбардировке урана ионами азота:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{14}_{7}\mathrm{N} \to {}^{246}_{99}\mathrm{Es} + 6{}^{1}_{0}n$$

Более тяжелые изотопы получаются в ядерных реакторах при длительном облучении плутония медленными нейтронами.

Отделение эйнштейния от других элементов осуществляется методом соосаждения и ионного обмена. Причем при вымывании его из катионообменной колонки он предшествует калифорнию и занимает положение, эквивалентное положению гольмия при вымывании лантаноидов.

По химическим свойствам он является аналогом гольмия и относится к третьей группе периодической системы Д. И. Менделеева.

Фермий (элемент 100). Появившееся в 1951 г. сообщение об искусственном получении элемента с порядковым номером 100 и о присвоении ему названия «центурий» оказалось ошибочным. Изотоп фермия ²⁵⁵Fm был получен в 1953 г. группой американских ученых путем ионнообменного разделения продуктов облучения урана мощным мгновенным потоком нейтронов, выделенных при термоядерном взрыве.

Изотоп фермия ²⁵⁰Fm получен на циклотроне при бомбардировке урана-238 шестизарядными ионами кислорода:

$${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{16}_{8}\mathrm{O} \to {}^{250}_{100}\mathrm{Fm} + 4{}^{1}_{0}n$$

Изотопы фермия могут быть также получены в ядерных реакторах при длительном облучении плутония или медленными нейтронами в результате многократного повторения радиационного захвата нейтронов и β⁻-распада или при бомбардировке эйнштейния нейтронами.

Получено 7 изотопов фермия с атомными весами 250—256. Фермий относится к семейству актиноидов, является гомологом эрбия и химически близок к кюрию.

Он так же, как и эйнштейний, соосаждается с соединениями лантана (LaF₃ и La(OH)₃), извлекается трибутилфосфатом и т. д. Назван в 1955 г. в честь итальянского физика Энрико Ферми, впервые открывшего метод искусственного получения радиоактивных изотопов.

Менделеевий (элемент 101). Менделеевий получен в 1955 г. группой американских ученых: Сиборгом, Гиорсо, Харви, Чоппином и Томпсоном путем бомбардировки эйнштейния ионами гелия.

На тонкую золотую фольгу наносились атомы эйнштейния (около миллиарда) и через фольгу пропускался поток α-частиц с энергией 41 Мэв. Протекала ядерная реакция:

$${}^{253}_{99}\mathrm{Es} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{256}_{101}\mathrm{Md} + {}^{1}_{0}n$$

Образующиеся в результате реакции атомы менделеевия испытывали отдачу и с бомбардируемой золотой фольги отбрасывались на соседнюю золотую фольгу. После окончания облучения золото экстрагировалось этилацетатом и разделение актиноидов производилось на катионнообменной колонке.

По своим свойствам менделеевий является аналогом тулия и относится к III группе периодической системы Д. И. Менделеева. В водных растворах менделеевий проявляет только трехвалентное состояние.

Элемент назван в честь великого русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева.

Нобелий (элемент 102). В 1957 г. группа ученых — Фильдс и Фридман из Аргонской национальной лаборатории (США), Милстед и Бидл из научно-исследовательского центра по атомной энергии в Харуэлле (Англия) и Аттерлинг, Форслинг, Хольм и Астром из Нобелевского Физического института (Швеция) сообщили об открытии изотопа элемента 102 с массовым числом 253 и 251 в результате бомбардировки изотопа ²⁴⁴Cm ионами ¹³C с энергией приблизительно 90 Мэв, ускоренными на шведском 225-сантиметровом циклотроне:

²⁴⁴Cm(¹³C, 6n)²⁵¹102 или Cm(¹³C, 4n)²⁵³102

Всего было зарегистрировано 20 атомов. Элемент 102 был назван ими нобелием в честь Альфреда Нобеля.

В том же 1957 г. в Беркли (США) были поставлены опыты, аналогичные шведским, по получению элемента 102. После тщательно проведенных опытов Гиорсо, Сикленд, Уолтен и Сиборг пришли к выводу, что результаты стокгольмской группы ошибочны.

Осенью 1957 г. в Москве Г. Н. Флеров с сотрудниками получил элемент 102 при облучении плутония ²⁴¹Pu и ²³⁹Pu ионами кислорода ¹⁶O, ускоренными до энергии ∼ 100 Мэв. В опытах установлено, что образующийся изотоп элемента 102 испускает α-частицы с энергией ∼ 8,8 Мэв.

Данные Г. Н. Флерова с сотрудниками также не подтвердили результатов, полученных группой ученых в Швеции.

В апреле 1958 г. Сиборг, Гиорсо, Сикленд и Уолтен получили изотоп 102 при бомбардировке ²⁴⁶Cm ионами ¹²C, ускоренными на новом линейном ускорителе тяжелых ионов в Беркли:

$${}^{246}_{96}\mathrm{Cm} + {}^{12}_{6}\mathrm{C} \to {}^{254}102 + 4{}^{1}_{0}n$$

Период полураспада элемента ²⁵⁴102 оказался равным 3 сек.

В 1959 г. эта группа ученых при облучении ²⁴⁴Cm ионами ¹³C получила изотоп ²⁵³102, имеющий период полураспада ∼ 15 сек и Eα ∼ 8,8 Мэв. Эти значения хорошо совпадают с результатами, полученными Г. Н. Флеровым с сотрудниками.

Химические свойства элемента пока детально не изучены. Результаты экспериментальных данных по отделению его от других трансурановых элементов в катионнообменной колонке показывают, что он в периодической системе следует за менделеевием и, следовательно, является гомологом иттербия.

Вопрос о приоритете открытия элемента 102 остается открытым.

Лоуренсий (элемент 103). Лоуренсий получили в 1961 г. Гиорсо, Сиккеланд, Ларш и Латимер путем бомбардировки калифорния ускоренными ионами бора ¹⁰B или ¹¹B. Среди α-активных изотопов, получающихся при такой бомбардировке, был обнаружен изотоп с периодом полураспада 8 ± 2 сек, ядра последнего испускали α-частицы с энергией 8,6 Мэв. В результате ядерной реакции ²⁵²Cf (¹⁰B, 5n) или ²⁵²Cf (¹¹B, 6n) получен элемент с массовым числом 257. Новый элемент назван лоуренсием Lr в честь изобретателя циклотрона Э. О. Лоуренса.

По заполнению электронных слоев он принадлежит к f-элементам (…5f¹⁴ …6d¹7s²).

Курчатовий (элемент 104). В лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне (СССР) в 1965 г. под руководством Г. Н. Флерова получен новый элемент. Этот элемент предложено назвать курчатовием Ku в честь выдающегося советского физика И. В. Курчатова. Эксперименты были выполнены на мощном циклическом ускорителе многозарядных ионов, в котором плутониевая мишень облучалась ускоренными ионами неона. По своим химическим свойствам курчатовий является аналогом гафния и резко отличается от остальных трансурановых элементов. Его электронная структура (…5f¹⁴6d²7s²).

В заключение укажем, что у актиноидов, так же как у лантаноидов, происходит заполнение более глубокого третьего слоя, и основное отличие их заключается лишь в том, что среди первых актиноидов вплоть до америция прочность связи 5f- и 6d-электронов различается меньше, чем 4f- и 5d-электронов у лантаноидов начальной группы, благодаря чему у первых актиноидов преобладает переменная валентность, и, только начиная с элемента америция, трехвалентное состояние является наиболее устойчивым.

Ниже приводим расположение электронов (на последних трех энергетических уровнях) в атомах лантаноидов и актиноидов * (табл. 30).

Наиболее важные твердые соединения урана, нептуния, плутония и америция перечислены ниже.

Окислы UO, U₂O₃, UO₂, U₃O₈, UO₃, NpO, Np₂O₃, NpO₂, Np₃O₈, PuO, Pu₂O₃, PuO₂, AmO, AmO₂

Фториды UF₃, UF₄, UF₅, UF₆, NpF₃, NpF₄, NpF₅, NpF₆, PuF₃, PuF₄, PuF₆, AmF₃

Хлориды UCl₃, UCl₄, UCl₅, UCl₆, NpCl₃, NpCl₄, PuCl₃, AmCl₃

Бромиды UBr₃, UBr₄, NpBr₃, NpBr₄, PuBr₃, AmBr₃

Таблица 30. Расположение электронов в атомах лантаноидов и актиноидов

Ниже кратко описаны полученные искусственным путем элементы технеций, прометий, астат и франций, которые относятся к различным периодам и группам периодической системы Д. И. Менделеева.

Технеций (элемент 43). Существование технеция (экамарганца), являющегося аналогом марганца, и его основные свойства были предсказаны Д. И. Менделеевым.

В 1937 г. технеций был искусственно получен Сегре и Перрье при бомбардировке изотопов молибдена с массами 94—97 дейтронами:

$${}^{94-97}_{42}\mathrm{Mo} + {}^{2}_{1}\mathrm{H} \to {}^{95-98}_{43}\mathrm{Tc} + {}^{1}_{0}n$$

В дальнейшем большое число радиоактивных изотопов технеция было получено посредством различных ядерных реакций. Полученные 17 изотопов технеция неустойчивы (радиоактивны). Из них наиболее долговечны

$${}^{99}_{43}\mathrm{Tc}\,(T = 2{,}1 \cdot 10^{5}\ \text{лет}) \quad \text{и} \quad {}^{97}_{43}\mathrm{Tc}\,(T = 10^{4}\ \text{лет})$$

По своим химическим свойствам технеций похож на марганец и рений. Проявляет валентность 2, 4, 6, 7.

Его соли пертехнаты (KTcO₄) являются сильными окислителями, как и перманганаты. У технеция металлическая решетка изоморфна с таковой у рения, его плотность 11,5.

Прометий (элемент 61). Радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Д. И. Менделеева.

Первые данные о получении прометия при бомбардировке неодима дейтронами были опубликованы в 1938 г. Пулом и Куиллом, но существование наблюдавшегося ими изотопа с периодом полураспада T = 12,5 ч оказалось недостоверным.

В 1941—1946 гг. ими и другими американскими учеными были получены посредством ядерных реакций различные изотопы прометия, но выделить и изучить их им не удалось.

Прометий (изотоп ${}^{147}_{61}\mathrm{Pm}$) был впервые выделен в 1947 г. Маринским и Гленденином из продуктов деления урана в урановом котле.

Он может быть также получен по реакции:

$${}^{146}_{59}\mathrm{Pr} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{149}_{61}\mathrm{Pm} + {}^{1}_{0}n$$

Получено 13 изотопов прометия, которые все радиоактивны. Наиболее устойчивым изотопом является ${}^{145}_{61}\mathrm{Pm}$ (T = 30 лет). По химическим свойствам прометий сходен с неодимом и другими лантаноидами.

Астат (элемент 85). Неустойчивый радиоактивный элемент VII группы периодической системы Д. И. Менделеева является элементом, предсказанным Д. И. Менделеевым в 1840 или 1870 (по мнению редакции сайта) г. экаиодом — первым после иода галогеном.

Получили его в 1940 г. Корсон, Маккензи и Сегре бомбардировкой изотопа висмута α-частицами

$${}^{209}_{83}\mathrm{Bi} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{211}_{85}\mathrm{At} + 2{}^{1}_{0}n$$

В скором времени различные изотопы астата были обнаружены при подробном изучении радиоактивных превращений в природных радиоактивных семействах. Известно много изотопов астата (202—219). Все они весьма недолговечны. Из них наиболее долговечный α-радиоактивный ${}^{210}_{85}\mathrm{At}$ (T = 8,3 ч).

По своим химическим свойствам астат, с одной стороны, является аналогом галогенов, так как образует неустойчивое газообразное соединение HAt, растворяется в органических растворителях, образует соли AgAt, NaAtO₃ и т. д. С другой стороны, астат, подобно металлам, осаждается сероводородом из раствора его солей в виде осадка AtS, вытесняется цинком в свободном состоянии, выделяется на катоде при электролизе его солей.

Франций (элемент 87). Радиоактивный химический элемент подгруппы щелочных металлов. Существование франция, являющегося аналогом цезия — экацезия, и его основные свойства были предсказаны Д. И. Менделеевым.

В 1939 г. франций (изотоп ${}^{223}_{87}\mathrm{Fr}$) был обнаружен Пере при изучении природных радиоактивных семейств как продукт α-распада одного из членов семейства актиноурана:

Известно 8 изотопов франция (212—223), все они весьма неустойчивы. Из них наиболее долгоживущий изотоп ${}^{223}_{87}\mathrm{Fr}$ (T = 21 мин).

По химическим свойствам франций — аналог щелочных металлов, причем самый активный.

* См. В. И. Гольданский. Новые элементы в периодической системе Д. И. Менделеева. Атомиздат, М., 1964; А. К. Лаврухина, Ю. А. Золотов. Трансурановые элементы. Изд-во АН СССР, М., 1958.

* В. И. Спицын. Современное состояние периодического закона Д. И. Менделеева. Доклад на VIII Менделеевском съезде по общей химии. Изд-во АН СССР, М., 1959.

Закончить уравнения следующих ядерных реакций:

1. ${}^{19}_{9}\mathrm{F} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{1}_{1}p$

2. ${}^{27}_{13}\mathrm{Al} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{1}_{0}n$

3. ${}^{70}_{30}\mathrm{Zn} + {}^{1}_{1}p \to {}^{1}_{0}n$

4. ${}^{89}_{39}\mathrm{Y} + {}^{1}_{0}n \to {}^{1}_{1}p$

5. ${}^{32}_{16}\mathrm{S} + {}^{2}_{1}d \to {}^{4}_{2}\mathrm{He}$

6. ${}^{19}_{9}\mathrm{F} + \gamma \to {}^{1}_{0}n$

7. ${}^{42}_{20}\mathrm{Ca} + {}^{2}_{1}d \to {}^{43}_{21}\mathrm{Sc}$

8. ${}^{197}_{79}\mathrm{Au} + {}^{1}_{0}n \to \gamma$

9. ${}^{27}_{13}\mathrm{Al} + {}^{1}_{1}p \to {}^{4}_{2}\mathrm{He}$

10. ${}^{7}_{3}\mathrm{Li} + {}^{2}_{1}d \to {}^{1}_{0}n$

11. ${}^{25}_{12}\mathrm{Mg} + \gamma \to {}^{24}_{11}\mathrm{Na}$

12. ${}^{23}_{11}\mathrm{Na} + {}^{2}_{1}d \to {}^{1}_{1}p$

13. ${}^{55}_{25}\mathrm{Mn} + {}^{1}_{0}n \to {}^{52}_{23}\mathrm{V}$

14. ${}^{50}_{24}\mathrm{Cr} + {}^{1}_{1}p \to \gamma$

15. ${}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{1}_{1}p \to {}^{4}_{2}\mathrm{He}$

16. ${}^{32}_{16}\mathrm{S} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{2}_{1}d$

17. ${}^{56}_{26}\mathrm{Fe} + {}^{2}_{1}d \to {}^{1}_{0}n$

18. ${}^{10}_{5}\mathrm{B} + {}^{1}_{0}n \to {}^{4}_{2}\mathrm{He}$

19. ${}^{51}_{23}\mathrm{V} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{54}_{25}\mathrm{Mn}$

20. ${}^{209}_{83}\mathrm{Bi} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{1}_{0}n$

21. ${}^{82}_{34}\mathrm{Se} + {}^{1}_{1}p \to {}^{1}_{0}n$

22. ${}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n \to 2{}^{1}_{0}n$

23. ${}^{1}_{1}\mathrm{H} + {}^{1}_{0}n \to \gamma$

24. ${}^{81}_{35}\mathrm{Br} + \gamma \to {}^{4}_{2}\mathrm{He}$

25. ${}^{253}_{99}\mathrm{Es} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{256}_{101}\mathrm{Md}$