Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
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.
Производство трансурановых элементов
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.