Радиоактивные элементы периодической таблицы: история открытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 539.1

¹Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия

²Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

А.А. Еременко¹, И.И. Гончар^1,2, М.В. Чушнякова²

Аннотация

радиоактивный история элемент доурановый

На сегодняшний день известно 37 радиоактивных элементов. Немногие из них существуют в природе; большая часть была получена искусственно в ядерно-физических лабораториях. В данной работе проведён систематический анализ истории открытия всех известных радиоактивных элементов; выделены несколько периодов этой истории.

Ключевые слова: радиоактивные элементы; реакции с тяжёлыми ионами; история науки

Трудно найти такую страницу (одну страницу!) естественнонаучного текста, где плотность информации была бы такой же, как в Периодической таблице Д. И. Менделеева (см. рис. 1). Почему в Периодической таблице примерно сто элементов, а не 50 или, например, 200? Число элементов определяется группой физических процессов, которые объединяются словом «радиоактивность».

Радиоактивность - превращение атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Основными видами радиоактивности являются альфа-распад, бета-минус-распад, бета-плюс-распад (К-захват) и спонтанное деление.

К радиоактивным элементам относятся технеций (Tc, 43), прометий (Pm, 61), а также полоний (Po, 84) и все следующие за ним элементы (выделены красным цветом на рис. 1). К 2017 году известно 37 радиоактивных элементов: почти треть их полного числа.

Рис. 1. Периодическая система Д. И. Менделеева в 2017 г.

Радиоактивные элементы входили в состав Земли с самого начала её существования и продолжают присутствовать до настоящего времени. Например, у U-238 и Th-232 периоды полураспада равны 4,47·10⁹ и 1,4·10¹⁰ лет соответственно. Поэтому Th и U сохранились на нашей планете со времен её формирования и являются первичными радиоактивными элементами.

Радиоактивные элементы до открытия радиоактивности

Первым открытым радиоактивным элементом является уран. Природная окись урана была известна людям с глубокой древности, а использовали ее древние мастера для изготовления глазури, которой покрывали различную керамику для водонепроницаемости сосудов и других изделий, а также их украшения. В 1789 г. немецкий химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. Уран (U, 92) получил свое название в честь открытой восемью годами ранее планеты.

Следующим открытым радиоактивным элементом стал торий (Th, 90). Он был выделен в 1828 г. шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом. Элемент был назван его первооткрывателем в честь скандинавского бога Тора.

Правда, о том, что уран и торий принадлежат к новому классу элементов - радиоактивным - тогда никто не подозревал. Радиоактивность была открыта только в 1896 году французским физиком Анри Антуаном Беккерелем. Почти сразу в исследования радиоактивности включились Мария и Пьер Кюри.

«Доурановые» радиоактивные элементы («довоенный» период)

В этот период - с 1898 по 1939 г. - было открыто несколько радиоактивных элементов с 84-91.

В 1898 г. объектом исследований Марии и Пьера Кюри стала урановая смоляная руда. Она заинтересовала ученых потому, что ее радиоактивность была гораздо выше, чем у соединений урана. В результате, после нескольких лет интенсивной работы супруги Кюри выделили два новых радиоактивных элемента: полоний (Po, 84) и радий (Ra, 88).

Радон (Rn, 86) стал пятым радиоактивным элементом после открытия U, Th, Po и Ra. Его обнаружили Эрнест Резерфорд и Р. Б. Оуэнс в 1899 г. В этом же году был открыт актиний (Ac, 89) А. Дебьерном в отходах от переработки урановой смолки, из которой удалили полоний и радий.

В 1917 г. две группы ученых Отто Ган и Лиза Мейтнер в Германии и Ф. Содди и Д. Крэнстон в Великобритании, независимо друг от друга, выделили долгоживущий б-радиоактивный нуклид Pa-231, период полураспада которого равен 32 000 лет. Этот изотоп постоянно образуется в урановой руде в результате радиоактивного распада урана и его продуктов. Обе группы первых исследователей протактиния обнаружили изотоп, который, испуская альфа-частицы, превращался в актиний. Отсюда и название элемента №91. Протактиний (Pa, 91) значит «предшествующий актинию».

Открытие технеция (Tc, 43) было окончательно подтверждено в 1937 г. экспериментом в университете Палермо (Сицилия) учеными К. Перрье и Э. Сегрэ. Элемент 43 отсутствует в природе, поэтому учёные предложили назвать его технецием от греческого «искусственный, приготовленный руками человека».

Франций (Fr, 87) был обнаружен в 1939 г. М. Перей из Института Кюри в Париже, когда она занималась очисткой препарата актиния (Ас-227) от разнообразных продуктов радиоактивного распада. В 1946 г. М. Перей предложила назвать новый элемент францием (Francium) в честь ее родины.

Трансурановые элементы («американский» период) [1]

С 1939 г. начался «американский» период, который длился четверть века. В этот период монополия на открытие радиоактивных элементов принадлежала учёным из США.

В 1940 г. Д. Корсоном, К. Р. Маккензи и Э. Сегрэ (Калифорнийский университет в Беркли) был впервые синтезирован астат (At, 85). Для получения изотопа At-211 они облучали висмут альфа-частицами ²⁰⁹₈₃Bi + ⁴₂He > ²¹¹₈₅At + 2¹₀n. Период полураспада At-211 составляет всего 7,2 часа. Название произведено от греческого "неустойчивый, шаткий", так как все изотопы астата оказались короткоживущими.

В 1939 г. Э. М. Мак-Миллан в продуктах облучения урана нейтронами открыл радиоактивный изотоп нептуния (Np, 93). Название "нептуний" дано новому элементу потому, что он следует за ураном в соответствии с расположением планет в Солнечной системе.

Открытие плутония (Pu, 94) группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Г. Т. Сиборга было совершено с помощью 60-дюймового циклотрона. Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 (²³⁸U₃O₈) дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14_22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма, была произведена 14 декабря 1940 г.

Америций (Am, 95) был получен в конце 1944 г. в Металлургической лаборатории Чикагского университета Г. Сиборгом путем облучения плутония нейтронами: . Название происходит от названия страны Америки, где он был открыт.

Кюрий (Cu, 96) был получен в Металлургической лаборатории Чикагского университета Г. Сиборгом, А. Гиорсо, Р. Джеймсом и Л. Морганом в 1944 г. в ядерной реакции . Название новому элементу дано в честь супругов Кюри.

Элемент 61 открыли в 1945 г. в Окриджской национальной лаборатории (тогда она называлась лаборатория Клинтон) американские исследователи Дж. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл. Он был назван прометием (Pm, 61) по имени мифического героя Прометея, защитника людей, похитившего у Зевса огонь и передавшего его людям.

Берклий (Bk, 97) был открыт в 1949 г. Д. Томпсоном, А. Гиорсо и Г. Сиборгом в Калифорнийском университете в Беркли. При облучении Am-241 альфа-частицами они получили изотоп берклия с массовым числом 243. Происхождение названия этого элемента очевидно: к этому времени в Беркли было получено уже три новых радиоактивных элемента.

Калифорний (Cf, 98) был получен искусственно в 1950 г. группой Г. Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли в реакции бомбардировки 242-го изотопа кюрия альфа-частицами: . Итак, в штате Калифорния было получено уже 4 новых радиоактивных элемента.

Следующие два радиоактивных элемента были выделены из пыли, собранной после термоядерного взрыва, произведенного американцами в Тихом океане (операция "Майк") в 1952 г. Работа проводилась с участием сотрудников Радиационной лаборатории Калифорнийского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Лос-Аламосской национальной лаборатории (США). Поскольку вся география получения радиоактивных элементов в США уже была отражена в их названиях (америций, берклий, калифорний), первооткрыватели стали называть элементы по именам великих учёных. Так были получены и названы эйнштейний (Es, 99, 1952 г.) и фермий (Fm, 100, 1953 г.). Первооткрывателями этих элементов были всё те же А. Гиорсо и Г. Сиборг.

Все последующие радиоактивные элементы, начиная с менделевия и кончая оганесоном, были получены искусственно в ходе ядерных реакций с использованием ускорителей.

Менделевий (Md, 101) впервые был синтезирован Г. Сиборгом и С. Томпсоном в 1955 г. в Калифорнийском университете, Беркли. Они облучали ядра эйнштейния-253 сильно разогнанными б-частицами. Так был получен Md-256.

В 1961 г. в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли группа под руководством А. Гиорсо впервые получила лоуренсий (Lr, 103).

Трансфермиевые элементы (период конкуренции) [2, 3]

Одна из наиболее драматических историй, связанных с синтезом радиоактивных элементов, относится к резерфордию (Rf, 104). О его получении сообщили в 1964 г. советские учёные Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ЛЯР ОИЯИ) в Дубне. Группа под руководством Г. Н. Флёрова облучала мишень из плутония-242 ядрами неона-22 с энергией около 115 МэВ. Образовавшийся радиоактивный элемент с 104 идентифицировался по его спонтанному делению. Долгое время американские учёные подвергали сомнению выводы советской группы. В 1969 г. группа А. Гиорсо (Калифорнийский университет, Беркли) несомненно получила элемент 104 в другой реакции. В настоящее время считается, что наиболее вероятными первооткрывателями являются всё-таки советские учёные из ЛЯР ОИЯИ. Таким образом начинается следующий период в истории открытия радиоактивных элементов - период конкуренции между советскими и американскими учёными.

В 1963-1967 гг. в ЛЯР ОИЯИ и Калифорнийском университете Беркли независимо проводились эксперименты, в результате которых был синтезирован нобелий (No, Z=102).

В 1970 г. в ЛЯР ОИЯИ и в Беркли был открыт дубний (Db, 105). Для этого использовались разные реакции: в Дубне путём бомбардировки ядер ²⁴³Am ионами ²²Ne, а в Беркли - в реакции . Приоритет советских учёных в открытии этого элемента отражён в его названии.

В 1974 г. в Лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета Беркли группой Г. Сиборга был синтезирован элемент с 106. В последствии он был назван сиборгием (Sg). Так Гленн Сиборг стал первым учёным, при жизни которого химический элемент был назван его именем.

В 1976 году о синтезе 107-го элемента бомбардировкой атомов висмута-209 ядрами атомов хрома-54 сообщила дубненская группа Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна. Трансфермиевая рабочая группа Международного союза чистой и прикладной химии (TWG IUPAC) сочла, что результаты эксперимента были недостаточно убедительны.

Тем временем в Федеративной республике Германии (в то время было две Германии) в г. Дармштадте в Институте тяжёлых ионов (GSI) был построен ускоритель UNILAC. С помощью этого ускорителя в 1981 г. группа германских учёных под руководством П. Армбрустера и Г. Мюнценберга синтезировала 107-й элемент. Реакция, в которой он был получен, была подобна использованной в 1976 г. советскими учёными. В 1992 г. TWG IUPAC отдала приоритет открытия бория (Bh, 107) германской группе. Этот элемент назван в честь одного из величайших учёных датчанина Нильса Бора. Таким образом, в синтезе новых радиоактивных элементов принимали участие теперь три крупных научных группы (института) из СССР, США и ФРГ.

В 1982 г. в GSI был впервые синтезирован мейтнерий (Mt, 109). Команда Армбрустера и Мюнценберга бомбардировала мишень из висмута-209 ускоренными ядрами железа-58 и обнаружила один атом мейтнерия-266. Этот элемент назван в честь германской женщины-физика Лизы Майтнер, которая внесла большой вклад в открытие реакции деления атомных ядер.

Через два года, в 1984 г., в GSI той же группой был получен хассий (Hs, 108) в результате слияния свинца-208 с ускоренными ядрами железа-58. В названии этого элемента отражено латинское название немецкой земли Гессен (Hassia), в которой расположен Дармштадт.

Дармштадтий (Ds, 110) получил название по месту открытия. Впервые он был синтезирован в 1994 г. К этому времени группу возглавляли уже П. Армбрустер и С. Хофманн.

В том же году в GSI был синтезирован элемент №110. Поскольку вся германская география уже была отражена в названиях предыдущих элементов: германий (Ge, 32), хассий (Hs, Z= 108) и дармштадтий (Ds, Z= 110), первооткрыватели назвали новый элемент рентгением (Rg, 111) в честь выдающегося немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена. Трудно переоценить практическое значение открытого им излучения, которое применяется как в медицине, так и в фундаментальных исследованиях.

Последний элемент в данной «германской» серии, открытый в GSI в 1996 г., _ это коперниций (Cn, 112). Два ядра ²⁷⁷Cn были получены путём реакций ускоренных атомных ядер цинка-70 на мишени из свинца-208 в ускорителе тяжёлых ионов.

Следующая, на сегодня последняя, серия новых радиоактивных элементов синтезирована в Дубне в ЛЯР ОИЯИ с участием американских учёных из Ливерморской национальной лаборатории. Первым из этих элементов стал флёровий (Fl, 114), синтезированный в 1998 г. Он был получен при слиянии ядер плутония-244 с ускоренными ядрами кальция-48. Этот элемент назван в честь Г. Н. Флёрова, который в течение долгого времени руководил Лабораторией ядерных реакций ОИЯИ и работами по синтезу радиоактивных элементов.

В 2000 г. был синтезирован элемент 116: . Его название - ливерморий (Lv, 116) - отражает участие американских учёных в открытиях этой серии.

Вскоре был открыт элемент 118. Первые успешные эксперимент по его синтезу были проведены в ОИЯИ в 2002 г. После многократных проверок в 2006 г. российские и американские физики-ядерщики официально сообщили о получении 118-го элемента. Он назван оганесомном (Og, 118) в честь нынешнего научного руководителя ЛЯР им. Флёрова и руководителя работ по синтезу элементов с 113-118 - Ю. Ц. Оганесяна.

В 2004 г. две группы объявили о синтезе элемента №113: российско-американская (Дубна-Ливермор) [4] и японская (RIKEN) [5]. Элемент было решено назвать нихонием (Nh, 113) в честь одного из двух японских вариантов самоназвания страны -- Нихон, что переводится как «страна восходящего солнца».

В том же году российско-американская группа сообщила о синтезе элемента 115, который в дальнейшем был назван московием (Мс, 115) [4, 6, 7]. Реакция, в которой был получен этот элемент, имеет вид: .

Последним в этой серии был получен элемент 117 - теннессимн (Ts, 117): [8, 9]. Этот элемент удалось получить с использованием сильно радиоактивного изотопа берклия-249, который был наработан в уникальном ядерном реакторе в Окриджской национальной лаборатории (США, штат Теннесси), откуда и название этого элемента.

О важности обсуждаемой тематики говорит количество Нобелевских премий, присуждённых учёным за работы в области радиоактивности: Мария Склодовская-Кюри (две премии), Гленн Сиборг, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.

На сегодняшний день теннессин официально является последним открытым радиоактивным элементом. Однако поиски новых элементов не прекращаются, наука не стоит на месте и уже ведутся исследования о возможности синтеза элементов с 120 и 122 [2, 3, 10, 11].

Библиографический список

1. Seaborg G. T., Loveland W. D. Transuranium nuclei // Treatise on Heavy-Ion Science. Vol. 4. Extreme Nuclear States / ed. D. A. Bromley. New York: Plenum Press, 1985. 503 p. Doi: 10.1007/978-1-4615-8097-3_2

2. Loveland W. D. An experimentalist's view of the uncertainties in understanding heavy element synthesis //Eur. Phys. J. A. 2015. Vol. 51. P. 120. Doi: 10.1140/epja/i2015-15120-2

3. Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K. Super-heavy element research //Rep. Prog. Phys. 2015. Vol. 78. P. 036301. Doi:10.1088/0034-4885/78/3/036301

4. Oganessian Yu. Ts. et al. Synthesis of elements 115 and 113 in the reaction 243Am+48Ca // Physical Review C. 2005. Vol. 72. P. 034611.

Doi: 10.1103/PhysRevC.72.034611

5. Morita K. et al. Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction ²⁰⁹Bi(⁷⁰Zn, n)²⁷⁸113 // J. of the Physical Society of Japan. 2004. Vol. 73. P. 2593-2596.

Doi: 10.1143/JPSJ.73.2593

6. Oganessian Yu. Ts. et al. Experiments on the synthesis of element 115 in the reaction ²⁴³Am(⁴⁸Ca,xn)^291-x115 // Physical Review C. 2004. V. 69. P. 021601.

Doi: 10.1103/PhysRevC.69.021601

7. Stoyer N. J. et al. Chemical Identification of a Long-Lived Isotope of Dubnium, a Descendant of Element 115 // Nuclear Physics A. 2007. Vol. 787. _ P. 388-395.

Doi: 10.1016/j.nuclphysa.2006.12.060

8. Oganessian Yu. Ts. et al. Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117 // Physical Review Letters. 2011. Vol. 104 P. 142502. Doi:10.1103/PhysRevLett.104.142502.

9. Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2016. Vol. 88. P. 265-291. Doi:10.1515/pac-2015-0305

10. Frйgeau M. O. et al. X-Ray Fluorescence from the Element with Atomic Number Z=120 // Physical Review Letters. 2012. Vol. 108. P. 122701.

Doi: 10.1103/PhysRevLett.108.122701

11. Santhosh K. P., Safoora V. Systematic study of probable projectile-target combinations for the synthesis of the superheavy nucleus ³⁰²120 // Physical Review C. 2016. Vol. 94. P. 024623. Doi: 10.1103/PhysRevC.94.024623

Размещено на Allbest.ru