Гленн Сиборг и его вклад в развитие ядерной физики и химии. Синтез трансурановых элементов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гленн Сиборг и его вклад в развитие ядерной физики и химии. Синтез трансурановых элементов.

Косых Е.М.

Гленн Теодор Сиборг родился 12 апреля 1912 года в штате Мичиган в семье механика Германа Теодора Сиборга и его жены Сельмы Оливы. И Герман, и Сельма происходили из Швеции. Наверное, поэтому они и избрали для себя местом жительства район Великих Американских озер, где природа напоминает скандинавскую. Однако Мичиган оказался негостеприимным для работящих шведов: преуспеть здесь им не удалось, и в 1922 году семья переехала на Запад и поселились на окраине Лос-Анджелеса.[1]

В школе Гленн отличался крайней нелюбовью к науке. Она казалась ему сферой скучной и неинтересной. В старших классах ситуация не изменилась. Специализация в биологии не принесла Сиборгу ничего, кроме разочарования. И тут судьба столкнула его с Дуайтом Рейдом, великолепным учителем химии. Он сумел показать Сиборгу красоту и увлекательность своей науки. Блестяще сдав экзамены в Калифорнийский институт и получив возможность бесплатного образования, Сиборг стал заниматься химией. На выпускном балу первый ученик Сиборг произносит речь от имени всего класса.

Но уже в университете его увлекла ядерная физика и он, официально занимаясь химией, все свободное время уделял ядерной физике. Впоследствии именно эта наука стала его основным призванием. Денег на проживание не хватало и он вынужден был работать. Он был портовым грузчиком, сборщиком абрикосов, сельскохозяйственным рабочим, ассистентом в лаборатории компании по производству каучука и помощником линотиписта. В 1934 году он закончил университет бакалавром по химии. В аспирантуру талантливого выпускника пригласил известный химик Гилберт Н. Льюис, работавший в Калифорнийском университете в Беркли.

В 1937 году Сиборг получает докторскую степень за исследование взаимодействия быстрых нейтронов со свинцом. Доктор Сиборг несколько лет преподает в Беркли, считавшемся научной Меккой, и одновременно занимается постановкой экспериментов. Затем он был привлечен к работе над Манхэттенским проектом (создание атомной бомбы в США) и провел несколько военных лет в Металлургической лаборатории Чикагского университета. Потом вернулся в Калифорнию, чтобы руководить ядернохимическими исследованиями в Радиационной лаборатории, которой впоследствии было присвоено имя Лоуренса.

Его первые работы были связаны с изотопами -- разновидностями одного и того же элемента, отличающимися атомным весом. Сиборг изучает влияние изотопных отклонений на химические свойства. В процессе исследований ему удается открыть много новых, ранее неизвестных изотопов.

Физики всего мира в тридцатые годы искали способы синтеза сверхтяжелых элементов. Самым тяжелым из известных на то время элементов Периодической системы был уран, поэтому гипотетические элементы с большей массой получили имя «трансурановые».

Над трансурановой проблемой работали такие светила науки, как итальянец Энрико Ферми, немец Отто Ган. Они пытались получить тяжелые ядра, бомбардируя нейтронами уран, но вместо захвата нейтрона с образованием нового элемента, получалось расщепление уранового ядра на ядра меньшей массы. Это деление происходило с выделением огромной энергии и было впоследствии использовано при создании атомной бомбы.

Сиборга больше, чем расщепление атома, интересовала все же возможность образования трансурановых элементов.

Плодотворная научная деятельность Сиборга в течение 40 лет привела к крупнейшим открытиям XX в. в области ядерной химии и физики. После получения первого искусственного трансурана - нептуния Э. Макмиллан и П.

Абелсон обнаружили, что 239Np, образующийся при beta.lc.gif (58 bytes)распаде 239U, претерпевает радиоактивный распад, испуская beta.lc.gif (58 bytes)-частицы. Однако они не могли наблюдать 239 Pu в своих образцах изза его большого периода полураспада. Первый изотоп элемента № 94, 238Pu, был получен в экспериментах Сиборга, Макмиллана, Дж. Кеннеди и А. Валя (1940-1941) при облучении урана дейтронами с энергией 14 МэВ на циклотроне Калифорнийского университета по реакции

Авторы показали, что изотоп 238ри испускает alpha.gif (828 bytes)частицы и имеет период полураспада около 50 лет (по последним данным, 90 лет), и предложили назвать этот элемент "плутоний" в честь планеты Плутон, так как его орбита находится за орбитой Нептуна. В 1941 г. Кеннеди, Сиборг, Сегре и Валь выделили и идентифицировали 238рц как продукт быстро распадающегося 239Np.

В дальнейшем под руководством Сиборга были синтезированы америций № 95 (1944-1945), кюрий № 96 (1944), берклий № 97 (1949), калифорний № 98 (1950), эйнштейний № 99 (1952), фермий № 100 (1953), менделеевий № 101 (1955), но-белий № 102 (1958) и лоуренсий № 103 (1961). Следует упомянуть, что, по утверждению советского академика Г. Н.

Флерова, элементы с Z=102 и 103 были достоверно идентифицированы в Дубне в 1963-1966 гг.

Кроме этих открытий, Сиборг с сотрудниками идентифицировал более 100 изотопов элементов периодической таблицы, многие из которых нашли широкое применение в научных исследованиях, медицине и промышленности. Среди них иод-131, кобальт-57, кобальт-60, железо-59, цинк-65, це-зий-137, марганец-54, сурьма-124, америций-252, америций-241, плутоний-238, а также ядерное топливо - изотопы урана-233 и плутония-239.

Сиборг получил более 40 патентов на открытия.

В 1942 г. на основании изучения свойств Np и Ри Сиборг и Валь выдвинули гипотезу о существовании семейства актини-дов, которая двумя годами позже сформулировалась как "ак-тинидная теория электронной структуры тяжелых элементов", Согласно этой теории, группа элементов с тория (№ 90) по лоуренсий (№ 103) образует "переходную" актинидную серию элементов - аналогов актиния (№ 89), подобно тому, как ряд редкоземельных элементов (лантаноидов) начинается с лантана. Элемент № 104-курчатовий, синтезированный в Дубне группой ученых под руководством академика Г. Н. Флерова (1964 г.), уже не входит в целиком заполненную актинидную группу, но является аналогом гафния № 72.

В процессе этих исследований под руководством Сиборга, создавшего многочисленную группу способных ученых, были разработаны тончайшие методы изучения свойств считаных атомов радиоактивных актинидов, открыто явление "осколочной" бомбардировки ядер, развиты теории предсказания свойств еще не открытых изотопов и т. д.[3]

Плутоний и уран очень близки по химическим свойствам, поэтому разработка технологии их разделения оказалась очень сложным делом. Сиборг предложил абсолютно новый метод -- ультрамикрохимический анализ,-- позволявший разделять ничтожно малые количества ценнейших веществ. В 1944 году был найден и способ широкомасштабного отделения плутония от урана. А в 1945 году плутоний Сиборга взорвался в Хиросиме и Нагасаки.

Гленн Сиборг, уже полный профессор, возвращается в Беркли. Здесь под его руководством ведутся ядерно-химические исследования в Радиационной лаборатории, которой впоследствии было присвоено имя Лоуренса. Вскоре Сиборг выдвигает актиноидную гипотезу, идея которой пришла к нему еще в 1944 году, во время работы над проблемой разделения урана и плутония.

Эта гипотеза определяла положение трансурановых элементов в Периодической системе. Как известно, в системе, открытой Д.И. Менделеевым, элементы располагаются в порядке увеличения атомного веса, образуя ряды и столбцы. Столбцы называются группами, и в них сверху вниз, строго по вертикали, изменяется (возрастает) химическая активность подобных элементов. Такое нарастание активности наблюдается, например, у щелочных металлов (I группа) или галогенов (VII группа).

Элементы с 57-го по 71-й представляют собой группу очень похожих по свойствам веществ. Их называют редкоземельными элементами, или лантаноидами, и свойства их изменяются не по вертикали, а по горизонтам. В современных графических изображениях Периодической системы лантаноиды выносятся внизу -- строкой -- под основной таблицей. Сиборг предположил, а потом и доказал, что элементы начиная с 89-го и кончая 94-м также составляют отдельную полосу, следующую за актинием.

Исследователь назвал их актиноидами[2].

Теоретические разработки позволили открыть элементы 95 и 96. Сотрудники Сиборга назвали новые элементы «пандемоний» и «дерилий». Опыт, накопленный при разделении урана и плутония, позволил подняться на новую ступеньку, и новые, окончательно идентифицированные элементы получили имена америций (95) -- в честь Америки,-- и кюрий (95) -- в честь супругов Марии и Пьера Кюри. На этом открытия Сиборга не закончились. Пустые клетки в менделеевской таблице заняли берклий (97) (назван в честь университета Беркли), калифорний (98) (в честь штата Калифорния), эйнштейний (99) (в честь Альберта Эйнштейна), фермий (100) (в честь Энрико Ферми), менделевий (101) (в честь Дмитрия Менделеева), нобелий (102) (в честь Альфреда Нобеля). Как видите, «синтезаторы» очень любили родину и науку. Ни один химик до того не обнаружил столько химических ; элементов. Сравните: период полураспада наиболее долгоживущего уранового изотопа составляет 4 трлн. 510 млн. лет, тогда как период полураспада 106 элемента длится менее секунды. Столь короткоживущие ядра невозможно было синтезировать путем постепенного добавления нейтронов. Поэтому ученые избрали новый способ: они сталкивали атомные ядра, и те сливались воедино, чтобы через мгновение распасться. В 1951 году «за открытия в области химии трансурановых элементов» Гленну Сиборгу и Эдвину М. Макмиллану была присуждена Нобелевская премия по химии.С 1961 по 1971 год Сиборг являлся председателем Комиссии по атомной энергии США, в 1976 году был избран президентом Американского химического общества. Был он и консультантом Белого дома, почему и назвал одну из своих книг «На государственной службе с десятью президентами Соединенных Штатов».

Сиборг является автором более 200 научных статей, множества книг по химии элементов, некоторые из которых переведены на русский, немецкий, японский, французский и другие языки. Последним переводом на русский язык была книга Г. Сиборга и У. Корлисса "Человек и атом"[4-7] Скончался Гленн Сиборг 25 февраля 1999 года.

Президент Американского химического общества Эд Вассерман так сказал о нем: «Нет сомнения, что Сиборг был одной из доминирующих фигур XX столетия в области химии, и, вероятно, единственным, кого можно считать наиболее влиятельным в сфере обнаружения новых элементов. Не так уж много гигантов в нашей области: он был одним из них».

Сам гигант не скрывал источников своих побед. Он часто повторял: «Трудолюбивый человек будет иметь успех там, где ленивый гений может ничего не добиться».

Синтез трансурановых элементов

Трансурановые элементы, химические элементы, расположенные в периодической системе элементов Д. И. Менделеева за ураном, то есть с атомным номером Z і 93. Известно 14 трансурановых элементов. Из-за относительно высокой скорости их радиоактивного распада трансурановые элементы в заметных количествах не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 5Ч109 лет, а период полураспада T1/2 наиболее долгоживущих изотопов трансурановых элементов меньше 107 лет. За время существования Земли трансурановые элементы, возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их количество резко уменьшилось (до 1012 раз). В природных минералах найдены микроколичества 244Pu -- наиболее долгоживущего трансуранового элемента (T1/2 ~ 8Ч106 лет), который, возможно, сохранился на Земле с момента её формирования. В урановых рудах обнаружены следы 237Np (T1/2 ~ 2,14Ч106 лет) и 239Pu (T1/2 ~ 2,4Ч104 лет), которые образуются в результате ядерных реакций с участием ядер U.

Первые трансурановые элементы 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 трансурановых элементов. 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 или при взрыве ядерных устройств, можно получить все трансурановые элементы до Fm (Z = 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к b-распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой b-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 a-частицами. Пять элементов с Z > 101 были получены на ускорителях заряженных частиц [циклотрон Объединённого института 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 трансурановых элементов 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 трансурановых элементов, 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 трансурановых элементов. Этим методом был осуществлен синтез трансурановых элементов с Z = 100, Z = 104 и Z = 106.

В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза трансурановых элементов 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 трансурановые элементы 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 трансурановых элементов.

Трансурановые элементы испытывают все виды радиоактивного распада. Однако электронный захват и b-распад -- процессы относительно медленные, и их роль становится небольшой при распаде ядер с Z > 100, имеющих короткие времена жизни относительно a-распада и спонтанного деления. По мере утяжеления элемента конкуренция между спонтанным делением и (b-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 трансурановых элементов (до Z = 104) и строении их электронных оболочек см. в ст. Актиноиды. сиборг трансурановый синтез ядерный

Теоретическое рассмотрение показывает, что возможно существование очень тяжёлых ядер, имеющих повышенную стабильность относительно спонтанного деления и a-распада. «Остров стабильности» должен располагаться вблизи магического 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 (железомарганцевые 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.[8]

Список литературы

1. http://www.alhimik.ru/great/seaborg.html

2. «Химия. Курс для средней школы», Г. Сиборг, Москва,

Издательство Мир, 1972

3. В.А. Хангулян, И.С. Шапиро. Избранные вопросы теории ядра.

Часть 1. 2009 год. 150 стр

4. Г. Сиборг. Актиниды / Пер. с англ. Под. ред. А. В. Николаева. М.,

1955

5. Г. Сиборг. Искусственные трансурановые элементы / Пер. с англ.

М., 1965

6. Г. Сиборг. Ядерные свойства тяжелых элементов. Вып. 1 / Пер. с англ. Под ред. Г.Н.Флерова. М., 1967

7. Г. Сиборг. Человек и атом / Пер. с англ. Предисл. акад.

М.Д.Миллионщикова. М., 1973

8. Черняев. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. 2004 год. 150 стр. Mб. 801 Кб.

Размещено на Allbest.ru