Трансурановые элементы: синтез и свойства¶
Трансурановые элементы — это химические элементы с порядковым номером больше 92 (урана), которые не встречаются в природе в сколько-нибудь значимых количествах и получены искусственным путём в результате ядерных реакций. Термин происходит от латинского названия урана (Uranium) и буквально означает «за ураном». В кроссвордах на 10 букв ответом на определение «искусственно полученный радиоактивный химический элемент» чаще всего служит слово нептуний (Np, номер 93) — первый трансурановый элемент, открытый в 1940 году.
¶История открытия
¶Нептуний и плутоний
В декабре 1940 года в Беркли (Калифорния, США) Эдвин Макмиллан и Филип Абельсон в результате бомбардировки ядер урана-238 нейтронами получили элемент с порядковым номером 93. Он был назван нептунием в честь планеты Нептун, следующей за Ураном в Солнечной системе — тот же принцип лёг в основу названий последующих трансурановых элементов. Следом, уже в 1940–1941 годах, Гленн Сиборг, Эдвин Макмиллан, Джозеф Кеннеди и Артур Валь получили элемент № 94, названный плутонием (по имени планеты Плутон). Плутоний-239 оказался делящимся материалом и вскоре стал ключевым компонентом ядерного оружия и первых атомных реакторов.
¶Кюрий, берклий, калифорний
В 1944 году Сиборг и коллеги синтезировали кюрий (96) в честь супругов Кюри. В 1949–1950 годах в Беркли были получены берклий (97) и калифорний (98). Дальнейшие элементы — эйнштейний (99) и фермий (100) — были обнаружены в осадке после испытания термоядерной бомбы «Майк» на атолле Эниветок в ноябре 1952 года.
¶Менделевий и тяжёлые элементы
Менделевий (101) был впервые синтезирован в 1955 году в Беркли — в честь Дмитрия Менделеева. Далее следовали нобелий (102), лоуренсий (103), резерфордий (104), хабниум (105) и последующие элементы. С 1960-х годов синтезом тяжёлых элементов занимались также в Дубне (Российский научный центр), где были получены элементы 105–112 (в том числе дубний, флеровий, оганесон). Элементы 113–118 были синтезированы в Дубне, Японии, Германии и США в 2004–2010 годах. В 2016 году ИЮПАК утвердил названия для элементов 113–118, завершив седьмой период периодической таблицы.
¶Способы получения
Основные реакции синтеза тяжёлых элементов:
- Нейтронный захват — бомбардировка урана-238 нейтронами в реакторе с последующими бета-распадами. Так получали нептуний и плутоний в промышленных масштабах.
- Бомбардировка лёгкими ионами — обстреливание актинидных мишеней ионами углерода, неона, аргона, кальция. Метод позволяет получить элементы, начиная с кюрия.
- «Холодный» слияние — реакции с использованием стабильных или долгоживущих изотопов в качестве мишеней и проектильных ядер, например кальция-48. Этот метод позволил получить оганесон (118) в Дубне в 2002 году.
Выходные продукты обычно представляют единичные атомы, которые идентифицируют по цепочке распадов.
¶Классификация
| Группа | Элементы | Особенности |
|---|---|---|
| Лёгкие трансурановые | Np, Pu, Am, Cm | Доступны в макроскопических количествах, применяются в энергетике и космосе |
| Трансактиниды | Bk–Lr | Синтезируются в микроколичествах, изучены фрагментарно |
| Сверхтяжёлые | Rf–Og | Существуют доли секунды, синтезируются по одному атому |
¶Применение
Плутоний-239 применяется в ядерных боеприпасах и как топливо для реакторов (в том числе быстрых нейтронных). Плутоний-238 служит источником энергии в радиоизотопных термоэлектрических генераторах космических аппаратов, включая марсоходы «Кьюриосити» и «Персеверанс». Америций-241 используется в бытовых дымовых извещателях. Кюрий-244 и калифорний-252 применяются как нейтронные источники в промышленности и медицине. Некоторые изотопы трансурановых элементов исследуются как кандидаты для детекторов нейтрино.
¶Токсикология
Трансурановые элементы — жёсткие альфа-излучатели. При попадании внутрь организма они накапливаются преимущественно в костях и печени, обладают высокой радиотоксичностью. Работы с ними ведутся в глухих боксах и glove-boxes с герметичными перчатками.
¶Интересные факты
- Нептуний в кроссвордах часто фигурирует как ответ на определение «искусственно полученный радиоактивный элемент» — слово укладывается в 10 букв.
- Первые промышленные партии плутония получали на Хэнфордском заводе в рамках Манхэттенского проекта.
- Оганесон — последний на 2024 год синтезированный элемент; его ядра существуют доли секунды.
Источники: «Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева», энциклопедия Britannica (разделы о трансурановых элементах), публикации Joint Institute for Nuclear Research (Дубна), National Nuclear Data Center (Брукхейвенская национальная лаборатория).