Искусственные элементы. Радиоактивный химический элемент. Искусственный радиоактивный элемент Искусственно полученные химические элементы примеры

Вариант № 17288

При выполнении заданий с кратким ответом впишите в поле для ответа цифру, которая соответствует номеру правильного ответа, или число, слово, последовательность букв (слов) или цифр. Ответ следует записывать без пробелов и каких-либо дополнительных символов. Дробную часть отделяйте от целой десятичной запятой. Единицы измерений писать не нужно.

Если вариант задан учителем, вы можете вписать или загрузить в систему ответы к заданиям с развернутым ответом. Учитель увидит результаты выполнения заданий с кратким ответом и сможет оценить загруженные ответы к заданиям с развернутым ответом. Выставленные учителем баллы отобразятся в вашей статистике.

Версия для печати и копирования в MS Word

Из курса химии Вам известны следующие способы разделения смесей: отстаивание, фильтрование, дистилляция (перегонка), действие магнитом, выпаривание, кристаллизация. На рисунках 1–3 представлены примеры использования некоторых из перечисленных способов.


Рис. 1	Рис. 2	Рис. 3

Какие из названных способов разделения смесей можно применить для очищения:

1) этанола и воды;

2) воды и песка?

Запишите в таблицу номер рисунка и название соответствующего способа разделения смеси.

На рисунке изображена схема распределения электронов по энергетическим уровням атома некоторого химического элемента.

На основании предложенной схемы выполните следующие задания:

1) определите химический элемент, атом которого имеет такое электронное строение;

2) укажите номер периода и номер группы в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, в которых расположен этот элемент;

3) определите, к металлам или неметаллам относится простое вещество, которое образует этот химический элемент.

Ответы запишите в таблицу.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - богатое хранилище информации о химических элементах, их свойствах и свойствах их соединений, о закономерностях изменения этих свойств, о способах получения веществ, а также о нахождении их в природе. Так, например, известно, что с увеличением порядкового номера химического элемента в периодах радиусы атомов уменьшаются, а в группах увеличиваются.

Учитывая эти закономерности, расположите в порядке увеличения радиусов атомов следующие элементы: Запишите обозначения элементов в нужной последовательности.

В ответе укажите обозначения элементов разделяя &. Например, 11&22.

Ответ:

В приведённой ниже таблице перечислены характерные свойства веществ, которые имеют молекулярное и ионное строение. Характерные свойства веществ

Используя данную информацию, определите, какое строение имеют вещества йодоводород и карбонат
кальция

Запишите ответ в отведённом месте:

1) йодоводород

2) карбонат кальция

Установите, к какому классу/группе относятся неорганические вещества, формулы которых указаны в таблице. В пустые ячейки таблицы впишите названия групп/классов, к которым относится данное вещество.

Класс/ группа
Формула вещества

1) Составьте оговоренное в тексте молекулярное уравнение реакции получения железа из гематита.

2) Зависит ли характеристика полученного железа от количества добавляемого кокса?

1) Составьте молекулярное уравнение реакции железа и азотной кислоты.

2) Каким образом легирование с помощью других металлов позволяет улучшить химическую стойкость железа?

Прочитайте следующий текст и выполните задания 6-8.

Железо один из самых используемых металлов человеком. Его применяется как в тяжелой так и в легкой промышленности, например в строительстве, сфере обороны, в сельском хозяйстве и т. д.

Железо в промышленности получают из железной руды, которая в основном состоит из гематита (Fe 2 O 3). Для этого в доменную печь помещают руду, кокс (С), который переходит при нагревании с угарный газ и дополнительные добавки, которые позволяют избавляться от нежелательных примесей.

Полученное таким образом железо не часто используют в чистом виде, так как оно химически не устойчиво и обычно его в процессе производства легируют разными добавками, например никелем. Если этого не делать сталь может окислиться на воздухе при сильной влажности или температуре, а также она хорошо реагирует с кислотами.

Также для защиты поверхности металла часто используют технику электрохимической или химической пассивации. Железо, например можно пассивировать с помощью концентрированной азотной или серной кислоты, однако разбавленные кислоты хорошо реагируют с металлом.

Решения заданий с развернутым ответом не проверяются автоматически.
На следующей странице вам будет предложено проверить их самостоятельно.

1) Составьте сокращённое ионное уравнение реакции между железом и азотной кислотой.

2) Как пассивация помогает улучшить химическую стойкость металла?

Прочитайте следующий текст и выполните задания 6-8.

Дана схема окислительно-восстановительной реакции:

1. Составьте электронный баланс этой реакции.

2. Укажите окислитель и восстановитель.

3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции.

Дана схема превращений: → → →

Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения.

Установите соответствие между классом органических веществ и формулой его представителя: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

До конца XIX века все химические элементы казались постоянными и неделимыми. Не возникало вопроса о том, как можно преобразовать неизменяемые элементы. Но открытие радиоактивности перевернуло известный нам мир и проложило путь к открытию новых веществ.

Открытие радиоактивности

Честь открытия превращения элементов принадлежит французскому физику Антуану Беккерелю. Для одного химического опыта ему понадобились кристаллы сульфата уранил-калия. Он завернул вещество в черную бумагу и положил пакет возле фотопластинки. После проявления пленки ученый увидел на снимке очертания кристаллов уранила. Несмотря на плотный слой бумаги, они были хорошо различимы. Беккерель несколько раз повторял этот опыт, но результат оказывался тем же: очертания кристаллов, содержащих уран, четко просвечивались на фотографических пластинках.

Результаты открытия Беккерель обнародовал на очередном совещании, которое проводила Парижская академия наук. Его доклад начинался словами о «невидимой радиации». Так он описывал результаты своих экспериментов. После этого в обиход физиков и вошло понятие радиации.

Опыты Кюри

Результаты наблюдений Беккереля заинтересовали французских ученых Марию и Поля Кюри. Они справедливо посчитали, что радиоактивными свойствами мог обладать не только уран. Исследователи заметили, что остатки руды, из которых добывается это вещество, все еще обладают высокой радиоактивностью. Поиски элементов, отличающихся от исходных, привели к открытию вещества со свойствами, аналогичными урану. Новый радиоактивный элемент получил наименование полоний. Такое название Мария Кюри дала веществу в честь своей родины - Польши. Вслед за этим был открыт радий. Радиоактивный элемент оказался продуктом распада чистого урана. После этого в химии началась эра новых, ранее не встречающихся в природе химических веществ.

Элементы

Большая часть известных на сегодняшний день ядер химических элементов нестабильна. Со временем такие соединения самопроизвольно распадаются на иные элементы и различные мельчайшие частицы. Более тяжелый элемент-родитель в сообществе физиков получил название исходного материала. Продукты, образующиеся при разложении вещества, именуются дочерними элементами или продуктами распада. Сам процесс сопровождается выбросом различных радиоактивных частиц.

Изотопы

Нестабильность химических элементов можно объяснить существованием различных изотопов одного и того же вещества. Изотопы - это разновидности некоторых элементов периодической системы с одинаковыми свойствами, но с разным числом нейтронов в ядре. Очень многие рядовые химические вещества имеют хотя бы один изотоп. То, что эти элементы широко распространены и хорошо изучены, подтверждает, что они находятся в стабильном состоянии сколь угодно долго. Но каждый из этих «долгоживущих» элементов содержит изотопы. Ядра их ученые получают в процессе проводимых в лабораторных условиях реакций. Искусственный радиоактивный элемент, получаемый синтетическим путем, в стабильном состоянии долго существовать не может и со временем распадается. Процесс этот может идти тремя путями. По названию элементарных частиц, которые являются побочными продуктами термоядерной реакции, все три вида распада получили свои имена.

Альфа-распад

Радиоактивный химический элемент может преобразоваться по первой схеме распада. В этом случае из ядра вылетает альфа-частица, энергия которой достигает 6 млн эВ. При детальном изучении результатов реакции было установлено, что эта частица представляет собой атом гелия. Она уносит из ядра два протона, поэтому получившийся радиоактивный элемент будет иметь в периодической системе атомный номер на две позиции ниже, чем у вещества-родителя.

Бета-распад

Реакция бета-распада сопровождается излучением одного электрона из ядра. Появление этой частицы в атоме связано с распадом нейрона на электрон, протон и нейтрино. Поскольку электрон покидает ядро, радиоактивный химический элемент увеличивает свой атомный номер на одну единицу и становится тяжелее своего родителя.

Гамма-распад

При гамма-распаде ядро выделяет пучок фотонов с различной энергией. Эти лучи и принято называть гамма-излучением. При этом процессе радиоактивный элемент не видоизменяется. Он просто теряет свою энергию.

Сама по себе нестабильность, которой обладает тот или иной радиоактивный элемент, совершенно не означает, что при наличии некоторого количества изотопов наше вещество вдруг исчезнет, выделив при этом колоссальную энергию. В реальности распад ядра напоминает приготовление попкорна - хаотичное движение зерен кукурузы на сковородке, причем совершенно неизвестно, какое из них раскроется первым. Закон реакции радиоактивного распада может гарантировать только то, что за определенный отрезок времени из ядра вылетит количество частиц, пропорциональное числу оставшихся в ядре нуклонов. На языке математики этот процесс может быть описан такой формулой:

Здесь на лицо пропорциональная зависимость числа нуклонов dN, покидающих ядро за период dt, от числа всех имеющихся в ядре нуклонов N. Коэффициент λ представляет собой константу радиоактивности распадающегося вещества.

Число нуклонов, оставшихся в ядре в момент времени t, описывается формулой:

N = N 0 e -λt ,

в которой N 0 - число нуклонов в ядре в начале наблюдения.

Например, радиоактивный элемент галоген с атомным номером 85 был открыт лишь в 1940 году. Период полураспада его довольно велик - 7,2 часа. Содержание радиоактивного галогена (астата) на всей планете не превышает одного грамма чистого вещества. Таким образом, за 3,1 часа количество его в природе должно, по идее, уменьшиться вдвое. Но постоянные процессы распада урана и тория дают начало новым и новым атомам астата, хотя и в очень маленьких дозах. Поэтому количество его в природе остается стабильным.

Период полураспада

Константа радиоактивности служит для того, чтобы с ее помощью можно было определить, насколько быстро распадется исследуемый элемент. Но для практических задач физики чаще используют величину, называемую периодом полураспада. Этот показатель сообщает, за какое время вещество потеряет ровно половину своих нуклонов. Для различных изотопов этот период варьируется от крохотных долей секунды до миллиардов лет.

Важно понимать, что время в этом уравнении не складывается, а умножается. Например, если за промежуток времени t вещество потеряло половину своих нуклонов, то за срок в 2t оно потеряет еще половину от оставшихся - то есть одну четвертую от первоначального количества нуклонов.

Возникновение радиоактивных элементов

Естественным образом радиоактивные вещества образуются в верхних слоях атмосферы Земли, в ионосфере. Под действием космического излучения газ на большой высоте претерпевает различные изменения, которые превращают стабильное вещество в радиоактивный элемент. Газ, наиболее распространенный в нашей атмосфере - N 2 , к примеру, из устойчивого изотопа азот-14 превращается в радиоактивный изотоп углерода-14.

В наше время гораздо чаще радиоактивный элемент возникает в цепи рукотворных реакций атомного деления. Так называют процессы, в которых ядро вещества-родителя распадается на два дочерних, а после - на четыре радиоактивных «внучатых» ядра. Классический пример - изотоп урана 238. Его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет. Практически столько же существует наша планета. После десяти этапов распада радиоактивный уран превращается в стабильный свинец 206. Искусственно полученный радиоактивный элемент по свои свойствам ничем не отличается от своего природного собрата.

Практическое значение радиоактивности

После Чернобыльской катастрофы многие всерьез заговорили о свертывании программ развития атомных электростанций. Но в бытовом плане радиоактивность приносит человечеству огромную пользу. Изучением возможностей ее практического применения занимается наука радиография. Например, радиоактивный фосфор вводится пациенту для получения полной картины костных переломов. Ядерная энергия служит также для выработки тепла и электроэнергии. Возможно, в дальнейшем нас ждут новые открытия и в этой удивительной области науки.

Положение водорода в периодической системе

Водород – самый распространённый химический элемент, к тому же он самый лёгкий. Его порядковый номер 1. В таблице Менделеева он стоит в первом периоде. С учётом его свойств его помещают как в 1А так и в 7А группу. Возникает вопрос – почему?

Ядро водорода состоит из одного протона, вокруг которого вращается один электрон. Электронная формула 1 s 1 . Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью. Н 2 – самый легкий газ. Он не имеет цвета и запаха.

Водород относится к химически активным веществам. Он может выступать в роли восстановителя и окислителя .

1) с некоторыми металлами он образует гидриды

2Na+H 2 =2NaH, здесь водород – окислитель H 0 + 1 e - → H -1

Сходный процесс происходит при взаимодействии галогенов – неметаллов 7А группы

2Na+ Cl 2 =2Na Cl

Поэтому, водород помещают в 7А группу

2) с неметаллами, проявляющими более сильные окислительные свойства, чем водород

H 2 +Cl 2 =2HCl здесь водород – восстановитель H 0 - 1 e - → H +1

Сходный процесс происходит при взаимодействии щелочных металлов –металлов 1А группы

2К+ Cl 2 =2К Cl

Поэтому, водород помещают в 1А группу

Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева лантаноидов и актиноидов

В шестом периоде вслед за лантаном располагаются 14 элементов с порядковыми номерами 58-71, называемых лантаноидами (слово “лантаноиды” означает «подобные лантану», а “актиноиды” - «подобные актинию»). Иногда их называют лантанидами и актинидами, что означает следующие за лантаном; следующие за актинием). Лантаноиды помещены отдельно внизу таблицы, а в клетке звездочкой указано на последовательность их расположения в системе: La-Lu. Химические свойства лантаноидов очень сходны. Например, все они являются реакционно-способными металлами, реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода. У лантана (Z= 57) один электрон поступает на 5d-подуровень, после чего заполнение этого подуровня приостанавливается, а начинает заполняться 4f-уровень, семь орбиталей которого могут быть заняты 14 электронами. Это происходит у атомов всех лантаноидов с Z = 58 - 71. Поскольку у этих элементов заполняется глубинный 4f-подуровеиь третьего снаружи уровня , они обладают весьма близкими химическими свойствами.

Из этого следует, что у лантаноидов сильно выражена горизонтальная аналогия.

В седьмом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно - под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Ас-Lr. У актиния и актиноидов заполнение уровней электронами подобно лантану и лантаноидам. Однако в отличие от лантаноидов горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6. Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости их ядер.

Все актиноиды радиоактивны. Из актиноидов выделяют две пересекающиеся группы: «трансурановые элементы» - все следующие в таблице Менделеева за ураном элементы и «трансплутониевые элементы» - все следующие за плутонием. Обе группы не ограничиваются указанными рамками и при указании приставки «транс-» могут включать в себя следующие за лоуренсием элементы - резерфордий и т. д. Это обусловлено тем, что такие элементы синтезируются в чрезвычайно малых количествах. По сравнению с лантаноидами, которые (кроме прометия) обнаружены в природе в заметных количествах, актиноиды труднее синтезировать. Но есть и исключения, например, легче всех синтезировать или найти в природе уран и торий, затем следуют плутоний, америций, актиний, протактиний и нептуний.

Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева искусственно полученных элементов

К 2008 г. известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые - лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций (см. Приложения). Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные - временные.

Технеций

ТЕХНЕ́ЦИЙ -я; м. [от греч. technetos - искусственный] Химический элемент (Tc), серебристо-серый радиоактивный металл, получаемый из отходов атомной промышленности.

◁ Техне́циевый, -ая, -ое.

техне́ций

(лат. Technetium), химический элемент VII группы периодической системы. Радиоактивен, наиболее устойчивые изотопы 97 Тс и 99 Тс (период полураспада соответственно 2,6·10 6 и 2,12·10 5 лет). Первый искусственно полученный элемент; синтезирован итальянскими учёными Э. Сегре и К. Перрье (С. Perriez) в 1937 бомбардировкой ядер молибдена дейтронами. Назван от греческого technētós - искусственный. Серебристо-серый металл; плотность 11,487 г/см 3 , t пл 2200°C. В природе найден в незначительных количествах в урановых рудах. Спектрально обнаружен на Солнце и некоторых звёздах. Получают из отходов атомной промышленности. Компонент катализаторов. Изотоп 99m Тс используют в диагностике опухолей головного мозга, при исследованиях центральной и периферической гемодинамики.

ТЕХНЕЦИЙ

ТЕХНЕ́ЦИЙ (лат. Technetium, от греческого technetos - искусственный), Тс (читается «технеций»), первый искусственно полученный радиоактивный химический элемент, атомный номер 43. Стабильных изотопов не имеет. Наиболее долгоживущие радиоизотопы: 97 Tc (Т 1/2 2,6·10 6 лет, электронный захват), 98 Tc (Т 1/2 1,5·10 6 лет) и 99 Tc (Т 1/2 2,12·10 5 лет). Практическое значение имеет короткоживущий ядерный изомер 99m Тс (Т 1/2 6,02 часа).
Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s 2 p 6 d 5 5s 2 . Cтепени окисления от -1 до +7 (валентности I-VII); наиболее устойчива +7. Рaсположен в группе VIIB в 5 периоде периодической системы элементов. Радиус атома 0,136 нм, иона Тс 2+ - 0,095 нм, иона Тс 4+ - 0,070 нм, иона Тс 7+ - 0,056 нм. Энергии последовательной ионизации 7,28, 15,26, 29,54 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,9.
Д. И. Менделеев (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) при создании периодической системы оставил в таблице для технеция - тяжелого аналога марганца («экамарганца») пустую клетку. Технеций был получен в 1937 К. Перье и Э. Сегре при бомбардировке молибденовой пластинки дейтронами (см. ДЕЙТРОН) . В природе технеций встречается в ничтожных количествах в урановых рудах, 5·10 -10 г на 1 кг урана. Спектральные линии технеция обнаружены в спектрах Солнца и других звезд.
Технеций выделяют из смеси продуктов деления 235 U - отходов ядерной промышленности. При переработке отработанного ядерного горючего технеций извлекают методами ионного обмена, экстракции и дробного осаждения. Металлический технеций получают восстановлением его оксидов водородом при 500°C. Мировое производство технеция достигает нескольких тонн в год. Для исследовательских целей используют короткоживущие радионуклиды технеция: 95m Тс(Т 1/2 =61 сутки), 97m Тс (Т 1/2 =90 суток), 99m Tc.
Технеций - серебристо-серый металл, с гексагональной решеткой, а =0,2737 нм, с= 0,4391 нм. Температура плавления 2200°C, кипения 4600°C, плотность 11,487 кг/дм 3 . По химическим свойствам технеций похож на рений. Значения стандартных электродных потенциалов: пары Тс(VI)/Тс(IV) 0,83 В, пары Тс(VII)/Тс(VI) 0,65В, пары Тс(VII)/Тс(IV) 0,738 В.
При горении Tc в кислороде (см. КИСЛОРОД) образуется желтый высший кислотный оксид Тс 2 О 7 . Раствор его в воде - технециевая кислота НТсО 4 . При выпаривании ее образуются темно-коричневые кристаллы. Соли технециевой кислоты - пертехнаты (пертехнат натрия NaTcO 4 , пертехнат калия KTcO 4 , пертехнат серебра AgTcO 4). При электролизе раствора технециевой кислоты выделяется диоксид ТсО 2 , который при нагревании в кислороде превращается в Тс 2 О 7 .
Взаимодействуя со фтором, (см. ФТОР) Tc образует золотисто-желтые кристаллы гексафторида технеция ТсF 6 в смеси с пентафторидом TcF 5 . Получены оксифториды технеция TcOF 4 и TcO 3 F. Хлорирование технеция дает смесь гексахлорида TcCl 6 и тетрахлорида TcCl 4 . Синтезированы оксихлориды технеция ТсО 3 Сl и ТсОСl 3 . Известны сульфиды (см. СУЛЬФИДЫ) технеция Tc 2 S 7 и TcS 2 , карбонил Tc 2 (CO) 10 . Tc реагирует с азотной, (см. АЗОТНАЯ КИСЛОТА) концентрированной серной (см. СЕРНАЯ КИСЛОТА) кислотами и царской водкой (см. ЦАРСКАЯ ВОДКА) . Пертехнаты используются как ингибиторы коррозии малоуглеродистой стали. Изотоп 99 m Tc применяется в диагностике опухолей головного мозга, при исследовании центральной и периферической гемодинамики (см. ГЕМОДИНАМИКА) .

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "технеций" в других словарях:

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Технеций 99, 99Tc Нейтронов 56 Протонов 43 Свойства нуклида Атомная масса 98,9062547(21) … Википедия

- (символ Тс), серебристо серый металл, РАДИОАКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Впервые был получен в 1937 г. бомбардировкой ядер МОЛИБДЕНА дейтронами (ядрами атомов ДЕЙТЕРИЯ) и был первым элементом, синтезированным в циклотроне. Технеций обнаружен в продуктах… … Научно-технический энциклопедический словарь

ТЕХНЕЦИЙ - искусственно синтезированный радиоактивный хим. элемент, символ Тс (лат. Technetium), ат. н. 43, ат. м. 98,91. Т. получают в достаточно больших количествах при делении урана 235 в ядерных реакторах; удалось получить около 20 изотопов Т. Один из… … Большая политехническая энциклопедия

- (Technetium), Tc, искусственный радиоактивный элемент VII группы периодической системы, атомный номер 43; металл. Получен итальянскими учеными К. Перрье и Э. Сегре в 1937 … Современная энциклопедия

- (лат. Technetium) Тс, химический элемент VII группы периодической системы, атомный номер 43, атомная масса 98,9072. Радиоактивен, наиболее устойчивые изотопы 97Тс и 99Тс (период полураспада соответственно 2,6.106 и 2,12.105 лет). Первый… … Большой Энциклопедический словарь

- (лат. Technetium), Tc радиоакт. хим. элемент VII группы периодич. системы элементов Менделеева, ат. номер 43, первый из искусственно полученных хим. элементов. Наиб. долгоживущие радионуклиды 98Tc (T1/2 = 4,2·106 лет) и доступный в заметных кол… … Физическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 3 металл (86) экамарганец (1) элемент (159) Словарь синонимо … Словарь синонимов

Технеций - (Technetium), Tc, искусственный радиоактивный элемент VII группы периодической системы, атомный номер 43; металл. Получен итальянскими учеными К. Перрье и Э. Сегре в 1937. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

43 Молибден ← Технеций → Рутений … Википедия

- (лат. Technetium) Те, радиоактивный химический элемент VII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 43, атомная масса 98, 9062; металл, ковкий и пластичный. Существование элемента с атомным номером 43 было… … Большая советская энциклопедия

Книги

Элементы. Замечательный сон профессора Менделеева , Курамшин Аркадий Искандерович , Какой химический элемент назван в честь гоблинов? Сколько раз был "открыт" технеций? Что такое "трансфермиевые войны"? Почему когда-то даже ученые мужи путали марганец с магнием и свинец с… Категория: Химические науки Серия: Научпоп Рунета Издатель: АСТ ,
Элементы: замечательный сон профессора Менделеева , Курамшин А. , Какой химический элемент назван в честь гоблинов? Сколько раз был «открыт» технеций? Что такое «трансфермиевые войны»? Почему когда-то даже ученые мужи путали марганец с магнием и свинец с… Категория:

Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?

Алексей Левин

Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента — от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.

Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов — нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.

Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.

Первый искусственный

Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.

Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28. Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически — правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева — минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.

Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого — искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Легкие снаряды

Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.

Следующий, 94-й элемент — плутоний — впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.

Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.

60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.

Тяжелые ионы

Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 — фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).

Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 — в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.

В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения — например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.

Всего три атома

118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) — 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 — единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.

«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, — вспоминает Кентон Муди. — Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».

«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, — объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. — Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой — кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов — сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку — ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов — удовольствие не из дешевых». На фото: при попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.

Мафусаил номер 117

Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже — в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.

В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа — 14 миллисекунд, а более тяжелого — целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже — несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).

Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.