Новые химические элементы и изотопы
Многогранная деятельность людей осуществляется в материальной сфере, заполненной многочисленными соединениями и их составляющими – элементами периодической системы Менделеева. Еще до 30-х годов нашего столетия эта система состояла из 88 элементов. С учетом свободных клеток с номерами: 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат) и 87 (франций), в ней было всего 92 места. Элемент с атомным номером 92 – это уран.
Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали и трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались. Самым долгоживущим элементом и данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн. лет, и его существование на Земле поэтому вполне вероятно. И действительно в 1971 г. из калифорнийского минерала бастнезитс удалось выделить от 10 до 20 млн. атомов плутония Рu244, которые были надежно идентифицированы с по мощью массспектроскопии. Так уран перестал был самым последним в системе Менделеева и самым тяжелым из всех существующих в природе элементов.
В 1940 г. был получен первый трансурановый элемент – нептуний, а за три года до этого открыт первый искусственный элемент – технеций. Затем в лабораторных условиях были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с атомными номерами до 107. В Объединенном институте ядерных исследований в подмосковном городе Дубна были открыты элементы с номерами 104 (1964г.), 105 (1970г.), 106 (1974 г.) и 107 (1976 г.). Элемент с номером 104 носит название курчатовий в честь академика И. В. Курчатова (1902/03–1960) – выдающегося физика, организатора и руководителя работ по атомной науке и технике в СССР.
Международный союз чистой и прикладной химии в сентябре 1997 г. узаконил названия искусственных сверхтяжелых элементов: резерфордий, дубний, сиборгий, борий, хассий и мейтнерий. Эти названия даны главным образом в честь ученых, внесших большой вклад в ядерную физику. Один из данных элементов – дубний – назван в честь города Дубны, где были открыты многие новые химические элементы.
В феврале 1999 г. появилось сообщение о том, что ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне открыли выходящий за пределы периодической таблицы Менделеева новый химический элемент с периодом полураспада намного большим, чем для открытых в последнее время сверхтяжелых элементов.
Трансурановые элементы с атомными номерами до 100 можно получить в ядерном реакторе путем «надстройки» ядер изотопа урана-238 бомбардирующими нейтронами. Все элементы с номерами более 100 и массовыми числами более 257 получают только в ускорителях и в незначительных количествах.
Для получения сверхтяжелых трансуранидов производится бомбардировка урана ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или урана. Особенно эффективна бомбардировка ионами самого урана, в результате которой образуются чрезвычайно тяжелые промежуточные ядра. Изучение таких реакций стало возможным только с 1971 г., когда мощность ускорителей позволила ускорить тяжелые ионы до достаточно высоких энергий.
В стабильных атомных ядрах заряженные и нейтральные частицы находятся в равновесном состоянии. С нарушением равновесия ядерная система становится неустойчивой. Современная теория позволяет рассчитать с вполне определенной вероятностью стабильность сверхтяжелых ионов и элементов, а также предсказать наиболее вероятные их физические и химические свойства. Из подобных расчетов вытекает, что элементы с атомными номерами между 114 и 164 должны обладать неожиданно высокой стабильностью (см. рис 6.9). Такие элементы образуют своеобразный остров стабильности, на котором возможно существование изотопов с периодом полураспада до 108 лет.
Предполагается, что свойства элементов с атомными номерами 112–118 аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть–радон. Верхняя граница возможной стабильности, насколько ее позволяет определить современный уровень естественно-научных знаний, приближается к атомному номеру 174. Для синтеза подобного рода элементов нужны новые экспериментальные методы и новые технические средства эксперимента.
Радиоактивные изотопы
Изотопы – разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают устойчивые (стабильные) и радиоактивные изотопы. Термин «изотопы» впервые предложил в 1910г. Фредерик Содди (1877–1956), известный английский радиохимик, лауреат Нобелевской премии 1921 г., экспериментально доказавший образование радия из урана.
Радиоактивные изотопы широко применяются не только в атомной энергетике, но и в разнообразной приборной технике, медицине и т. п. В промышленно развитых странах выпускается множество приборов и аппаратов, содержащих радиоактивные изотопы. Все они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик разных материалов.
С помощью радиоактивных изотопов можно проследить за перемещением химических соединений при физических, технологических, биологических или химических процессах. Для этого используются меченые атомы (радиоактивные индикаторы). Исследуемое вещество вводят радиоактивные изотопы определенных элементов, тем самым метят его, и затем наблюдают за движением меченых атомов. Данный способ позволяет исследовать механизмы реакций при превращениях веществ в сложных условиях, например, в доменной печи или в аммиачном реакторе, а также изучать процессы обмена веществ в живых организмах. Например, введение изотопа азота-15 позволяет исследовать процесс биологического связывания азота воздуха растениями семейства бобовых (гороха, клевера, вики и др.). Изотоп кислорода-18 помогает выяснить механизм дыхания живых организмов.
Радиоактивный метод анализа вещества дает возможность определить содержание в нем различных металлов от кальция до цинка, в чрезвычайно малых концентрациях – до 10-10 (для этого требуется всего лишь 10-12 г вещества).
Радиоактивные препараты оказались полезными и в медицинской практике. С их помощью осуществляется лечение многих заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Изотопы плутония-238, кюрия-224 и др. могут применяться для производства батарей небольшой мощности – от киловатта до милливатта. Они могут использоваться, например, в приборах для стабилизации ритма сердца. При этом для бесперебойной работы на протяжении по крайней мере 10 лет достаточно всего 150–200 мг плутония (оксидортутные батареи служат до 4 лет).
В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов – водород и сложные соединения низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и прочности. Можно привести множество других примеров практического применения изотопов и радиоактивного излучения. Несмотря на это отношение людей к радиации, особенно в последние десятилетия, резко изменилось. За примерно столетнюю историю радиоактивные источники прошли долгий путь от эликсира жизни до символа зла.