З 26 відомих зараз трансуранових елементів 24 не зустрічаються на нашій планеті. Вони були створені людиною. Як синтезують важкі й надважкі елементи?
Перший список з тридцяти трьох передбачуваних елементів, «Таблицю субстанцій, що належать всім царствам природи, які можуть вважатися найпростішими складовими частинами тіл», опублікував Антуан Лоран Лавуазьє в 1789 році. Разом з киснем, азотом, воднем, сімнадцятьма металами і ще кількома справжніми елементами в ньому фігурували світло, теплород і деякі окиси. А коли 80 років потому Менделєєв придумав Періодичну систему, хіміки знали 62 елементи. На початку XX століття вважалося, що в природі існують 92 елементи - від водню до урану, хоча деякі з них ще не були відкриті.
Проте вже наприкінці XIX століття вчені допускали існування елементів, що прямують у таблиці Менделєєва за ураном (трансуранів), але виявити їх ніяк не вдавалося. Наразі відомо, що у земній корі містяться слідові кількості 93-го та 94-го елементів - нептунію та плутонію. Але історично ці елементи спочатку отримали штучно і лише потім виявили в складі мінералів.
З 94 перших елементів у 83 є або стабільні, або довгоживучі ізотопи, період напіврозпаду яких порівняємо з віком Сонячної системи (вони потрапили на нашу планету з протопланетної хмари). Життя інших 11 природних елементів багато коротше, і тому вони виникають в земній корі лише в результаті радіоактивних розпадів на короткий час. А як же всі інші елементи, від 95-го до 118-го? На нашій планеті їх немає. Всі вони були отримані штучним шляхом.
Перший штучний
Створення штучних елементів має довгу історію. Принципова можливість цього стала зрозуміла в 1932 році, коли Вернер Гейзенберг і Дмитро Іваненко дійшли висновку, що атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. Через два роки група Енріко Фермі спробувала отримати трансурани, опромінюючи уран повільними нейтронами. Передбачалося, що ядро урану захопить один або два нейтрони, після чого зазнає бета-розпад з народженням 93-го або 94-го елементів. Вони навіть поспішили оголосити про відкриття трансуранів, які в 1938 році у своїй Нобелівській промові Фермі назвав аусонієм і гесперієм. Однак німецькі радіохіміки Отто Ган і Фріц Штрассман разом з австрійським фізиком Лізою Мейтнер незабаром показали, що Фермі помилився: ці нукліди були ізотопами вже відомих елементів, що виникли в результаті розщеплення ядер урану на пари осколків приблизно однакової маси. Саме це відкриття, вчинене в грудні 1938 року, уможливило створення ядерного реактора й атомної бомби.
Всередині ядер існують протонні і нейтронні оболонки, в чомусь схожі на електронні оболонки атомів. Ядра з повністю заповненими оболонками особливо стійкі по відношенню до спонтанних перетворень. Числа нейтронів і протонів, що відповідають таким оболонкам, називаються магічними. Деякі з них визначені експериментально - це 2, 8, 20 і 28. Оболонкові моделі дозволяють вирахувати «магічні числа» надважких ядер і теоретично - правда, без повної гарантії. Є підстави очікувати, що нейтронне число 184 виявиться магічним. Йому можуть відповідати протонні числа 114, 120 і 126, причому останнє знову-таки має бути магічним. Якщо це так, то ізотопи 114-го, 120-го і 126-го елементів, що містять по 184 нейтрони, будуть жити куди довше своїх сусідів по таблиці Менделєєва - хвилини, години, а то й роки (цю область таблиці прийнято називати островом стабільності). Найбільші надії вчені покладають на останній ізотоп з двічі магічним ядром.
Першим же синтезованим елементом став зовсім не трансуран, а передбачений ще Менделєєвим екамарганець. Його шукали в різних рудах, але безуспішно. А в 1937 році екамарганець, пізніше названий технецієм (від грецького - штучний) був отриманий при обстрілі молібденової мішені ядрами дейтерію, розігнаними в циклотроні Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі.
Легкі снаряди
Елементи з 93-го до 101-го були отримані при взаємодії ядер урану або наступних за ним трансуранів з нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерію) або альфа-частинками (ядрами гелію). Першого успіху тут домоглися американці Едвін Макміллан і Філіп Ейбелсон, які в 1940 році синтезували нептуній-239, відпрацювавши ідею Фермі: захоплення ураном-238 повільних нейтронів і подальший бета-розпад урану-239.
Наступний, 94-й елемент - плутоній - вперше виявили при вивченні бета-розпаду нептунію-238, отриманого дейтронним бомбардуванням урану на циклотроні Каліфорнійського університету в Берклі на початку 1941 року. А незабаром стало зрозуміло, що плутоній-239 під дією повільних нейтронів ділиться не гірше урану-235 і може служити начинкою атомної бомби. Тому всі відомості про отримання і властивості цього елемента засекретили, і стаття Макміллана, Гленна Сіборга (за свої відкриття вони розділили Нобелівську премію 1951 року) і їх колег з повідомленням про другого трансурана з'явилася в друку лише в 1946 році.
Американська влада майже на шість років затримала і публікацію про відкриття 95-го елемента, америція, який наприкінці 1944 року був виділений групою Сіборга з продуктів нейтронного бомбардування плутонію в ядерному реакторі. Кількома місяцями раніше фізики з цієї ж команди отримали перший ізотоп 96-го елемента з атомною вагою 242, синтезований при бомбардуванні урану-239 прискореними альфа-частинками. Його назвали кюрієм на знак визнання наукових заслуг П'єра і Марії Кюрі, відкривши тим самим традицію найменування трансуранів на честь класиків фізики і хімії.
60-дюймовий циклотрон Каліфорнійського університету став місцем створення ще трьох елементів, 97-го, 98-го і 101-го. Перші два назвали за місцем народження - берклієм і каліфорнієм. Берклій був синтезований у грудні 1949 року при обстрілі альфа-частинками мішені з Америки, каліфорній - двома місяцями пізніше при такому ж бомбардуванні кюрію. 99-й і 100-й елементи, ейнштейній і фермій, були виявлені при радіохімічному аналізі проб, зібраних в районі атола Еніветок, де 1 листопада 1952 року американці підірвали десятимегатонний термоядерний заряд «Майк», оболонка якого була виготовлена з урану-238. Під час вибуху ядра урану поглинали до п'ятнадцяти нейтронів, після чого зазнавали ланцюжка бета-розпадів, які і вели до утворення цих елементів. 101-й елемент, менделевий, був отриманий на початку 1955 року. Сіборг, Альберт Гіорсо, Бернард Харві, Грегорі Чоппін і Стенлі Томсон піддали альфа-частковому бомбардуванню близько мільярда (це дуже мало, але більше просто не було) атомів ейнштейнію, електролітично нанесених на золоту фольгу. Незважаючи на надзвичайно високу щільність пучка (60 трлн альфа-частинок в секунду), було отримано лише 17 атомів менделевію, але при цьому вдалося встановити їх радіаційні та хімічні властивості.