104-й элемент был впервые синтезирован в Дубне в 1964 г. Его получила группа ученых Лаборатории ядерных реакций во главе с Г. Н. Флеровым. Для синтеза элемента № 104 в циклотроне Объединенного института ядерных исследований была выбрана реакция Математически все очень просто, но полное слияние ядер плутония и неона с последующим распадом ядра 264104 на изотоп 260104 и четыре нейтрона происходит только водном из нескольких миллиардов случаев. Почему так редко?
Коротко о физике
Далеко не все ядра неона взаимодействуют и сливаются с ядрами плутония. Но даже если слияние произошло, то образовавшееся новое ядро оказывается сильно возбужденным. Из-за этого возбуждения оно не может сохранить свою начальную массу (22 + 242 — 264), а обязательно освобождается от избытка энергии, главным образом путем деления на два ядра примерно равной массы или, реже, выбрасывая альфа-частицы, нейтроны, протоны.
Ядра 104-го элемента получаются только в том случае, если после полного слияния ядер неона и плутония новое ядро выбрасывает одни нейтроны; а чтобы получить изотоп с массовым числом 260, образовавшееся ядро должно выбросить четыре нейтрона — не больше и не меньше. Почему стремились получить именно этот изотоп? В его ядре — четное число протонов и четное число ней-тронов. Поэтому вероятность спонтанного деления таких ядер очень велика. Подавляющее большинство изотопов, которые могут образоваться в этих условиях, напротив, подвержено альфа-распаду.
Значит, именно продукты спонтанного деления будут самыми заметными «вещественными доказательствами» образования и присутствия в этом хаосе частиц немногочисленных атомов 104-го элемент.Понадобился детектор, который фиксировал бы осколки спонтанного деления и никак не реагировал на прочие частицы. Такой детектор был найден. Материалами для него стали очень известные, обыкновенные вещества, в первую очередь стекло и слюда. На их поверхности не оставляли следа легкие частицы — мала масса, не оставляли и тяжелые с малой энергией. А «золотая середина» (и по массе и по энергии) — продукты спонтанного деления пробивали на поверхности этих материалов каналы.
Слегка растравив каналы кислотой, их можно было наблюдать под микроскопом.В ходе многочисленных экспериментов была определена оптимальная энергия бомбардирующих частиц — та, при которой возможно образование наибольшего числа атомов 104-элемента. Оказалось, что наиболее эффективен обстрел плутониевых мишеней ионами неона-22 с энергией около 115 Мэв. Но и в этих условиях за 6 часов облучения регистрировался всего один акт спонтанного деления. В заключительном эксперименте, проведенном летом 1964 г., было зарегистрировано около 150 ядер нового элемента.
Эксперимент длился больше 1000 часов.После того как была проведена физическая идентификация нового элемента, центр тяжести исследований переместился в группу химиков.В повторных экспериментах 1969 г. был уточнен период полураспада 260104, оказавшийся равным 0,1 ±0,05 секунды, и обнаружено спонтанное деление другого, более легкого изотопа 259104, который образуется одновременно с 260104, но за счет реакции с испарением пяти нейтронов.Всего сейчас получено 9 изотопов элемента № 104.
На подступах к химии
Почему ученые из Дубны стремились получить именно 104-й элемент? В то время, когда начиналась эта работа, элемент № 103 еще не был синтезирован, но от 104-го ждали резкого отличия от соседних элементов по химическим свойствам. Однако уместен ли здесь разговор о химических свойствах? По мере увеличения массового числа время жизни тяжелых искусственных элементов катастрофически убывает. Химическую идентификацию двух предыдущих элементов сразу провести не удалось прежде всего из-за коротких периодов полураспада. К тому же и количество полученных ядер оказалось очень незначительным — на учете был каждый атом.Со 104-м дело обстояло еще сложнее.
Даже самые оптимистические прогнозы американских ученых предсказывали ему совсем недолгую жизнь — период полураспада порядка сотых долей секунды. Однако по данным первых опытов он оказался намного большим — 0,3±0,1 секунды. Но и это время слишком мало для того, чтобы существующими химическими методами доказать общность свойств нового элемента в какого-либо из «старых». А сделать это было необходимо потому, что выяснение места элемента №104 в таблице Менделеева не только окончательно подтверждало открытие физиков, но углубляло иконкретизировало современные взгляды на развитие периодической системы.Согласно актиноидной теории Сиборга, элемент № 103 — последний актиноид.
Значит, место 104-го вновь в основной части менделеевской таблицы, под гафнием. Менделеев, вероятно, назвал бы его экагафнием. Доказать идентичность химических свойств 104-го элемента и гафния значило ответить на один из ключевых вопросов современной теоретической химии.Поэтому еще в 1960 г., когда физики Объединенного института ядерных исследований только готовились к синтезу 104-го, руководитель работы Георгий Николаевич Флеров поручил молодому чехословацкому химику, недавнему выпускнику Московского университета Иво Зваре разработку ультраэкспрессного метода химической идентификации будущего элемента.Идею химической идентификации 104-го элемента поддержал профессор Московского университета Андрей Николаевич Несмеянов.
На одном из симпозиумов Лаборатории ядерных реакций (еще задолго до синтеза 104-го) он высказал мысль, что, несмотря на колоссальные трудности, которые поставит перед химиками краткость жизни нового элемента, возможно, удастся доказать его принадлежность к IV группе и создать новый метод разделения элементов 111 и IV групп периодической системы.
Статья на тему Резерфордий история