Если собрать весь берклий, имеющийся в лабораториях всего мира, то наберется не более 0,1 грамма. К тому же он очень дорог из-за своего происхождения. Как минимум получают его в специальных реакторах, а затем проводят сложную химическую переработку для выделения в чистом виде.
Б. Каннингем разработал и использовал тончайшие микрохимические методы исследований, которые пригодились при изучении свойств элемента. Все, чем располагали в те времена экспериментаторы — 0,02 г берклия. На каждый опыт расходовалось не более одной десятой части этого вещества.
Позже ученым все-таки удалось получить больше металла, поэтому им удалось изучить его физико-химические свойства. Первый слиток весил всего 5 граммов. Его получили восстановлением трифторида берклия BkF3.
Калифорний
В 1952 году в США было проведено испытание первой в мире термоядерной бомбы с именем Айви Майк в США на Маршалловых островах. Она была в 700 раз мощнее первой атомной бомбы. Взрыв был такой силы, что остров Элугелаб, находящийся в эпицентре взрыва, просто испарился. На его месте образовался кратер глубиной 50 метров. В результате образовались продукты термоядерного взрыва. Среди них ученые обнаружили изотоп нового элемента. Им был изотоп 254Cf. Новый элемент был назван калифорнием в честь штата, где впервые были получены его атомы.
Этот изотоп удивил ученых, так как основной вид его распада оказался спонтанным делением, то есть атом 254Cf делился на атомы других элементов, примерно равных по массе. До этого такие изотопы у других элементов не встречались. Если у ядер других атомов и встречалось спонтанное деление, то данный вид распада составлял мизерную долю от полного числа актов распада. Например, на несколько миллионов альфа-распадов 238U приходится только один спонтанный распад. Доля всех других изотопов других элементов спонтанное деление — это очень редкое явление. А для 254Cf это оказался основной вид распада. Если измерить удельную мощность данного изотопа, то она гигантская и составляет 10 000 кВт/кг.
Каждый раз получать новые атомы 254Cf в процессе термоядерного взрыва затея очень странная. Да и защитники природы не позволят проводить новые термоядерные взрывы. Поэтому ученые стали искать другие способы получения изотопов данного элемента. Естественно, они его нашли. Они взяли ускоритель частиц — циклотрон, поместили в него мишень из изотопа 242Cm и стали обстреливать ускоренными ядрами атома гелия. Получили всего несколько тысяч атомов.
Далее необходимо было отделить полученный калифорний от кюрия, из которого состояла мишень. Работать надо было крайне аккуратно, так как активность кюрия составляла 1011 распадов в минуту. Руками с таким объектом не поработаешь. Такую активность можно сравнить с активностью нескольких десятков килограмм урана.
Теоретически ученые определили, что период полураспада калифорния составляет около часа. Поэтому необходимо было спешить с процессом отделения калифорния от кюрия. Ведь примерно за 10 часов распадался практически весь полученный калифорний. Разделение провели при помощи ионнообменной хроматографии. Калифорнию, как и всем актиноидам характерна валентность III.
Существует и третий способ получения калифорния. Он образуется в процессе ядерных превращений в специальных ядерных реакторах под действием потока нейтронов. Чтобы получить 1 грамм калифорния в таких реакторах, требуется 10 килограммов 239Pu. Это очень много. В результате образуется изотоп 252Cf, который уже слабо взаимодействует с нейтронами. И его очень тяжело превратить в более тяжелые изотопы. Таким образом калифорний становится «тупиком» по получению более тяжелых элементов. Все методы, которые раньше ученые использовали для получения элементов тяжелее плутония, больше не подходят.
Микрограмм 252Cf дает столько же осколков деления, сколько 1 микрограмм урана, находящийся в ядерном реакторе под потоком нейтронов. Изучать уран и его осколки в таких условиях невозможно. А вот калифорний — можно, так как он не спрятан в ядерном реакторе за толстой бетонной стеной.
В результате спонтанного деления изотопа 252Cf образуется примерно 3,82 нейтрона. Даже в цепной реакции деления урана или плутония образуется меньше нейтронов. Считалось, что это свойство можно применить для создания атомной мини бомбы размером с пулю. Представьте себе снайпера, который при помощи винтовки и таких патронов устраивает ядерный апокалипсис армии своего противника. Но, как было сказано выше, на производство 1 грамма калифорния расходуется 10 килограммов плутония. А это очень много.
Основное применение калифорния — изготовление компактных и мощных источников нейтронов. Например, микрограмм калифорния нанесенный на кончик иглы можно вводить в злокачественную опухоль. Нейтроны будут разрушать область опухоли, прилегающую к кончику иглы, а здоровые ткани останутся невредимыми.
Нейтроны сильно рассеиваются ядрами легких элементов, то есть отражаются в разных направлениях, что можно использовать для определения строения мягких тканей человека.
Также калифорниевые нейтроны подходят для нефтеразведки. Нефть тоже состоит из легких элементов. Это же углеводороды. Нефтяной пласт является отличным нейтронным отражателем.
Эйнштейний
В 1949 году США лишилась монополии на ядерное оружие, так как СССР провел испытания своей атомной бомбы. Отныне на Земле возникло две ядерные сверхдержавы. Немного отступая от темы, отметим, что «члены ядерного клуба» не очень любят, когда кто-то еще пытается разработать свое ядерное оружие и встать наравне с уже существующими сверхдержавами.
Монополия закончилась, поэтому возникло желание снова стать первым в обладании самого мощного оружия на Земле. США и СССР начали разработки по созданию водородной бомбы. Все работы проводились в состоянии абсолютной и строжайшей секретности. Как уже было сказано в рассказе про калифорний, США провели испытание ядерного устройства под названием Айви Майк. Но его сложно было использовать как бомбу, так как он был настолько тяжел, что ни один самолет не мог его поднять. Значит и угрозы он никакой не представлял.
Было посчитано, что через каждый квадратный сантиметр урана, из которого состояла бомба, прошло примерно 8 граммов нейтронов. А это очень много. Чтобы подобное повторить в обычном ядерном реакторе, потребуется около ста лет.
Ученые проводили химические исследования радиоактивных продуктов. Исследовали воздух из ядерного гриба и почву с близлежащих островов. Были переработаны тонны грунта для извлечения из них актиноидов и лантаноидов, так как они имеют схожие свойства. Затем их разделяли методом ионообменной хроматографии. В результате был обнаружен новый элемент, названный эйнштейнием.
Эйнштейн — величайший ученый всех времен. Его знаменитую формулу E = mc2 знают люди, даже далекие от физики. Поэтому новый элемент назвали в честь Эйнштейна — автора закона, лежащего в основе всей ядерной энергетики.
Также, как и калифорний, эйнштейний можно производить в специальных ядерных реакторах. Но вот занимает этот процесс годы, а не доли секунд, как в случае с ядерным взрывом. Правда плюсом является тот факт, что эйнштейний в этом случае не разбросан по площади в тысячи квадратных километров.
В главе про калифорний мы отмечали, что он является «тупиком» при получении более тяжелых элементов теми способами, что применялись на то время. Поэтому ученые стали искать новые и усовершенствовать старые методы по синтезу сверхтяжелых элементов. Перспективным методом оказался метод тяжелых ионов. Если раньше на ускорителях частиц мишени обстреливали легкими ионами типа гелия, то сейчас решили брать что-то потяжелее.
Для синтеза эйнштейния на ускорителе частиц стали облучать мишени из урана и плутония ионами золота, кислорода, углерода и других элементов. Например, в Дубне облучали изотоп 238U ионами золота и получили изотопы 245, 246 и 247 эйнштейния.
Хотя изотопы эйнштейния имеют малое время жизни, они нашли свое применение. Их стали использовать в качестве мишеней для синтеза еще более тяжелых трансурановых элементов. Так, например, из одного из изотопов эйнштейния впервые получили 101 элемент, названный менделевием.
Фермий
Из названия уже понятно, что элемент назван в честь великого физика Энрико Ферми. Как и предыдущие элементы, фермий был открыт совершенно случайно, в продуктах термоядерного взрыва. В первые три года открытие новых элементов было засекречено, так как работы велись по созданию самой мощной бомбы в истории человечества. Но еще до того, как данные об их открытии были рассекречены, фермий был получен на мощном ядерном реакторе в штате Айдахо в США.
Было установлено, что время жизни самого тяжелого изотопа 258Fm составляет всего 380 миллионных долей секунды. Это настолько мало, что сложно вообразить. Также ученые снова столкнулись с небольшим тупиком. Оказалось, что в ядерных взрывах и ядерных реакторах невозможно получить следующие элементы таблицы Менделеева. Встал вопрос: неужели возможно существование только ста элементов? Но ученые нашли выход из сложившейся ситуации при помощи ускорителей частиц.
Как и все актиноиды фермий имеет основную валентность III. И лучше всего изучено химическое поведение фермия в ионообменных колонках (приборы для проведения ионного обмена между раствором и ионнообменной смолой). В живую никто и никогда не видел слиток фермия, так как работы велись только с невесомыми и невидимыми глазом количествами, которые можно было обнаружить только по радиоактивности.
Менделевий
Первые девять трансурановых элементов были получены и исследованы американскими учеными. Менделевий открыли в 1955 году в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета. Данный элемент интересен только тем, что ученым удалось получить элемент, порядковый номер которого больше 100. Почти десять лет такой синтез и метод идентификации нового элемента считались вершиной мастерства в физике и химии.