В результате ядерных реакций, протекающих в уране, образуются радиоактивные изотопы многих элементов, расположенных в середине периодической системы. В «осколках» деления можно обнаружить изотопы элементов с порядковыми номерами от 30 (цинк) до 63 (европий). Изотопы других элементов получаются при так называемых реакциях расщепления урана. «Снарядами» в этом случае служат протоны высоких энергий, разогнанные до больших скоростей на ускорителях.
Реактор с мощностью в 1000 киловатт ежесуточно дает около полутора граммов различных осколков деления.
Помимо радиоактивных изотопов, при работе ядерного реактора выделяется громадное количество тепла. В самом деле, известно, что кинетическая энергия разлетающихся осколков деления близка к 3,2·10–4 эрг. При делении грамма урана, 2,5·1021 ядер 23592U, выделяется энергия, равная 8·1017 эрг, или 22 тысячам киловатт-часов. Поэтому работающий реактор необходимо охлаждать, а воду можно использовать в паровых электрических турбинах. Таким образом, одновременно с производством радиоактивных изотопов ядерный реактор автоматически может служить атомной электростанцией. Конечно, это его главное назначение.
Чудесная «фабрика» не только дает нам радиоактивные изотопы, необходимые в различных областях науки и техники, не только предоставляет возможность получать электроэнергию, но и вдобавок ко всему… обеспечивает себя топливом!
При взаимодействии изотопа урана-238 с нейтронами образуется нестабильный изотоп урана с массовым числом 239. Этот изотоп путем последовательного испускания двух бета-частиц превращается в элемент № 94, плутоний, который обладает довольно большим периодом полураспада, равным 24 тысячам лет.
Плутоний по способности к процессам деления очень сходен с ураном и может быть использован в виде «горючего» вместо мало распространенного изотопа урана-235. Реактор мощностью в 1000 киловатт при делении одного грамма урана может дать ежесуточно около 2 граммов плутония, то есть с лихвой возместить потери урана-235. Такие реакторы, работающие по принципу воспроизводства ядерного горючего, получили название бриддеров, или размножителей.
Несомненно, у ядерных реакторов, выделяющих громадные количества тепла, позволяющих получать радиоактивные изотопы и воспроизводящих ядерное горючее, большая будущность в мирном использовании атомной энергии.
Век искусственных элементов
В 1937 году в циклотроне Калифорнийского университета родились первые атомы элемента, никогда и никем ранее не обнаруженного в природе. Это событие открыло век искусственных элементов. Но в те дни оно привлекло к себе внимание лишь узкого круга ученых.
Авторы открытия — итальянцы Перье, Сегре и Каккьянуоти — работали в небольшом университетском городке Беркли, в Соединенных Штатах. В циклотроне в течение нескольких месяцев облучалась ядрами тяжелого водорода небольшая молибденовая пластинка. С ней было выполнено несколько тщательных опытов. Ученые надеялись обнаружить какой-нибудь новый радиоактивный изотоп. Их надежды оправдались. Счетчик зафиксировал распад неизвестных изотопов. Со всей возможной быстротой они были переведены в раствор и подвергнуты пристальному изучению. Скоро выяснилось, что изотопы принадлежат новому, не встречающемуся в природе элементу.
Рожденный в солнечной Калифорнии, первый искусственный элемент оказался настоящим южанином. Его атомы излучали горячее радиоактивное дыхание. Это было своеобразным предупреждением о грозных силах, скрытых внутри атомного ядра.
Новый элемент быстро распадался, и потребовалась действительно виртуозная техника, чтобы провести точные радиохимические опыты. По свойствам первый искусственный элемент напоминал рений и марганец. И так как он образовался при облучении атомов молибдена с зарядом ядра, равным 42 ядрам тяжелого водорода с одним положительным зарядом, не оставалось сомнений, что, наконец, получен элемент № 43 — неуловимый экамарганец Менделеева.
В ближайшие три года удалось получить три других не встречающихся в природе элемента: № 61 — в 1937, № 87 — в 1939 и № 85 — в 1940 году. В результате в периодической системе между водородом и ураном исчезли все свободные места.
Но этому краткому периоду успешных синтезов предшествовали почти 70 лет кропотливых исследований и разочарований, часто неожиданных.
1869 год. Молодой Менделеев, только что открывший периодический закон, предсказывал, что химики скоро обнаружат в природных материалах новые элементы. Через несколько лет француз Буабодран, швед Нильсон и немец Винклер открыли экаалюминий, экабор и экакремний Менделеева. Еще каких-нибудь 12 лет — и в периодической таблице удачно разместились инертные газы, а к 1921 году нашло свое постоянное место редкоземельное семейство.
Периодическая система, раньше пестревшая белыми клетками неизвестных элементов, превратилась в строгий прямоугольник химических символов, логическая непрерывность которого отражала основной закон неорганической природы. Между тем в ней в 1925 году все еще можно было отыскать четыре свободных места.
Незанятые клетки таблицы привлекали к себе внимание химиков всех стран и континентов. Заявки на новые элементы следовали одна за другой. Каждый спешил обеспечить себе желанный приоритет. Но проходило несколько лет, и сообщения оказывались опровергнутыми. Постоянная смена кратковременных удач и неожиданных разочарований была как горячая пора золотой лихорадки в новеллах Джека Лондона.
В 1925 году немецкие химики Ида Таккэ, Вальтер Ноддак и Отто Берг сообщили, что обнаружены элементы № 43 и 75. Открытие было результатом долгих кропотливых поисков. После нескольких лет непрерывной работы удалось выделить из минерала колумбита элемент № 75 — рений и, казалось, обнаружить в платиновых рудах примеси элемента № 43 (мазурий). 5 сентября 1925 года Ида Таккэ прочла в Немецком химическом обществе в Нюрнберге первую лекцию о новых элементах.
В том же 1925 году чех Гейровский подозревает, что элементы № 43 и 75 содержатся в солях марганца.
В следующем году американец Смит Хопкинз опубликовывает результаты шестилетних поисков элемента № 61. Хопкинз считал, что ему удалось, наконец, обнаружить неуловимый редкоземельный элемент в виде примеси к чистейшим солям неодима и самария.
Одновременно об открытии шестьдесят первого элемента сообщил профессор Нью-Хемпширского университета Чарлз Джеймз.
Но права на этот элемент предъявил также Луиджи Ролла из Королевского университета во Флоренции. Выяснилось, что элемент № 61 обнаружен им еще в июне 1924 года и назван флоренцием, а сообщение об открытии уже два года хранилось во Флорентийской академии наук.
Тогда же чех Друце и англичанин Лоринг впервые упоминают об элементе № 87.
Между 1929 и 1932 годами американец Фрэд Элисон с помощью только что разработанного им магнитооптического анализа (метод впоследствии оказался неправильным в основе) «открывает» элемент № 87 (вирджиний) и 85 (алабамий) в литиевых и цезиевых минералах.
В 1931 году профессора Корнельского университета Джекоб Пэпиш и Юджин Вейнер как будто бы обнаруживают элемент № 87 в минерале самарките, а Густав Аортоваара из Хельсинкского университета — в финском полевом шпате.
Наконец, румын Хориа Холубей сообщает об открытии элемента № 87 — Молдавия — в минерале поллюците.
Но ни одно из этих сообщений никогда не было подтверждено. А затем оказалось, что даже самые тщательные поиски были заранее обречены на неудачу.
Объяснение пришло после работ немецкого физика Маттауха. Изучая устойчивость различных изотопов, он показал, что у элементов № 43 и 61 должны быть только неустойчивые радиоактивные изотопы.
К этому времени было твердо установлено: изотопы всех элементов с порядковыми номерами больше 83 неустойчивы. Поэтому в природе элементы № 85 и 87 могут существовать только, если время, за которое они полностью распадаются, больше возраста Земли. Или если они непрерывно образуются и в наши дни при распаде других радиоактивных элементов. Такие возможности можно было предусмотреть и для 43-го и 61-го элементов.
Безуспешные 70-летние поиски опровергали первую возможность. В продуктах распада известных радиоактивных элементов — урана, тория и актиния — не удалось обнаружить даже следов изотопов с порядковыми номерами 43, 61, 85 и 87. Если они и образуются при распаде урана, тория и актиноурана, то период их полураспада слишком мал. Эти изотопы, еще не успев накопиться в заметной концентрации, тут же исчезают, превращаясь в другие, более устойчивые. И обнаружить их в природных материалах обычными методами было бы почти невозможно.
Разочарование ученых, однако, было непродолжительным. Ровно через три года в физике и химии наступил век искусственных элементов.
Сразу же за технецием (№ 43) был синтезирован неуловимый элемент № 61. Его изотопы образовывались при бомбардировке ядрами водорода редкоземельного элемента № 60 — неодима. Ускоренные в циклотроне частицы с одним положительным зарядом, сливаясь с атомами неодима, дали новые ядра с зарядом 61.
Можно считать, что элемент № 87 известен еще с 1914 года. Тогда три венских химика: С. Мейер, Ф. Гесс и Ф. Панет, — обратили внимание, что чистый актиний распадается в двух направлениях. Хотя большая его часть испускает бета-частицы, некоторые атомы, меньше одного процента, выделяя альфа-частицы, переходят в неустойчивые радиоактивные изотопы с зарядом ядра 87 — актиний К. Но в то время трудно было поверить, что быстро распадающиеся изотопы могут представлять в периодической таблице самостоятельный элемент. Вскоре началась война, и о только что полученных изотопах надолго забыли.
В 1939 году — на этот раз в разгар второй мировой войны — парижанка Маргарита Перей повторила старые опыты. И теперь у нее не было сомнений, что актиний с зарядом 89, излучая ядра гелия с зарядом 2, переходит в новый элемент — № 87.