Дубний

Дубний (нильсборий, ганий)

Элемент с атомным номером 105. К его открытию параллельно шли два больших научных коллектива: Лаборатория ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Радиационная лаборатория имени Эрнста Лоуренса в Беркли, США. В Дубне элемент сумели получить раньше и назвали нильсборием в честь Нильса Бора. Американские физики, получившие элемент №105 двумя месяцами позже, предложили для него свое название - ганий, в честь Отто Гана. Под этим названием он и фигурирует в американской литературе.

Первая попытка

Как и все другие элементы тяжелее фермия, элемент №105 получен в ядерных реакциях с участием ускоренных тяжелых ионов. Первые опыты по синтезу 105-го элемента начались в Дубне в 1967 г. под руководством академика Г.Н. Флерова. Была выбрана реакция полного слияния ионов неона-22 (ускоренных на циклотроне до энергии около 120 МэВ) с америцием-243:

²⁴³₉₅Am + ²²₁₀Ne > (²⁶⁵105)* > ^{260, 261}105 + 4 - 5¹₀n.

По теоретическим оценкам известных американских ученых Гленна Сиборга и Виктора Вайолы, изотопы ²⁶⁰105 и ²⁶¹105 должны быть альфа-излучателями. За очень короткое время (от 0,01 до 0,1 секунды) они должны были, испустив по альфа-частице (с энергией 9,4...9,7 МэВ), превратиться в ядра 103-го элемента.

Этот элемент достаточно изучен: его изотопы с массой 255 и 256 «живут» 20...30 секунд и тоже испускают альфа-частицы, превращаясь в ядра элемента №101 - менделевия. Вполне закономерно, что первые попытки идентифицировать элемент №105 сводились к установлению генетической связи альфа-частиц с новыми, не наблюдавшимися прежде характеристиками, с альфа-частицами, порожденными уже известным 103-м элементом.

К началу 1968 г. в результате длительных опытов удалось зарегистрировать около десяти случаев таких генетически связанных альфа-распадов. Новый короткоживущий излучатель давал альфа-частицы с энергией около 9,4 МэВ, что соответствовало предсказаниям теоретиков. С большой вероятностью это излучение можно было приписать элементу №105, однако наблюдавшийся эффект был очень мал и неустойчив, а теория не слишком надежна.

Для ядер с нечетным числом нуклонов ее прогнозы о времени жизни и энергии альфа-частиц всегда очень неопределенны. Если в ряду «четных» ядер (число протонов и число нейтронов - четные) эти свойства изменяются закономерно, то у «нечетных» картина совсем иная: исключений из правила почти столько же, сколько «правильных» ядер. Естественно, что неопределенность теоретических оценок затрудняет поиски «нечетных» элементов и изотопов.

Правда, кое в чем теория помогла. Она допускала, что превращение ядра элемента №105 в 103-й может идти несколько необычным путем. Испустив альфа-частицу, ядро со 105 протонами не сразу превращается в ядро 103-го элемента в основном его состоянии; может существовать некое промежуточное, возбужденное состояние образующихся дочерних ядер. Поэтому энергия испускаемых новыми ядрами альфа-частиц может оказаться меньше предсказанной теоретиками величины 9,4...9,7 МэВ и составить всего 8,9...9,2 МэВ. В силу этого обстоятельства время жизни ядер 105-го может оказаться в десятки раз больше, чем ожидалось... Из всего этого следовало, что так же внимательно, как область 9,4...9,7 МэВ, нужно исследовать и другую, более низкую по энергиям часть спектра.

Здесь, видимо, надо объяснить, что это за спектры. Как и при многих других исследованиях, в ядерной химии получают не отдельные сведения, а спектры - полную картину разброса частиц по энергии. «Снимали» такие спектры и в дубненских экспериментах по синтезу элемента №105. Однако в опытах 1968 г. анализ части спектра ниже 9,4 МэВ был сильно затруднен из-за фона излучения, подобного искомому, но возникающего от побочных ядерных реакций. Альфа-излучатели образовывались на микропримесях свинца в материале мишени. Эти фоновые реакции более вероятны, чем главная, а ядерные свойства продуктов этих реакций весьма близки к ожидаемым для 105-го элемента. Опасны даже ничтожные примеси свинца. И урана тоже.

Гарантии, что этой микропримеси в мишенях нет, но было. Таким образом, хотя полученные в опытах 1968 г. результаты были близки к предсказанным, они, по мнению Г.Н. Флерова и большинства его сотрудников, не могли служить достаточным основанием для того, чтобы утверждать: элемент №105 уже открыт.

Видимо, нужно было идти другим путем. Но каким?

Следы на никелевой ленте

Анализ свойств элементов №102, 103 и 104 позволял предполагать, что наряду с альфа-распадом элемент №105 должен испытывать и спонтанное деление.

Идентификация элемента по спонтанному делению имеет бесспорные достоинства. Во-первых, факт распада тяжелого ядра на два осколка обнаруживается значительно проще и надежнее, чем случаи альфа-распада. Аппаратура, регистрирующая спонтанное деление, намного чувствительнее. А во-вторых, при правильной постановке опыта фон практически исключен.

Принимая во внимание эти обстоятельства, в ноябре 1969 г. в Лаборатории ядерных реакций были начаты поиски элемента №105 по спонтанному делению. Реакция синтеза оставалась той же: америций-243 + неон-22. Ядра мишени, получив больший импульс от налетающих ионов, выбивались из нее и попадали на сборник - бесконечную никелевую ленту-конвейер длиной 8 м и шириной 2,5 см. Лента двигалась с постоянной скоростью. Сборник перемещал приобретенные ядра от мишени к детекторам, регистрирующим осколки спонтанного деления. Чтобы исключить фон, и сборник и детекторы делали из сверхчистых материалов с рекордно низким содержанием урана - менее одной стомиллиардной грамма урана на грамм материала.

Более ста детекторов, приготовленных из фосфатного стекла (в виде пластинок размером 60x35 мм), располагались вдоль ленты. После специальной химической обработки на таких стеклах можно отчетливо видеть следы (треки), оставленные осколками деления. По распределению треков на детекторах (при известной скорости движения ленты-сборника) можно судить о времени жизни спонтанно делящегося изотопа, а по числу следов - о вероятности его образования...

Схема экспериментальной установки для регистрации короткоживущих спонтанно делящихся ядер. С помощью такой установки со многими детекторами, расположенными вдоль движущейся бесконечной ленты их никеля, было впервые обнаружено спонтанное деление ядер элемента №105.

В первом же опыте 1969 г., продолжавшемся около 70 часов, было зарегистрировано 58 следов от осколков спонтанного деления изотопа с периодом полураспада около двух секунд. Раньше изотоп с такими свойствами не был известен. Естественно было предположить, что спонтанное деление с таким периодом полураспада испытывает изотоп 105-го элемента. Но чтобы доказать это, необходимо было уточнить механизм образования нового излучателя.

При облучении америция-243 ионами неона-22 105-й элемент может образоваться только в случае полного слияния взаимодействующих ядер. Важно, что в этой и подобных ей реакциях вероятность образования искомого продукта чрезвычайно сильно зависит от энергии налетающей частицы: изменение энергии ионов всего на 10% уменьшает выход продуктов реакции более чем в 10 раз.

Другая особенность избранной реакции заключается в том, что к полному слиянию приводят лишь центральные, «лобовые», соударения взаимодействующих ядер. Поэтому ядра-продукты, в соответствии с законом сохранения импульса, летят строго вперед, по направлению пучка налетающих частиц. Если же происходит лишь касательное соударение, то налетающее ядро и ядро-мишень обмениваются несколькими нуклонами (протонами или нейтронами), или же происходит неполное слияние, или идут реакции с вылетом заряженных частиц.

После кропотливых и достаточно долгих опытов было твердо установлено, что спонтанно делящийся изотоп с периодом полураспада около двух секунд регистрируется лишь тогда, когда по условиям реакции возможно полное слияние ядер америция и неона, а продукты побочных процессов «отсеяны» специальными приспособлениями. При полном слиянии ядер элементов №10 и 95 образуются ядра 105-го элемента, но, чтобы узнать, какого из его изотопов, нужно было изучить характер одной сложной зависимости.

Физики издавна пользуются кривыми, отражающими так называемую функцию возбуждения, т.е. зависимость вероятности образования новых ядер от энергии, которую придали бомбардирующим ионам. Кривые, построенные по результатам этих экспериментов, наглядно подтверждали, что имела место реакция полного слияния ядер, после чего образовавшиеся составные ядра выбрасывали, остывая, по четыре нейтрона. Вот эта реакция:

²⁴³₉₅Am + ²²₁₀Ne > ²⁶¹105 + 4¹₀n.

Было проведено несколько контрольных опытов, каждый из которых длился 40...50 часов. Все опыты дали однотипные результаты. Поэтому после них можно было сделать достаточно надежные выводы: образуются ядра 105-го элемента, вероятнее всего - изотопа ²⁶¹105 с периодом полураспада 1,8±0,6 секунды. Эти ядра распадаются двумя путями: или спонтанно (примерно в 20% случаев), или испуская альфа-частицы. Всего в этих опытах было зарегистрировано более 400 ядер нового элемента. Первая публикация о нем в «Сообщениях Объединенного института ядерных исследований» была принята к печати 18 февраля 1970 г. Вскоре статьи об открытии 105-го элемента в Дубне появились также в журналах «Атомная энергия» и «Nuclear Physics».

Заметим, что время жизни первого изотопа элемента №105 оказалось в десятки раз больше того, что предсказывали теоретики.

А через 50 дней...

Первое сообщение об открытии элемента №105 в Лаборатории имени Лоуренса (Беркли) датировано 28 апреля того же 1970 г. Реакция синтеза была здесь другой: калифорний-249 бомбардировали ионами азота-15. Регистрировали новые ядра только по альфа-распаду и дочерним продуктам. В этих опытах были зарегистрированы ядра - альфа-излучатели (E_б = 9,06 МэВ) с периодом полураспада 1,6±0,3 секунды. По существу, американские ученые подтвердили открытие физиков Дубны и тем не менее высказали претензию на приоритет и в этом открытии...

Основы химии

Химические свойства элемента №105 определяли в Дубне по той же методике, которая была разработана для химической идентификации 104-го элемента. Суть ее - разделение продуктов, образующихся в мишени, основываясь на химических особенностях их соединений.

Ожидалось, что по химическим свойствам элемент №105 должен оказаться аналогом тантала и ниобия. А раз так, то его хлорид и, возможно, оксихлорид должны быть сравнительно летучими соединениями, и в этом случае применим метод адсорбции газообразных хлоридов по зонам.

Атомы отдачи, образованные в реакции ²⁴³Am + ²²Ne, вылетали из мишени точно так же, как и в физических опытах. Но теперь их не собирали на никелевую ленту, а подхватывали потоком горячего, нагретого до 300°C азота, и этот поток уносил их в специальную термохроматографическую колонку из стекла. Одновременно в начало колонки подавали хлорирующие агенты - парообразные TiCl₄ и SOCl₂.

Первый участок колонки (длиной около 30 см) находился при температуре 300°C и служил для отделения твердых нелетучих хлоридов. А летучие пролетали дальше, на второй, более длинный (130 см) участок. Здесь температура равномерно понижалась до 50°C, и хлориды разных элементов выпадали в разных зонах - в зависимости от их летучести. По положению зоны неизвестного элемента можно было судить, чей он аналог. В предварительных опытах определили зону ниобия - как одного из возможных аналогов элемента №105. И еще гафния. Теперь надо было только точно определить, где адсорбируются новые ядра.

Спонтанное деление помогло и тут. Акты спонтанного деления регистрировались небольшими пластинками слюды. Если в реакции действительно образовывался элемент №105, «экатантал», то максимум осколков спонтанного деления должен быть зарегистрирован в «тантало-ниобиевой» части колонки.

Группировка и местоположение следов от осколков спонтанного деления ядер, образующихся при взаимодействии неона и америция (а их было зарегистрировано около 20), свидетельствовали о том, что спонтанно делящаяся активность принадлежит элементу, хлорид которого менее летуч, чем хлорид ниобия, но не уступает по летучести высшему хлориду гафния. Такие свойства хорошо согласуются с предсказанными для элемента №105 - экатантала.

Летом 1973 г. была испытана несколько иная методика определения химических свойств элемента №105. Работая с летучими бромидами, а не с хлоридами, пришли к тем же результатам.

Первооткрыватели элемента №105 предложили назвать его нильсборием - в честь Нильса Бора, выдающегося физика XX в., неизменно стремившегося поставить науку на службу миру и прогрессу.

Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) это название пока не утвердил, как, впрочем, и название «ганий», предложенное американскими физиками. В приоритетном конфликте наших и американских ученых по поводу открытия элементов №102...105 до сих пор все еще нет компетентного и независимого третейского судьи. Вопрос об окончательном и справедливом наименовании самых тяжелых химических элементов пока остается нерешенным.

Международное общество чистой и прикладной химии (International Society for Pure and Applied Chemistry) после обсуждения спорных вопросов в Комитете по номенклатуре неорганических соединений, приняв во внимание приоритеты в открытиях элементов и предложения ученых различных стран, устранила в 1997 г. расхождения в названиях элементов. Отныне 104-й элемент будет называться резерфордием, 105-й - дубнием, 106-й - сиборгием. Pure and Applied Chemistry. 1997. V. 69. P. 2471 - 2473 (Великобритания).