Превращение элементов

Нужны ли они?

Убеждённый «в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведёт ещё ко многим новым открытиям, — писал в своё время Д.И.Менделеев, — я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особенно тщательно заниматься урановыми соединениями».

Этот завет стал соблюдаться ещё при жизни великого учёного и в последующее время привёл к таким результатам, которые и фантастическими романами не были предусмотрены.

Создание целого ряда заурановых элементов можно, пожалуй, назвать научной героикой.

Теоретическая физика тоже пришла к великим результатам.

И тут не постесняемся задать один, как говорят учёные, некорректный вопрос: ну и что? зачем всё это нужно? Какая нам польза от элементов-призраков, жизнь которых определяют даже не в прямую, на ощупь, а по каким-то следам? А ведь всё это денег стоит — и, по всему, немалых!

Практическое использование одного из первых заурановых элементов — плутония не вызывает сомнения. Оно тридцать лет назад было потрясающе трагичным. При создании этого элемента, как, впрочем, и других заурановых, учёные интересовались не столько физическими и химическими свойствами его, сколько энергией, выделяющейся при распаде. Да и сам уран рассматривался прежде всего с этой точки зрения. «Манхеттенский проект» завершился военным использованием атомной энергии, и мир содрогнулся от трагедии Хиросимы и Нагасаки.

В СССР при разработке методов овладения атомной энергией сразу же было обращено внимание на возможности её мирного использования. Это выразилось в постройке первых атомных электростанций, о которых Д.И. Блохинцев шутливо сказал, что схема их немногим сложнее самовара, с той лишь разницей, что вместо угля горит уран.

Дальновидность советских учёных, заставивших атом работать на благо людей, приобрела особую ценность сейчас, когда мир стал перед проблемой истощения известных природных энергоресурсов. «Помнится, — пишет академик А.Александров, — что ещё 20 лет назад, когда только начала работать первая в мире советская атомная станция мощностью всего 5 тысяч киловатт, многие считали, что атомная энергия — это, в общем, скорее забава учёных и инженеров и вряд ли найдёт когда-либо широкое применение, вряд ли будет конкурентоспособной с энергетикой на обычном топливе — нефти, газе и угле. Теперь так не думают. Сегодня в 16 странах мира действуют более ста атомных электростанций общей мощностью примерно 40 миллионов киловатт». А к концу века, считает академик А.Александров, до 60 процентов мирового энергопотребления обеспечит атомная, а впоследствии термоядерная энергетика.

В «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976–1980 годы», принятых XXV съездом КПСС, намечается ввести в действие мощности на электростанциях в размере 67–70 миллионов киловатт, в том числе на атомных — 13–15 миллионов киловатт. Причём, как сказано в этом документе, необходимо «предусмотреть опережающее развитие атомной энергетики в европейской части СССР». Почему — в европейской? Да потому, что здесь сосредоточено около 75 процентов потребителей электроэнергии, в то время как подсчитанных запасов минерального топлива по стране на её европейскую часть приходится около 20 процентов. Кроме того, ставится задача постепенного сокращения потребления в качестве топлива такого ценного сырья для химической промышленности, как нефть и газ.

Плутоний постоянно вырабатывается в атомных реакторах. Это металл, физические и химические свойства которого установлены с предельной чёткостью. Выяснены точки его плавления и кипения, изменение плотности в зависимости от температуры, образование шести кристаллических форм и другие свойства, «подведомственные» физике, химии, кристаллографии, металлографии и другим точным наукам. Область технического использования очень широка, не говоря уже о том, что он — «сырьевой материал» для получения других заурановых элементов.

Плутоний, ужаснувший мир в 1945 г., в настоящее время рассматривается как средство в борьбе за продление человеческой жизни. Сердце изнашивается, деятельность его ослабевает, и ведёт это к неотвратимому концу. Вживлённый в организм больного миниатюрный стимулятор из изотопа плутония-239 сопоставим с аккумулятором, дающим добавочную энергию сердцу, но не требующим никакой перезарядки. Чтобы активность его снизилась наполовину, требуется 90 лет. На человеческую жизнь, даже с больным сердцем, этого более чем достаточно.

Поскольку плутоний в реакторах сейчас получают в больших количествах, то плутониевый аккумулятор используется в чисто технических целях: мощность его во много раз превосходит мощность аккумуляторов химических как щелочного типа, так и свинцового; конечно, такой аккумулятор значительно дороже, но помимо мощности он располагает и ещё одним незаменимым преимуществом — миниатюрностью.

Техническая служба последующих элементов более ограничена, но и она немалая; это пока, а в дальнейшем, следует полагать, она будет расширяться. Америций, доставивший столько треволнений открывателям 104-го, помог установить новое явление в физике, которое трудно переоценить. Гамма-излучение одного из его изотопов используется для многих измерительных целей. Тончайшая фольга или уровень жидкости с его помощью измеряются с поразительной точностью.

Давно уже использовался искусственно радиоактивный изотоп йода для изучения состояния щитовидной железы. Теперь вовсе не обязательно вводить «меченые атомы» йода в организм. Гамма-лучи крошечного препарата америция выявят всё по накоплению в железе обычного стабильного изотопа йода. Радиографические приборы для исследования нефтяных скважин также пользуются услугами америция-241.

Кюрий-244 — один из наиболее доступных в весовых количествах заурановых элементов. Он образуется в недрах работающего реактора. Как источник энергии он, естественно, дорог, поэтому и используется в особо ответственных приборах — автоматических метеостанциях, искусственных спутниках и аппаратуре для исследования глубин океана. С увеличением мощности атомных реакторов стоимость кюрия значительно снизится. А как источник альфа-излучения он и сейчас значительно дешевле, чем радий и полоний, требующие огромных затрат и усилий для извлечения их из рудных месторождений.

Изотопы берклия используются пока лишь в исследовательских работах. Самый долгоживущий из них, берклий-249, имеет период полураспада 290 дней, и следует оценить его как перспективный для практического использования. Его собрат калифорний также накапливается в весовых количествах в процессе работы ядерного реактора. Некоторые изотопы его выгодно отличаются от других заурановых элементов большим числом испускаемых нейтронов при каждом акте деления (в среднем 3,5).

Как источник нейтронов калифорний значительно выгоднее «древнего» полоний-бериллиевого, к тому же он исключительно компактен. Радиотерапия изучает возможности использования его в борьбе с раковыми опухолями. Специальные иглы, содержащие всего несколько микрограммов (тысячных долей миллиграмма) калифорния, представляют собой нейтронный источник значительной интенсивности и могут быть введены непосредственно в раковую опухоль. Многотонные установки используются для целей активационного анализа, решения задач, связанных с исследованием нефтяных скважин, целого ряда геофизических проблем. Их может заменить миниатюрное устройство, в котором содержится всего пять микрограммов калифорния.

В урановом «котле» постоянно варится такая «каша», из которой можно извлекать изотопы самых разнообразных элементов, в том числе и заурановых, в весьма ощутимых весовых количествах. Это прежде всего даёт возможность изучить свойства элементов, что обязательно влечёт за собой их техническое применение. Пока что их использование связано с энергией выделяемых частиц, очень важное и многообразное. Изучению их предшествовала широкая практика применения радиоактивных изотопов обычных элементов — так называемых меченых атомов. Здесь просто не место уделять этому большое внимание, оно описано в десятках научных и научно-популярных книг. Следует лишь напомнить, что меченые атомы — не что иное, как искусственно созданные элементы, определённый этап в работах учёных по трансмутации, так долго считавшейся полнейшим абсурдом.

Сомнения в целесообразности получения новых заурановых элементов стали возникать ввиду непродолжительности их существования. Однако выяснилось, что если одни изотопы какого-нибудь элемента распадаются за доли секунды, то другие (у него же) довольно устойчивы. Взять хотя бы америций-243, его период полураспада — 8800 лет; или кюрий-248, у которого время жизни 470.000 лет; у берклия-247 — 7000 лет; у калифорния-249 — 400 лет. Правда, в общей массе элемента таких изотопов совсем немного, и не они определяют в целом время его жизни. Именно это обстоятельство заставило учёных искать заурановые элементы «не по порядку».

Ещё в 30-х гг. нашего столетия физиками была подмечена любопытная закономерность: атомные ядра, в которых число протонов или нейтронов равнялось 2, 8, 20, 50, 82, 126, отличались высокой стабильностью. Почему это так — тогда никто не знал, и такие числа в шутку назвали магическими. Позже кое-что здесь прояснилось, но название так и осталось. Сейчас выяснено, что ядро отличается особо высокой устойчивостью, если в нём количество протонов и нейтронов измеряется магическим числом. Примером может служить свинец-208, ядро которого содержит 126 нейтронов и 82 протона.

Рядом теоретических работ показано, что число протонов 114 также является магическим, а потому следует ожидать стабильности от элемента с таким номером. Две лаборатории мира — ядерных реакций в Дубне и радиационная в Беркли — занялись изучением возможности получить элемент 114. Обычный путь — обстрел нейтронами, альфа-частицами или дейтеронами мишеней из близлежащих к 114-му элементов в таком случае бесперспективен. Эти близлежащие просто ещё не получены. Для использования же в качестве «артиллерийских снарядов» ускоренных ионов не хватает мощности ускорителей. Современные ускорители позволяют разгонять ионы элементов, ещё не достигших по своему атомному весу середины периодической системы, а при таких условиях, как показали эксперименты американских физиков, получить 114-й элемент не удаётся.

Параллельно работам по созданию 114-го элемента ведутся поиски его в природных объектах. На первый взгляд это кажется странным, так как известно, что поиски куда более простых элементов, таких, например, как технеций, не увенчались успехом именно потому, что все его запасы за время существования Земли распались. Но это ничего не значит. Мы уже говорили о том, что заурановые элементы как результат естественных радиоактивных превращений могут снова и снова появляться в недрах и что благодаря сверхточным и сверхчувствительным методам их можно в конце концов обнаружить. Так, например, в 1942 г. американские учёные Сиборг и Перльман показали присутствие плутония-239 в природе, в урановых рудах, с содержанием 10^–14 грамма на один грамм руды.

В 1952 г. в урановых смоляных рудах из Конго учёные обнаружили ничтожное количество нептуния-237. Такие элементы получили название вторичных. Что касается 114-го элемента, то он должен быть, по-видимому, аналогом свинца, подобно тому, как 104-й оказался аналогом гафния. По всей вероятности, 114-й элемент следует искать в свинцовых соединениях. Как ни медленно, но он всё же самопроизвольно распадается. Следы этого распада можно уловить в толще свинцового стекла после обработки его плавиковой кислотой.

Рассуждая так, учёные из группы Г.Н.Флерова стали собирать старинные рюмки, подвески, зеркала, куски стеклянного литья. Совершенно не играет роли состояние годности этих предметов, они могут быть разбитыми, представлять собой просто обломки, лишь бы были они древними, а стекло — свинцовым. После травления кислотой и шлифовки какие-то следы действительно были обнаружены, но принадлежат ли они 114-му элементу — сказать пока трудно.

Вполне вероятно, что 114-й элемент мог оказаться на земле как космический пришелец. Академик А.П.Виноградов, геохимик и космохимик, обратил внимание физиков на железо-марганцевые конкреции, покрывающие значительную площадь на дне Тихого океана. Это бурые шарики, образовавшиеся вокруг каких-то центров кристаллизации. Не исключено, что в них спрятались и пришельцы из космоса. Научно-экспедиционное судно «Витязь» доставило физикам «подарки дна морского», и следы распада какого-то элемента были в них обнаружены. Ведутся поиски экасвинца и в свинцовых рудах — с помощью счётчика и самописца, регистрирующего редкие акты самопроизвольного деления.