Радиоактивные элементы и изотопы

В 1898 г. М. Кюри и Г. Шмидт независимо друг от друга обнаружили активность у тория.

В 1897 г. Беккерель обратился к П. Кюри с просьбой выяснить, нет ли в излучающих веществах примесей, которые могли бы играть особенную роль. П. Кюри порекомендовал М. Склодовской-Кюри работать по этой теме. В 1896 г. супруги Кюри установили, что радиоактивность урановых минералов больше, чем радиоактивность урана, в них содержащегося. Это наблюдение привело их к предположению, что в урановых минералах содержится какой-то значительно более радиоактивный элемент, чем уран. Переработав несколько тонн урановой руды из чешского месторождения Яхимов, они получили два очень радиоактивных осадка: сернокислый барий и гидроксид висмута. В осадке гидроксида висмута в 1898 г. был обнаружен новый элемент — полоний (в чистом виде его выделить не удалось; хлорид полония оказался в 900 раз активнее урана). В 1902 из осадка сернокислого бария был выделен радий (М.Кюри, П. Кюри и Ж. Бемон).

В этих работах был указан конкретный материальный носитель радиоактивных явлений (атомы радиоактивных элементов) и реально открыт такой носитель (радий), у которого изучаемый процесс протекает с гораздо большей интенсивностью, чем у урана.

Открытие радиоактивности вызвало большой интерес учёных. К сожалению, радий купить было невозможно. Положение спас немецкий химик профессор Ф. Гизель — специалист по хинину. Он выделил активные вещества из руд урана примерно в то же время, что и супруги Кюри. Модернизировав методику К. Р. Фрезениуса, использованную в слегка модифицированном виде Кюри, Гизель перешёл от хлорида к бромиду радия и полупил довольно чистую соль радия. (В 1898 г. М. и П. Кюри имели ещё не вполне чистые образцы двух новых радиоактивных излучателей). Препарат радия он выделил раньше М.Кюри. В 1900 г. Гизель обнаружил новый радиоактивный элемент, хотя тут же выяснилось, что его уже (1899 г.) открыл А. Дебьёрн и назвал актинием. С 1903 г. Ф. Гизель (фирма «Хининфабрик», Брауншвейг) начал поставлять в продажу по сравнительно умеренным ценам чистые соединения радия (гидрат бромида радия содержал 50% элемента). До этого приходилось работать с соединениями, содержавшими самое большее о, 1% радия!

В 1900 г. Э. Резерфорд обнаружил радиоактивный газ, выделяемый солями тория, и назвал его эманацией (ныне торон, Tn, ²²⁰Rn). Дорн в этом же году установил, что соли радия также выделяют эманацию (радон, ²²²Rn), а в 1903 г. А. Дебьёрн показал, что соли актиния выделяют актинон (An, ^2,9Rn). В 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди доказали, что торон — инертный газ. В том же году измерен коэффициент диффузии эманации радия в воздухе (П.Кюри, Ж. Данн). В 1903 г. отрыт радиоторий (²²⁸Th) (О.Хан). В 1906 г. Н. Кэмбеллом и А. Вудом открыта /?-радиоактивность калия и рубидия. Тем самым было доказано, что радиоактивность не только свойство тяжёлых атомов, но может проявляться у любых элементов периодической таблицы. Протактиний обнаружен О. Ханом и Л. Мейтнер в 1907 г. В 1909 г. доказано, что различные изотопы свинца являются конечным продуктом трёх естественных радиоактивных семейств (Дж. Грэй). В 1910 г. получен чистый металлический радий (М.Кюри, А. Дебьерн). Первый международный радиевый эталон (М.Кюри, А. Дебьерн) изготовлен в 1911 г.

В 1912 г. произошло открытие изотопов — обнаружено сучцествование атомов неона с массой 20 и 22 (Дж. Дж. Томсон).

В 1913 г. введено понятие изотопа и продемонстрирована изотопия у радиоактивных элементов (Ф.Содди), сформулировано правило сдвига (закона смещения) при радиоактивном распаде — правило сдвига СоддиФаянса (Ф.Содди и К. Фаянс независимо друг от друта, а так же А.С.Рассел), что позволило прийти к представлению о равенстве заряда ядра атома порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе. В том же году проведено разделение изотопов методом газовой диффузии (Ф. Астон). В 1914 г. осуществлено разделение химически неделимых радиоэлементов с помощью метода диффузии (Г.Хевеши), доказано существование стабильных изотопов свинца (Ф.Содди и др.). В 1915 г. разработан метод меченых атомов (Д.Хевеши, Ф. Панет). В 1916 г. Ф. Панет ввёл понятие химического элемента. В 1917 г. обнаружены изотопы высшего порядка — ядерные изомеры (Ф.Содди), а в 1918 г. доказано существование изотопов среди продуктов радиоактивного распада (Дж.Дж.Томсон).

В 1919 г. Ф. Астон построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов (принцип действия масс-спектрографа предложил в 1907 г.

Дж. Дж. Томсон), с помощью которого обнаружены изотопы у хлора и ртути, а в 1920 г. установлены особенности изотопного обмена (Г.Хевеши). В 1918 г. предсказана возможность существования ядерной изомерии (С. Мейер), а в 1921 г. на примере ²з"Ра открыто явление изомерии атомных ядер (О.Ган). В 1923 г. Д. Хевеши применил метод меченых атомов к решению биологических проблем, проведя исследование поглощения растениями свинца из раствора. К 1925 г. явление изотопии было доказано почти для всех стабильных элементов (главным образом благодаря работам ФАстона). Важную роль в характеристике изотопов сыграла кривая зависимости упаковочных коэффициентов от массовых чисел (кривая Астона). Упаковочный коэффициент — величина, равная отношению дефекта массы атомного ядра к массовому числу. Он характеризует значение удельной (в пересчёте на один нуклон) энергии связи нуклонов в ядре.

Всего к 20-м годам 20-го века было открыто 40 природных элементов и изотопов, и установлена между ними генетическая связь.

В 1911 году Ф. Содди издал книгу «Химия радиоактивных элементов», в которой подробно описал ряд последовательных радиоактивных превращений радия через радон до свинца.

Первая искусственная трансмутация элементов осуществлена в 1918 г. Бомбардируя атомы азота, находившегося в воздухе, а-частицами, Э. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение элементов: ядро азота превратилось под воздействием а-частиц (ядер атома гелия) в ядро кислорода с выделением ядра водорода.

Важным событием явилось открытие нейтрона (Чедвиг, 1932 г.) и искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934 г.).

Первыми радиоактивными изотопами, открытыми при бомбардировке различных элементов а-частицами были *3N, з°р _и ²?Si. Бомбардируя лист алюминия а-частицами полония, И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали с помощью счётчика Гейгера-Мюллера, что при удалении источника а-частиц или при уменьшении их энергии ниже некоторого порога эмиссия нейтронов прекращается, однако эмиссия позитронов продолжается с периодом полураспада ~з мин. Авторы предположили, что ядерная реакция протекает по схеме:

Они подтвердили своё предположение, растворив облучённый алюминий в соляной кислоте с последующим удалением образовавшегося радиоактивного продукта (³°РН₃) газовым потоком. Аналогичные результаты были получены с бором, который превращался в радиоазот, и с магнием, который давал радиоалюминий.

Перед Второй мировой войной доказана возможность искусственного получения радиоактивных изотопов почти всех известных стабильных элементов. Были открыты ядерные реакции, позволившие начать получение радиоактивных изотопов и синтез новых элементов, в том числе трансурановых. В 1937 г. К. Перрье, Э. Сегре осуществили синтез первого искусственного элемента — технеция (бомбардировкой ядер молибдена дейтронами), Э. Сегре получил астат (1940 г.), М. Перей открыла франций (1939 г.), в 1940 г. Э. Макмиллан, П. Абельсон синтезировали *39Np (р-излучатель), а Г. Сиборг, Э. Макмиллан, А. Валь, Дж. Кеннеди, Э. Сегре — плутоний (в том числе ²^Pu.) В 1930 г. открыт изотоп ²'*⁸J (ФАстон), а в 1935 г. — ²35U (А.Демпстер). В 1947 г. в продуктах деления урана был обнаружен один новый элемент — прометий.

В 1940 г. осуществлен синтез нептуния (Э.Макмиллан, ПАбельсон) и плутония (Г.Сиборг, А. Валь, Дж. Кеннеди, Э. Сегре), выделен чистый ²35U (Дж. Даннинг, А. Нир), доказано, что ^2:*5U делится медленными нейтронами (Ю.Бут, Дж. Даннинг, А. Гросс) и предсказана возможность протекания в системе с ураном и тяжёлой водой цепной ядерной реакции деления (X. Халбан, Л. Коварски). В 1944 г. предложена актинидная теория, играющая важную роль для систематики и предсказания свойств тяжёлых трансурановых элементов (Г.Сиборг). В 1946 г. осуществлен синтез 95-го и 96-го элементов — америция и кюрия (Г.Сиборг, Р. Джеймс, Л. Морган, А. Гиорсо), измерены константы деления урана (Дж. Шарф-Гольдхабер, Дж. Клайбер). В 1966 г. Л. Ледерман получил ядра антидейтерия, а в 1970 г. Ю. Прокошкин — ядра антигелия.

В 1940;1953 г. г. Г. Сиборг и др. синтезировали трансурановые элементы — плутоний, нептуний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий.

Начиная со второй половины 20-го века и до настоящего времени синтез тяжёлых элементов в мире вели и ведут три исследовательских центра: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все элементы, начиная с 93-го (нептуний) и до недавно открытого 117-го, были получены именно в этих лабораториях.

В 1987 г. Международные союзы чистой и прикладной химии (ШРАС) и физики (IUPAP) создали совместную международную комиссию, которая рассмотрела вопрос о приоритете в открытии новых элементов. В 2010 эта комиссия дала наименования новым элементам: элемент 104 назван резерфордием (Rf) в честь Э. Резерфорда; элемент 105 — дубнием (Db) в честь города в России, где был открыт этот и многие другие новые элементы; элемент юб — сиборгием (Sg) в честь американского физика и радиохимика Г. Сиборга, участвовавшего в выделении и синтезе многих новых элементов — от плутония до менделевия; элемент 107 — борием (Bh) в честь знаменитого датского физика Н. Бора; элемент 108 назван хассием (Hs) в честь земли Гессен в Германии, где находится крупнейший научноисследовательский центр по синтезу и изучению новых элементов; элемент 109 — майтнерием (Mt) в честь австрийской исследовательницы (физика и радиохимика) Лизе Майтнер, которая вместе с О. Ганом открыла элемент протактиний и сделала много других важнейших работ, способствовавших установлению строения атома; элемент по — дармштадтием (Ds) в честь города Дармштадта в Германии, где открыты многие новые искусственные элементы; элемент ш — рентгением (Rg) в честь В. Рентгена; элемент 112 — коперницием (Ср) в честь Н. Коперника. В первом десятилетии 21-го века были синтезированы элементы с номерами 113 (нихоний, Nh), 114 (флеровий, F1), 115 (московий, Мс), пб (Ливерморий, Lv), 117 (теннессин, Тс) и 118 (оганессон, Og).