Полоний,
Торий, Нептуний, Америций, Калифорний. |
Полоний
- металл легкоплавкий и сравнительно низкокипящий; температуры его плавления и
кипения соответственно 254 и 962 °С.
Чистый полоний
- металл серебристо-белого цвета - существует в двух аллотропных модификациях.
Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую решетку, а другой
- высокотемпературной - ромбическую. Фазовый переход из одной формы в другую происходит
при 36 °С, однако при комнатной температуре полоний находится в высокотемпературной
форме. Его подогревает собственное излучение.
По
внешнему виду полоний похож на любой самый обыкновенный металл. По легкоплавкости
- на свинец и висмут. По электрохимическим свойствам - на благородные металлы.
По оптическому и рентгеновскому спектрам - только на самого себя. А по поведению
в растворах - на все другие радиоактивные элементы: благодаря ионизирующему излучению
в растворах, содержащий полоний, постоянно образуются и разлагаются озон и перекись
водорода.
По химическим свойствам полоний - прямой
аналог серы, селена и теллура. Он проявляет валентности 2-, 2+, 4+, 6+, что естественно
для элемента этой группы. Известны и достаточно хорошо изучены многочисленные
соединения полония, начиная от простого окисла PoO2,
растворимого в воде, и кончая сложными комплексными соединениями. Его плотность
- 9.4 - чуть меньше, чем у свинца.
Все
радиоактивные элементы и изотопы, как известно, объединяются в семейства: распадаясь,
ядро радиоактивного атома превращается в атомное ядро другого, дочернего элемента.
Все элементы радиоактивных семейств находятся между собой в определенном равновесии.
В урановых рудах равновесное отношение урана к полонию составляет 1.9x1010.
Это означает, что в урановых минералах полония почти в двадцать миллиардов раз
меньше, чем урана. Получить его из руды действительно сложно, но есть другой путь
- синтез.
Сегодня полоний получают двумя способами,
причем исходным сырьем в обоих случаях висмут-209. В атомных реакторах его облучают
потоками нейтронов, и тогда по сравнительно несложной цепочке ядерных превращений
образуется самый важный сегодня изотоп - полоний-210:
Bi209
+ n -> Bi210 -> Po210.
А если тот же изотоп висмута поместить в другую важнейшую машину ядерного
синтеза - циклотрон и там обстрелять потоками протонов, то по реакции
Bi209
+ p -> Po209 + n
образуется самый
долгоживущий изотоп полония.
Первая реакция важнее:
полоний-210 гораздо более интересный для техники изотоп, чем полоний-209. К тому
же по второй реакции одновременно образуется свинец-209 - одна из самых трудноудаляемых
примесей к полонию.
При работе с полонием
приходится соблюдать особую осторожность. Пожалуй, это один из самых опасных радиоэлементов.
Его активность настолько велика, что, хотя он излучает только альфа-частицы, брать
его руками нельзя, результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего
организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Элемент
№84 опасен и на расстоянии, превышающим длину пробега альфа-частиц. Он способен
быстро переходить в аэрозольное состояние и заражать воздух. Поэтому работают
с полонием лишь в герметичных боксах.
Всего
известны 27 изотопов полония с массовыми числами от 192 до 218. Это один из самых
многоизотопных, если можно так выразиться, элементов. Период полураспада самого
долгоживущего изотопа - полония-209 - 103 года. Поэтому, естественно, в земной
коре есть только радиогенный полоний, и его там исключительно мало - 2x10-14%.
Наиболее важный изотоп полоний-210 - чистый альфа-излучатель. Испускаемые им частицы
тормозятся в металле и, пробегая в нем всего несколько микрон, растрачивают при
этом свою энергию. Энергия альфа-частиц полония превращается в тепло, которое
можно использовать, скажем, для обогрева и которое не так уж сложно превратить
в электричество.
Эту энергию уже используют и на
Земле, и в космосе. Изотоп Po210 применен
в энергетических установках некоторых искусственных спутников. Чистые альфа-излучатели,
и полоний-210 в первую очередь, имеют перед другими источниками излучения несколько
очевидных преимуществ. Во-первых, альфа-частица достаточно массивна и, следовательно,
несет много энергии. Во-вторых, такие излучатели практически не требуют специальных
мер защиты: проникающая способность и длина пробега альфа-частицы минимальны.
В принципе для работы на космических станциях в качестве
источников энергии приемлимы плутоний-238, полоний-210, стронций-90, церий-144
и кюрий-244. Но у полония-210 есть важное преимущество перед остальными изотопами-конкурентами
- самая высокая удельная мощность, 1210 вт/см3.
Он выделяет так много тепловой энергии, что это тепло способно расплавить образец.
Чтобы этого не случилось, полоний помещают в свинцовую матрицу. Образующийся сплав
полония и свинца имеет температуру плавления около 600 °С - намного больше, чем
у каждого из составляющих металлов. Мощность, правда, при этом уменьшается, но
она остается достаточно большой - около 150 вт/см3.
Радиоактивный изотоп полоний-210 служил топливом
"печки", установленной на "Луноходе-2". Лунные ночи очень долги и холодны. В течении
14.5 земных суток луноход находился при температуре ниже -130 °С. Но в приборном
контейнере все это время должна была сохраняться температура, приемлемая для научной
аппаратуры.
Полониевый источник тепла был размещен
вне приборного контейнера. Полоний излучал тепло непрерывно; но только тогда,
когда температура в приборном отсеке опускалась ниже необходимого предела, газ-теплоноситель,
подогреваемый полонием, начинал поступать в контейнер. В остальное время избыточное
тепло рассеивалось в космическое пространство.
Есть,
правда, у полония-210 и ограничение. Относительно малый период его полураспада
- всего 138 дней - ставит естественный предел срока службы радиоизотопных источников
с полонием.
Подобные же устройства работают и на
земле. Кроме них важны полоний-бериллиевые и полоний-борные источники нейтронов.
Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210
керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Поток нейтронов из
ядер атома бора или бериллия порождают альфа-частицы, испускаемые полонием.
Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно
безопасны в работе и очень надежны. Латунная ампула диаметром два и высотой четыре
сантиметра ежесекундно дает до 90 миллионов нейтронов. Выдающегося шведского ученого Йенса
Якоба Берцелиуса справедливо называли некоронованным королем химиков первой половины
XIX столетия. Человек энциклопедических знаний и превосходный аналитик, Берцелиус
работал очень плодотворно и почти никогда не ошибался. В его лаборатории были
определены атомные веса большинства известных тогда элементов (около 50), выделены
в свободном состоянии церий и кальций, стронций и барий, кремний и цирконий, открыты
селен и торий.
В 1815 году, анализируя редкий минерал,
найденный в округе Фалюн (Швеция), Берцелиус обнаружил в нем окись нового элемента.
Этот элемент был назван торием в честь всемогущего скандинавского божества Тора.
Прошло десять лет, прежде чем Берцелиус обнаружил
ошибку: вещество, которое он считал окисью тория, на самом деле оказалось фосфатом
уже известного иттрия.
Еще через три года, в 1828
году, Берцелиусу прислали еще один редкий минерал, который теперь называют торитом
(ThSiO4). Торит содержит до 77% окиси
тория ThO2. Обнаружить столь явный компонент
Берцелиусу не составило особого труда. Исследовав выделенную землю, Берцелиус
убедился, что это окись нового элемента, к которому и перешло название "торий".
Получить чистый металлический торий Берцелиусу не
удалось. Правда, он восстановил калием фтористые соединения нового элемента и
получил серый металлический порошок, сильно загрязненный примесями. Чистый препарат
тория был получен лишь в 1882 году другим известным шведским химиком - первооткрывателем
скандия Ларсом Фредериком Нильсоном.
Радиоактивность
тория была открыта в 1898 году независимо друг от друга и практически одновременно
Марией Склодовская-Кюри и Гербертом Шмидтом.
Торий
- серебристо-белый блестящий металл, стойкий к окислению в чистом виде, но обычно
медленно тускнеющий до темного цвета с течением времени. Торий медленно разрушается
водой, но плохо растворяется в основных кислотах, за исключением соляной. Он малорастворим
в серной и азотной кислотах. Порошок металлического тория пирофорен поэтому обращаться
с ним нужно с осторожностью. При нагреве в воздухе он загорается и горит ярким
белым светом. Чистый торий - мягкий, очень гибкий и ковкий, с ним можно работать
непосредственно (холодный прокат, горячая штамповка и т.п.), однако его протяжка
затруднительна из-за низкого предела прочности на разрыв. Содержание оксида сильно
затрагивает механические свойства тория; даже чистые образцы тория обычно содержат
несколько десятых процента оксида тория. При сильном нагреве он взаимодействует
с галогенами, серой и азотом.
Основные
свойства тория:
плотность: 11.72
температура
плавления: 1750 C
температура кипения: 4790 C
Окись тория является довольно тугоплавкой субстанцией
- ее температура плавления 3300 °С - самая высокая из всех оксидов и выше большинства
других материалов, за несколькими исключениями. Это свойство когда-то рассматривалось
для основного коммерческого использования тория как огнеупорной керамики - в основном
в керамических деталях, огнеупорных литьевых формах и тиглях. Но, выдерживая высочайшие
температуры, окись тория частично растворяется во многих жидких металлах и загрязняет
их. Самое широкое применение окиси было в производстве газокалильных сеток для
газовых фонарей.
Сейчас торий используется для добавки
в многокомпонентные сплавы на основе магния. Торий заметно повышает прочность
и жаростойкость этих легких сплавов. Так же торий применяется и как катализатор
- в процессах органического синтеза и крекинга нефти и при синтезе жидкого топлива
из каменного угля.
Элементом особой важности, стратегическим
металлом торий стал лишь после второй мировой войны.
Как
и всякий четно-четный изотоп (четное число протонов и нейтронов), торий-232 не
способен делиться тепловыми нейтронами. Но под действием тех же нейтронов с торием
происходит вот что:
Th232 + n ->
Th233 -> Pa233
-> U233
А U233
- отличное ядерное горючее, поддерживающее цепное деление и имеющее некоторое
преимущество: при делении его ядер выделяется больше нейтронов. Каждый нейтрон,
поглощенный ядром плутония-239 или урана-235, дает 2.03-2.08 новых нейтронов,
а уран-233 - намного больше - 2.37.
Применение тория
в качестве ядерного горючего затруднено прежде всего тем, что в побочных реакциях
образуются изотопы с высокой активностью. Главный из таких загрязнителей - уран-232
- альфа- и гамма-излучатель с периодом полураспада 73.6 года. Его использованию
препятствует и то обстоятельство, что торий дороже урана. Уран легче выделить.
Некоторые урановые минералы (уранит, урановая смолка) - это простые окислы урана.
У тория таких. простых минералов (имеющих промышленное значение) нет. А попутное
выделение из редкоземельных минералов осложнено сходством тория с элементами семейства
лантана.
Главная проблема получения делящегося материала
из тория состоит в том, что он изначально не присутствует в реальном реакторном
топливе, в отличие от U-238. Для использования ториевого воспроизводства высокообогащенный
делящийся материал (U-235, U-233, Pu-239) должен использоваться в качестве топлива
реактора с включениями тория по большей части только для возможности воспроизводства
(т.е. не происходит или происходит незначительное выделение энергии, хотя сгорание
U-233, полученного на месте, может внести вклад в выделение энергии). С другой
стороны, тепловые бридерные реакторы (на медленных нейтронов) способны использовать
U-233/торий цикл воспроизводства, особенно если в качестве замедлителя использовать
тяжелую воду.
В 1997 году базисная цена на оксид
тория составляла 65.55$ за килограмм, 82.50$ за 99.9% чистоту и 107.25$ за килограмм
металлического тория 99.99% чистоты.
Производство
тория. Уже упоминавшийся минерал торит очень богат торием, но редок, так же как
и другой богатый ториевый минерал - торианит (Th, U)O2,
содержащий от 45 до 93% ThO2.
Однако
еще в конце XIX века при участии Ауэра фон Вельсбаха на Атлантическом побережье
Бразилии были начаты разработки монацитовых песков. В общем виде формулу этого
минерала обычно пишут так: (Ce, Th)PO4,
но он содержит кроме церия еще и лантан, и празеодим, и неодим и другие редкие
земли. А кроме тория - уран.
Тория в монаците, как
правило, содержится от 2.5 до 12%. Богатые монацитовые россыпи помимо Бразилии
есть в Индии, США, Австралии, Малайзии. Известны и жильные месторождения этого
минерала - на юге Африки.
Считать торий очень уж
редким металлом было бы неправильно. В земной коре его 8x10-4%,
примерно столько же, сколько свинца. Но ториевое сырье - это всегда сырье комплексное.
Известны 12 изотопов, однако природный
торий состоит целиком из одного изотопа - Th-232. Период полураспада этого изотопа
- 1.405x1010 лет, вид распада - альфа-распад.
Его удельная радиоактивность 0.109 микрокюри/г. Распад тория приводит к образованию
радиоактивного газа радон-220, который представляет опасность при вдыхании.
Пять остальных изотопов тория образуются в процессах распада
U-238, U-235 и Th-232. Это Th-227 (период полураспада 18.72 дней), Th-228 (1.9116
года), Th-230 (75.380 лет), Th-231 (1.063 дня) и Th-234 (24.1 дня). Все эти изотопы,
за исключением Th-228, производятся в последовательности распада урана, концентрация
их в природном тории зависит от относительного содержания урана и возможного химического
выщелачивания промежуточных звеньев - протактиния и актиния. Для практических
применений, единственными изотопами, присутствующими в заметных количествах в
очищенном тории - Th-228 и Th-230, т.к. остальные имеют очень короткий период
полураспада, и Th-228 распадается после нескольких лет хранения. Нептуний - первый открытый трансурановый
элемент и первый очищенный искусственный трансуран. Хотя следы присутствия нептуния
были найдены и в природе, он открыт Эдвином Макмилланом и Филипом Эйбельсоном
в мае 1940 года в Беркли, Калифорния. В распоряжении ученых была мощная по тем
временам ядерная машина - циклотрон Калифорнийского университета. Ускоренный в
циклотроне пучок дейтронов падал на бериллиевую пластину. В столкновениях дейтронов
с ядрами бериллия рождался сильный поток нейтронов, которые и бомбардировали урановую
мишень. Ядра нового элемента Макмиллан предложил назвать Нептунием, по аналогии
с солнечной системой, в которой за планетой Уран следует Нептун.
Так
же как и следующий элемент, плутоний, нептуний был найден в следовых количествах
в урановых рудах, где он получается благодаря захвату ураном нейтрона спонтанного
деления.
Существуют три природных радиоактивных
семейства - тория-232, урана-235 и урана-238. В наши дни воссоздан четвертый радиоактивный
ряд - семейство нептуния-237. Помимо "искусственности" это семейство отличают
еще две особенности: во-первых, в нем нет изотопов радона и, во-вторых, конечный
продукт распада в этом случае не изотоп свинца, а висмут-209:
Np237
альфа-распад -> Pa233
Pa233
бета-распад -> U233
U233
альфа-распад -> Th229
Th229
альфа-распад -> Ra225
Ra225
бета-распад -> Ac225
Ac225
альфа-распад -> Fr221
Fr221
альфа-распад -> At217
At217
альфа-распад -> Bi213
Bi213 альфа-распад -> Tl209
Tl209 бета-распад -> Pb209
Bi213 бета-распад -> Po213
Po213 альфа-распад -> Pb209
Pb209 бета-распад -> Bi209.
Самый долгоживущий изотоп элемента №93 рождается
в интересной ядерной реакции: быстрый нейтрон поражает ядерное ядро и захватывается
им. Образовавшееся сочетание оказывается неустойчивым и в некоторых случаях разваливается
на два осколка, а иногда из него вылетают один за другим два нейтрона и уносят
избыток энергии. Продукт ядерной реакции - уран-237 - неустойчив: испустив бета-частицу,
он переходит в нептуний-237. Np237 изотоп
с малой удельной активностью, его период полураспада 2.2 миллиона лет. Благодаря
этому процессу в реакторах накапливаются килограммы нептуния:
U235
+ n -> U236
U236
+ n -> U237
U237
-> (6.8 дней, бета) -> Np237.
Это
отнюдь не бесполезные килограммы. Нептуний-237 - прекрасный стартовый материал
для накопления плутония-238 - ценного топлива ядерных космических батарей и других
деликатных устройств вроде стимулятора сердечной деятельности или искусственного
сердца.
Хорошо изучены ядерные характеристики одиннадцати
изотопов нептуния - от 231-го до 241-го. Изотопы с большими массовыми числами,
вплоть до нептуния-257, образуются при взрыве водородной бомбы. Об этом свидетельствует
появление в продуктах ядерного взрыва атомов фермия.
Нептуний
- серебристый металл с плотностью 20.45 (Np-237, 25 °C), нептуний пятый по плотности
элемент. Он имеет по крайней мере три аллотропные формы - альфа-форма самая плотная
(стабильна ниже 280 °C, ромбическая, плотность 20.45 при 25 °C), бета (выше 280
°C, тетрагональная, плотность 19.36 при 313 °C) и гамма (выше 577 °C, кубическая,
плотность 18.0 при 600 °C). Температура плавления - 637 °C, температура кипения
оценивается в 5235 °C. Нептуний - пятый член ряда актиноидов. Он химически активен
и сходен с ураном со степенями окисления от +3 до +7 (III-VII). Чистый метал получают
восстановлением NpF3 парами бария или
лития при температуре около 1200 °C. Разные ионы нептуния по-разному окрашивают
растворы: Np3+ - в голубой или пурпурный
цвет, Np4+ - в желто-зеленый, NpO2+-
в голубовато-зеленый, NpO2+2
- в розовый или красный.
Нептуний-237
материал способный к цепному ядерному делению. По опубликованным оценкам критическая
масса Np237 - 90 кг (диапазон оценок
75-105 кг). Он обладает очень низким уровнем спонтанного деления, менее 0.05 делений/с-кг.
Высокое значение критической массы (почти удвоенное по отношению к обогащенному
урану-235) и высокая стоимость производства делают его непривлекательным для оружейного
использования. Определенное количество Np-237 обычно образуется из захвата нейтронов
U-235. Типичный энергетический реактор способен дать около 0.4 кг Np-237 на тонну
горючего. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах могут произвести значительно большее
количество. Америций
(атомный номер 95) четвертый синтезированный трансурановый элемент (кюрий, элемент
№96, был открыт несколькими месяцами ранее). Он был идентифицирован Гленном Т.
Сиборгом, А. Гиорсо, Р. Джеймсом и Л. Морганом в 1944 году в результате облучения
изотопов плутония нейтронами в реакторе как Am-241. Амерций был так же получен
Сиборгом путем бомбардировки Pu-234 альфа-частицами.
Америций
- металл серебристо-белого цвета, тягучий и ковкий. Больше всего он похож на металлы
редкоземельного семейства. Америций медленно тускнеет в сухом воздухе при комнатной
температуре. Имеет две аллотропные формы. В низкотемпературной форме обладает
двойной плотно упакованной шестиугольной структурой, плотность 13.67, которая
при 1074 °С преобразуется в гранецентрированную кубическую. Температура плавления
- 1175 °С.
Америций имеет валентности 2, 3, 4, 5
и 6, в водных растворах кислот со следующими катионами: Am3+, Am4+; в высших степенях
окисления америций входит в состав катиона в форме кислородосодержащего "ил"-иона:
(AmO2)+,
если америций пятивалентен, и (AmO2)+2,
если он шестивалентен. Трехвалентный америций наиболее распространен в водных
растворах и его состояние очень сходно с остальными актиноидными и лантаноидными
элементами. Четырехвалентный америций известен только в твердом состоянии. Америций
реагирует с кислородом образуя диоксид AmO2
и с водородом образуя гидрид AmH2. Диоксид
америция получается при прокаливании большинства трехвалентных составов, AmF4
производят фторированием диоксида или трифторида.
У
пятивалентного америция обнаружено одно очень интересное химическое свойство -
способность к диспропорционированию. Это значит, что для химического взаимодействия
в кислых растворах ему не нужны партнеры-реагенты. Окислительно-восстановительная
реакция идет между ионами пятивалентного америция: один из них присоединяет два
электрона, облагая данью двух соседей. В системе появляется ион америция (III)
и два иона америция (VI). Причиной этого необычного явлениясчитают аномальную
разницу окислительно-восстановительных потенциалов пар Am (III) - Am (VI) и Am
(III) - Am (V). Подобным же образом ведет себя и четырехвалентный америций.
Самый долгоживущий изотоп америция - Am243,
он живет 8 000 лет и используется пока для радиохимических исследований и накопления
более отдаленных трансуранов, вплоть до фермия.
Значительно
многообразние применение самого первого изотопа америция - Am241.
Этот изотоп, распадаясь, испускает альфа-частицы и мягкие (60 кэВ) гамма-лучи
(энергия жестких гамма-квантов, испускаемых кобальтом-60 - несколько МэВ). Защита
от мягкого излучения Am-241 сравнительно проста и немассивна: вполне достаточно
сантиметрового слоя свинца. Am-241 имеет период полураспада 433 года. В промышленности
используются различные контрольно-измерительные и исследовательские приборы с
америцием-241. В частности, такими приборами пользуются для непрерывного измерения
толщины стальной (от 0.5 до 3 мм) и алюминиевой (до 50 мм) ленты, а также листового
стекла. Аппаратуру с америцием-241 используют и для снятия электростатических
зарядов в промышленности с пластмасс, синтетических пленок и бумаги. Он находится
и внутри некоторых детекторов дыма (~0.26 микрограмма на детектор).
Am-241 сейчас получают в промышленном количестве при распаде
Pu-241: Pu-241 -> (13.2 года, бета) -> Am-241.
Так
как Pu-241 обычно присутствует в только что выработанном оружейном плутонии, Am-241
накапливается в веществе с распадом Pu-241. В связи с этим, он играет важную роль
в старении оружия. Свежеизготовленный оружейный плутоний содержит 0.5-1.0% Pu-241,
реакторный плутоний имеет от 5-15% до 25% Pu-241. Через несколько десятилетий
почти весь Pu-241 распадется в Am-241. Энергетика альфа-распада Am-241 и относительно
короткое время жизни создают высокую удельную радиоактивность и тепловой выход.
Большая часть альфа- и гамма-активности старого оружейного плутония обусловливается
Am-241.
На сентябрь 1998 года цена изотопного
отделения Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) на америций была такова:
$728 за грамм америция-241 и $180.25 за миллиграмм америция-243. В 1952 году среди новых ядер, извлеченных
из продуктов термоядерного испытания Ivy
Mike, был обнаружен удивительный изотоп калифорний-254. Удивительный
потому, что главным видом его распада оказалось спонтанное деление. Прежде подобные
ядра в таблице изотопов не встречались. У спонтанно делящихся предшественников
калифорния самопроизвольное деление составляло мизерную долю от полного числа
актов распада. Так, на несколько миллионов актов распада U-238 приходится только
один спонтанный распад. Да и у изотопов более тяжелых элементов, таких как плутоний
и кюрий, спонтанное деление - событие необыкновенно редкое по сравнению с другими
видами ядерных превращений.
Удивительной оказалась
и энергетика этого изотопа. Удельную мощность калифорниевого источника трудно
назвать иначе, как гигантской, - 10 000 квт/кг!
В
1950 году известные американские ученые Стэнли Томпсон, Генри Стрит, Альберт Гиорсо
и Гленн Сиборг поместили в поток быстрых гелиевых ядер микрограммовую мишень из
кюрия-242, пожалуй самого неподходящего для этой цели изотопа элемента №96. У
кюрия-242 очень высокая удельная активность, и работать даже с микрограммовыми
количествами подобного вещества весьма неприятно. Да и выход 98-го элемента в
реакции кюрий+альфа-частица ожидался мизерным. Слишком мало нейтронов в ядре Cm-242,
а это всегда ведет к уменьшению КПД реакции: при недостатке ядерных нейтронов
шансы на образование новых элементов заметно уменьшаются. Но другого пути не было.
В 1950 году увеличить атомный номер облучаемого элемента более чем на два еще
не могли: самыми тяжелыми ядерными снарядами тогда были ядра гелия, альфа-частицы.
Опыты проводились на 60-дюймовом циклотроне в Беркли с энергией ионов 35 МэВ.
Новый элемент родился в реакции:
Cm242
+ He4 -> 98245
+ n.
Получили всего несколько тысяч атомов. Их нужно было отделить от кюрия-242,
активность которого достигала 1011 распадов
в минуту; столько же альфа-частиц рождается в куске урана весом в несколько десятков
килограммов.
По предварительным оценкам (основанных
на систематике свойств изотопов трансурановых элементов) ожидали, что период полураспада
нового изотопа будет около одного часа. Кюриевую мишень растворили, раствор пустили
в хроматографическую колонку с катионообменной смолой Дауэкс-50 и стали промывать
смолу элюентом - альфа-оксиизобутиратом аммония.
Адсорбированные
смолой атомы переходили в элюент и вместе с ним просачивались сквозь смолу. Ожидаемый
порядок выхода актиноидов определили заранее, в опытах с лантаноидами. Элемент
№98 - аналог диспрозия - вышел из колонки вовремя. Его исследовали: период полураспада
98245 оказался равным 44 минутам. Новый
элемент был назван калифорнием.
Известные
изотопы калифорния: Изотоп Атомная масса Период полураспада
Вид распада Cf-242 242.06372 3.3 мин. альфа в Cm-238 Cf-243 243.065 11 мин. альфа
в Cm-239 Cf-244 244.06599 20 мин. альфа в Cm-240 Cf-245 245.06807 44 мин. альфа
в Cm-241 Cf-246 246.06884 36 час. альфа в Cm-242; самопроизв. (0.2%) Cf-247 247.0712
3.11 час. захват электрона в Bk-247 (99.97%) Cf-248 248.07218 334 дн. альфа в
Cm-244; самопроизв. (0.013%) Cf-249 249.07485 351 г. альфа в Cm-245; самопроизв.
(5.2E-7%) Cf-250 250.07640 13.1 г. альфа в Cm-246; самопроизв. (0.079%) Cf-251
251.079580 898 г. альфа в Cm-247 Cf-252 252.08162 2.64 г. альфа в Cm-248; самопроизв.
(3.08%) Cf-253 253.08513 17.8 дн. альфа в Cm-249; бета в Es-253 Cf-254 254.08732
60.5 дн. самопроизв. (> 99%); альфа в Cm-250 (< 1%) Cf-255 255.0910 1.4 час. бета
в Es-255 Получить весовые количества калифорния
в ядерных реакциях с заряженными частицами - задача практически невыполнимая:
слишком мал выход этого элемента при слиянии двух атомных ядер. Поэтому калифорний
сегодня получают, облучая тяжелые изотопы плутония и кюрия в нейтронных потоках
мощных ядерных реакторов, построенных специально для производства трансуранов.
Иначе, в обычном котле, накопление калифорния будет происходить слишком медленно.
Потребуется десятки лет, чтобы плутоний или кюрий превратились в элемент №98.
На пути плутоний-калифорний в осколки превращаются
9 999 ядер из 10 000. В конечном итоге на один грамм калифорния затрачивается
10 килограммов плутония-239. И все же потери в реакторе в тысячи раз меньше потерь
при синтезе калифорния в пучке ускоренных ядер. Изотоп Cf-252 по существу замыкает
цепочку плутоний-калифорний. Это ядро слабо взаимодействует с нейтронами, его
очень трудно превратить в еще более тяжелые изотопы. Калифорний-252 становится
как бы естественным "тупиком" в реакторной цепи превращений плутония. Поэтому
в тупике и скапливаются в основном ядра изотопа Cf252,
а более легкие изотопы - Cf249, Cf250,
Cf251 - получаются в гораздо меньших
количествах, хотя и стоят в передыдущих звеньях цепи превращений.
На
пути от плутония до калифорния 99.7% всех ядер распадается, и лишь 0.3% пройдут
всю цепочку превращений.
Лучше всего изучен
и наиболее широко используется изотоп калифорния Cf-252. Калифорний-252 оказался
незаменимо полезен для многих физических исследований. Хотя основной вид его распада
- альфа-распад, интенсивность параллельного спонтанного деления достаточно велика
(3.08%). Микрограмм калифорния-252 в еденицу времени дает столько же ядер-осколков,
сколько микрограмм урана при интенсивном облучении нейтронами в ядерном реакторе.
Поэтому его применяют для изучения осколков деления.
Главное
применение калифорния - изготовление мощных и чрезвычайно компактных источников
нейтронов. Грамм калифорния-252 испускает около 3x1012
нейтронов в секунду. Он нашел применение в качестве пусковых источников нейтронов
для ядерных реакторов, нейтронного картонажа (определении нефтяных пластов по
характеру отражения нейтронов средой).
Калифорний
получил известность за свою чрезвычайно малую критическую массу, якобы в "диапазоне
грамм", создавая множество спекуляций по поводу возможности создания "карманных"
ядерных бомб.
Так же как и у других трансурановых
элементов, нечетные изотопы деляться тепловыми нейтронами и имеют наиболее подходящие
свойства деления. Только два изотопа подходящие кандидаты на роль делящегося вещества
- долгоживущие Cf-249 и Cf-251. Расхожее представление о калифорнии как об оружейном
материале обычно сосредотачиваются на Cf-252, вследствии его чрезвычайной нейтронной
излучательной способности. Так, число вторичных нейтронов при спонтанном делении
у Cf-252 очень велико: в среднем на акт деления приходится 3.82 нейтрона. Известно,
что даже незначительная прибавка к числу вторичных нейтронов сильно влияет на
критическую массу делящегося вещества, уменьшает ее. Однако относительно маленький
период полураспада калифорния-252, интенсивное и проникающее нейтронное излучение,
высокая тепловая мощность делают его достаточно непригодным для оружейного использования.
К тому же, даже на десяток граммов калифорния придется переработать 100 кг плутония,
а это очень много...
На сентябрь 1998 года цена изотопного
отделения Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) на калифорний была такова:
$180.25 за микрограмм калифорния-249 и $56.00 за микрограмм калифорния-252.
"Популярная библиотека химических элементов. Радиоактивные элементы Po-(Ns)-...",
М. Наука, 1974
На основе материалов The
High Energy Weapons Archive |