Новите химични елементи и мечтата на алхимиците

Новите химични елементи и мечтата на алхимиците

Какво е

Новите химични елементи и мечтата на алхимиците

30-те години на нашия век бяха време, когато голям брой учени работеха върху изкуственото превръщане на химични елементи. Първите успешни експерименти от този род бяха направени от Ръдърфорд още в 1919 г. Той успя да превърне азота в кислород, осъществявайки по този начин първата изкуствена ядрена реакция.

5000 продукта от Knipex на склад

В началото на 30-те години Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, с помощта на ускорени алфа-частици, получиха голям брой радиоактивни изотопи. Почти по същото време Енрико Ферми съобщи за резултатите от бомбардирането на атоми с бавни неутрони. Попадайки в ядрото на атома, неутронът предизвиква алфа или бета-разпадане или просто се присъединява към другите неутрони. В зависимост от това се образуват различни елементи и изотопи. Италианският физик установи, че реакцията е по-успешна, ако неутроните са с по-малка скорост. Той намери начин да ги забавя, като пропускаше неутронния поток през вещества, богати на протони, като вода, парафин и други, и обясни теоретично този процес, който днес се нарича ефект на Ферми.

Нови химични елементи отвъд урана

Енрико Ферми и неговите сътрудници търсеха нови елементи отвъд урана. Отначало той дори мислеше, че е постигнал успех, и така интерпретираше резултатите от изследванията си. За щастие на човечеството той не успя веднага да разбере какво явление се наблюдаваше при неговите експерименти, иначе щяхме да имаме атомната бомба преди Втората световна война. За успехите в изследванията върху атомните превръщания Ферми получи Нобеловата награда по физика за 1938 г. Точно по това време в Берлин се правеха решаващите експерименти по разцепването на урановия атом.

Към 1937 г. немските физици Ото Хан и Лизе Майтнер също се насочиха към получаването на нови елементи. Отначало и те смятаха, че ще могат да обогатят периодичната таблица. В 1938 г. обаче Хан и неговият асистент-химик Щрасман най-неочаквано откриха сред продуктите, получени при бомбардирането на уран и торий с неутрони, елемента барий. Успоредно с тях във Франция Ирен Жолио-Кюри заедно с югославския физик Павле Савич намериха сред продуктите на ядрената реакция лантан — също елемент от средната част на периодичната таблица.

В началото на 1939 г. Ото Хан излезе с хипотезата, че ядрото на урана просто се разцепва на две под ударите на неутроните. Това бе огромна сензация в научния свят и пълен сюрприз за учените.

По-нататъшното изследване на разпадането на урана показа, че при този процес се отделя невероятно количество енергия. Почти едновременно и независимо един от друг Енрико Ферми, Фредерик Жолио и Лео Силард установиха, че при разпадането на урана се получават 2–3 нови неутрона. Ферми веднага се досети, че тук има възможност да се получи верижна, самоподдържаща се реакция на делене. Само три години по-късно той реализира своя замисъл, построявайки първия атомен реактор.

Първата самоподдържаща се верижна реакция

На 2 декември 1942 г. в Чикагския университет бе осъществена първата самоподдържаща се верижна реакция на делене на урана. Това е денят, в който хората овладяха атомната енергия. 12 години по-късно край град Обнинск в Съветския съюз заработи първата електростанция, която използваше топлина от атомен реактор. На 16 юли 1945 г. сред пустините на Ню Мексико бе взривена първата атомна бомба. Може да се каже, че тогава физиците изпуснаха злия дух от бутилката.

Работите по атомната бомба се извършваха в обстановка на пълна секретност и Нобеловият комитет по химия естествено нямаше никаква представа от тях, когато през 1944 г. награди Ото Хан, човека, който без да ще, се оказа на дъното на цялата работа. Немският учен, който разцепи урановия атом върху една скромна дървена лабораторна маса, отиде да си вземе наградата в Стокхолм една година по-късно, след като войната беше свършила и всички вече знаеха какво е това атомна енергия.

Всички тези открития бяха направени при опит да се получат трансуранови елементи. Експериментите на Ръдърфорд и другите пионери в тази област се правеха с естествени източници на заредени частици. Едва през 1932 г. английският физик Джон Кокрофт и ирландецът Ърнест Уолтън успяха да използват създадения от тях каскаден генератор за изкуствено ускоряване на заредени частици. Поле с напрежение 700 000 волта придаваше на частиците достатъчна енергия, за да проникнат в ядрата на леките елементи и да започнат ядрени реакции. Но възможностите на тази техника бяха ограничени, въпреки че тя бе голямо постижение на инженерното изкуство. Необходима бе принципно нова идея.

Нова идея в Калифорнийския университет

Тази нова идея възникна в 1929 г. в Калифорнийския университет в град Бъркли, където работеше Ърнест Орландо Лорънс. Той предложи заредените частици да се ускоряват постепенно с повтарящи се електрически импулси. Частиците се движат по спирала между полюсите на голям електромагнит, чието поле непрекъснато се променя в синхрон с тяхното движение. Първият апарат от този род, построен в 1931 г., даваше потенциал от 10 милиона волта, или 15 пъти повече от машината на Уолтън и Кокрофт. Напрежението в самата инсталация бе само няколкостотин хиляди волта.

Почти едновременно с Лорънс шведският физик Исинг също стигна до идеята за ускоряване на частиците с повтарящи се импулси, предлагайки обаче те да се движат по права линия. От този замисъл се развиха линейните ускорители.

Този случай показва, че почти във всички открития участниците с голям принос са повече от един. Нобеловата награда е обаче индивидуална. Може би ще бъде по-правилно да смятаме, че награждаването на един учен в определена година е символично признание за усилията на цял „невидим колектив“ от изследователи, повечето от които остават неизвестни за широката публика.

Нова епоха в ядрената физика

Циклотронът на Лорънс откри нова епоха в ядрената физика. След усъвършенствуванията, които направиха съветският физик Владимир Векслер и американецът Ъруин Макмилън, този апарат получи нови възможности и засега единствените ограничения, които стоят пред него, са финансовите. Днес в света има гигантски ускорители, в които частиците получават енергия от порядъка на милиарди електронволта. Построяването на още по-мощни ускорители е само въпрос на време.

За голямото си откритие Лорънс бе удостоен с Нобеловата награда за физика през 1939 г. Кокрофт и Уолтън също станаха Нобелови лауреати по физика в 1951 г. С техния каскаден ускорител бяха осъществени превръщания на редица атоми на леки елементи. През май 1940 г. Ъруин Макмилън и неговият млад асистент Филип Абелсън облъчиха уранови атоми с циклотрона на Лорънс.

Химическият анализ на бомбардираната мишена показа наличието на неизвестен елемент. Той получи названието нептуний по името на планетата Нептун, която в Слънчевата система се намира отвъд планетата Уран. В периодичната таблица новият елемент бе записан под №93. Едновременно с тях Ото Хан и Лизе Майтнер също получиха нептуний, но в твърде малки количества, за да могат да го изследват химически. До края на годината Макмилън заедно с Глен Сийборг откри и елемент №94. По същата логика на назоваване, той бе наречен плутоний. Изследванията на новия елемент показаха, че той реагира с бавните неутрони подобно на урана и може да се използва като ядрено гориво.

Модерна алхимия, която създава нови елементи

Тази модерна алхимия, която създаваше нови елементи, се хареса на Глен Сийборг и той с увлечение продължи изследванията. Не след дълго бе създадена ултрамикрохимична техника за анализ на веществата, които се получаваха в нищожни количества. В 1942 г. Сийборг доразви идеята на Макмилън, че трансураните образуват група, подобна на т.нар. редкоземни елементи от групата на лантана. Новото семейство елементи се оказа в групата на актиния. Сходството между актинидите и лантанидите бе още едно блестящо потвърждение на периодичната таблица на химичните елементи.

С участието на Сийборг бяха синтезирани редица трансуранови елементи. В 1951 г. той и Макмилън ставаха Нобелови лауреати по химия, загдето бяха разширили периодичната таблица. Сийборг продължи активната си изследователска дейност и след това. Последният елемент, в чието синтезиране той взе активно участие, бе №101, менделеевий, получен в 1955 г.

Впоследствие групата на трансураните се увеличи. Бяха създадени №102 — нобелий, 103 — лоренсий и 104 — курчатовий. От известно време този дял на радиохимията е в застой. Но учените не губят надежда, че ще бъдат синтезирани и други елементи и някъде около №114 ще бъде намерен остров на стабилността.