Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин

93. Нептуний

Тем, кто хоть немного осведомлен об атомной энергетике, известны элементы уран и плутоний, названные в честь седьмой и девятой планет Солнечной системы (плутоний был открыт задолго до 2006 года, когда Плутон потерял статус планеты и полноценных планет у нас в системе осталось восемь). Восьмая планета Солнечной системы — планета, располагающаяся между небесными телами Уран и Плутон — планета Нептун, а между ураном и плутонием в клетке с номером 93 находится нептуний.

В июне 1940 года американские физики Эдвин МакМиллан и Филип Абельсон, работавшие в Радиационной лаборатории в Беркли, опубликовали статью, описывающие процессы, протекающие при бомбардировке урана нейтронами в циклотроне. Удивительно, но опубликованная в открытой печати статья учёных из Беркли говорила о том, как преодолеть главные препятствия на пути к созданию атомного оружия. Статья была опубликована, когда «урановую бомбу» пытались создать по обе стороны Атлантического океана.

В опубликованной статье описывалось, что при поглощении нуклидом 238U медленного нейтрона в реакторе приводило к образованию неустойчивого 239U. Последний разрушался по схеме β-распада — превращению нейтрона в пару протон-электрон, в результате которого электрон (исторически сложилось так, что в данном контексте электрон называют β-частицей). Результатом реакции, обнаруженной МакМилланом и Абельсоном, являлось образование нового элемента, который ранее не наблюдался в природе — он и получил название «нептуний». При этом 239Np тоже неустойчив и подвергается очередному этапу β-распада, в результате чего образуется ядро плутония 239Pu. Плутоний стал материалом для одной из первых в истории атомной бомбы.

Элемент, получившийся в результате экспериментов МакМиллана и Абельсона на самом деле был уже третьей попыткой назвать элемент нептунием. В 1877 году немецкий химик Ганс Рудольф Герман посчитал, что обнаружил в руде танталите новый элемент и назвал его нептунием. В 1886 году еще один немецкий химик Клеменс Винклер, открыв то, что мы сейчас называем германием, первоначально хотел назвать этот элемент нептунием, но, тогда еще не было понятно, что Герман ошибся и название было занято. К 1940 году стало понятно, что Герман ошибся, название вновь высвободилось, и нептуний занял свое окончательное место в Периодической системе.

Нептуний, как и его соседи по семейству актиноидов — серебристый металл. Наиболее устойчив нуклид нептуния 237Np, его период полураспада больше двух миллионов лет, и именно этот тип нептуния образуется в результате «горения» топлива в атомных электростанциях. Получившийся в экспериментах МакМиллана и Абельсона 237Np характеризовался периодом полураспада чуть более двух суток.

Хотя долгоживущий нептуний впервые был обнаружен был впервые обнаружен только в отработанном топливе ядерных реакторов, этот элемент может в незначительных количествах образовываться и в земной коре в процессах, аналогичных, протекающих в реакторах — уран 238U захватывает нейтрон, образовавшийся при распаде другого атома урана, превращается в 239U, который затем за счет β-распада переходит в 239Np, однако основной вклад в образование нептуния вокруг нас вносят другие процессы, и мы гипотетически можем обнаружить нептуний в офисе или даже дома.

Многие датчики задымления, которые обязательном порядке должны монтироваться в присутственных местах, а по желанию и в жилых помещениях, для ионизации воздуха в рабочей камере детектора используют α-частицы, образующиеся при распаде америция 241Am, в результате которого этот элемент медленно превращается в нептуний. Правда, период полураспада 241Am составляет 432 года, и за время эксплуатации детектора нептуний образуется в крайне незначительных количествах.

Практических применений нептуния очень мало — получение плутония и устройства для детектирования нейтронов с высокой энергией. Ежегодно в качестве побочных продуктов работы атомных электростанций образуется более 50 тонн нептуния, часть из которых превращают в плутоний. Обычно с отходами ядерной энергетики обращаются с той же предосторожностью, что и с сырьем для производства горючего для атомных электростанций и ядерного оружия.

94. Плутоний

Гленн Теодор Сиборг открыл, а точнее получил плутоний в декабре 1940 года в Беркли. Весной 1941 года, когда Сиборг установил, что этот элемент в состоянии поддерживать цепную реакцию деления, он написал секретное письмо президенту США Рузвельту, в котором информировал его о возможности применения нового элемента для создания мощного источника энергии.

С этого письма можно отсчитывать начало гонки, направленной на создание значительных количеств плутония, чтобы снабдить Манхэттенский инженерный округ военно-инженерных войск США (мы более знакомы с названием «Манхэттенский проект») достаточным количеством плутония для создания атомной бомбы. Всем известно классическое изображение грибовидного облака ядерного взрыва — символа того, какой разрушительной силой обладает атомное оружие. Плутоний, наработанный во время работы Манхэттенского проекта был использован. Металлической плутониевой сферой с диаметром 10 сантиметров и массой 8 кг была оснащена атомная бомба «Толстяк», которая 9 августа 1945 года была сброшена на Нагасаки.

Если подумать, название элементу досталось мрачное. Сиборг с коллегами предполагал, что плутоний — последний элемент в Периодической системе, и под стать этому предположению предлагал названия — ультимий, экстремий. Однако элемент назвали «плутоний» в честь последней (по представлениям, бытовавшим в те времена) планеты Солнечной системы. Первоначально Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако позже решил, что название «плутоний» звучит лучше. Плутон же был назван в честь Плутона-Аида — римского-греческого бога, заведовавшего царством мёртвых.

Однако, если отвлечься от применения плутония в военном деле (в конце концов, наверное, ни один химический элемент нельзя назвать «пацифистом», и вообще, дело не в химических элементах, а людях, которые их используют), плутоний может похвастаться одними из самых интересных химических свойств. При атмосферном давлении существует шесть аллотропных модификаций, каждая из которых устойчива в определённом температурном интервале и ведет себя по-своему. Так, при комнатной температуре плутоний очень хрупкий, но при нагревании до 100 °C превращается в более пластичную и ковкую форму. Пластичность и ковкость плутония можно увеличить, сплавив его с небольшим количество галлия — на практике этим способом и пользуются для того, чтобы с плутонием было проще работать.

Смешение плутония с другими металлами также приводит к получению материалов с интересными свойствами. Так, интерметаллическое соединение плутония с кобальтом и галлием (PuGaCo5) при температуре 18.5 К и ниже ведет себя как сверхпроводник, но, увы, не проявляет эти свойства в течение длительного времени — плутоний распадается с образованием урана, островки образовавшегося урана меняют электронную конфигурацию материала, и, поскольку сверхпроводимость сильно зависит от электронного строения, эффект постепенно исчезает. В каком-то смысле плутоний является врагом самому себе, а его радиоактивность не дает в полной мере раскрыть все богатство его химических свойств.