стоимость получения калифорния избавили нас от перспективы появления ещё и такого оружия массового поражения – цена 1 грамма 252Cf составляет около 250 миллионов долларов, ежегодно получают 20–40 микрограммов, а общий мировой запас этого металла не превышает 8 граммов.
Помимо «зажигательной свечи» для ядерного реактора небольшие количества калифорния применяются в устройствах, в которых нужен поток нейтронов, из них наиболее известны датчики для разведывания нефтяных месторождений. Эти детекторы направляют поток нейтронов в исследуемый материал, в котором ядра водорода, безусловно, присутствующие в составе углеводородов нефти, замедляют поток нейтронов, то есть позволяют искать молекулы, содержащие водород, в подземных резервуарах. Нейтроны, испускаемые калифорнием, также позволяют искать серебро и золото. Метод, применяемый для поиска этих металлов, называется нейтронно-активационным анализом – область, в которой идет геологическая разведка, облучают нейтронами и расшифровывают картину γ-излучения, выделяющегося в результате взаимодействия образца с нейтронами, – характер ответного излучения индивидуален для каждого металла.
99. Эйнштейний
С первого взгляда, нет ничего странного в том, что элемент №99 называется эйнштейнием, в конце концов – Эйнштейн самый известный физик ХХ века, причем настолько, что его формулу – Е=mс2 на зачёте по концепциям современного естествознания могут написать даже те студенты гуманитарных специальностей, которые не ходили на лекции и семинары (ну или почти все – в этом году я действительно повстречал чудо-студента, который на смог ответить на вопрос: «Скажите, кто составил таблицу Менделеева?»). Тем не менее слава – не единственная причина попасть в клуб «людей и элементов». Есть химические элементы, названные в честь Бора, Флёрова, Резерфорда, Кюри, Сиборга и Оганесяна (в честь двух последних элементы назвали прижизненно), но в Периодической системе нет Ньютона, Дарвина, Бутлерова, Фейнмана или Дирака.
Ключ к тому, почему в Периодической системе появилось имя Эйнштейна, лежит в том, что практически все учёные, именами которых названы химические элементы (кроме разве что одного, но об этом позже), сыграли важную роль в изучении строения атомов. Мы часто вспоминаем Эйнштейна как автора специальной и общей теорий относительности (которые у многих почему-то сливаются воедино), забывая о том, что работы Эйнштейна заложили основы квантовой теории, без которой сложно представить как современные представления о строении атома, так и теорию химической связи.
По правде говоря, про химический элемент, названный в честь Эйнштейна, нельзя сказать, что он так же знаменит, как и его «крёстный» – это один из актиноидов, как и все актиноиды, не имеющий стабильных изотопов, самый стабильный из которых, 252Es, характеризуется периодом полураспада в 472 дня, а наиболее просто получающийся, 253Es, – периодом полураспада в 20 дней. Тех небольших количеств эйнштейния, которые удалось получить, хватило, чтобы понять, что эйнштейний, как и другие актиноиды, представляет собой серебристо-белый металл.
Можно сказать, что обстоятельства открытия эйнштейния необычны даже по сравнению с другими трансурановыми элементами: рождение эйнштейния подстегнула гонка вооружений. После того как 29 августа 1949 года на полигоне в Семипалатинске была испытана первая советская атомная бомба, в США поняли, что они лишились своего козыря в противостоянии с СССР, и решили разработать еще более мощное оружие. Новая, как тогда это называлось в официальных документах, «супербомба» имела следующую принципиальную схему: запал в виде атомной бомбы должен был создать температуру и давление, достаточные, чтобы инициировать протекающее с выделением колоссальной энергии слияние атомов дейтерия (тяжелого водорода), такое же слияние дейтерия с образованием гелия происходит в звездах, в том числе и звезде по имени Солнце. «Супербомба» или, как потом её стали называть, водородная бомба, уже относится не к ядерному, а к термоядерному оружию. Испытание первого образца этого оружия США провели на атолле Эниветок в южной части Тихого океана. Сомнительная эстетика награждать бомбы именами собственными – Троица, Малыш, Толстяк – была выдержана и здесь. Благодаря вытянутой цилиндрической форме устройство получило название «Сосиска».
США испытали «Сосиску» 1 ноября 1952 года, мощность взрыва составила 10 мегатонн в тротиловом эквиваленте – в пятьсот раз больше мощности бомбы, сброшенной на Нагасаки. Островок атолла, на котором проводились испытания, был полностью уничтожен. Следует отметить, что на Эниветоке США испытало не водородную бомбу, а термоядерное устройство, показав принципиальную возможность создания оружия такого типа – «Сосиска» весила 74 тонны, её высота была чуть больше шести метров, то есть на роль бомбы устройство никак не тянуло. Первая же в мире водородная бомба, компактная и легкая настолько, что её можно было бы доставить к цели с помощью ракеты или стратегического бомбардировщика, была испытана менее чем через год после взрыва «Сосиски» – 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне в СССР.
Взрыв на Эниветоке был такой мощности, что породил новый элемент. Как это стало известно? Дело в том, что испытания не ограничивались интересом «взорвется или нет» – тонны материалов, отобранных с места выпадения радиоактивных осадков во время испытания, были отправлены в радиационную лабораторию Беркли. Там среди сгоревших кораллов и пепла Альберт Гиорсо обнаружил атомы элемента с номером 99, который в апреле 1955 года получил название «эйнштейний» (первоначально для обозначения эйнштейния использовался символ «Е», к привычному сейчас символу «Es» перешли в 1960-е годы). Создание и испытания «Сосиски» были засекречены, и об открытии нового элемента сообщили только спустя три года. В августе 1955 года в журнале Physical Review была опубликована статья об открытии элемента №99, в которой его предлагали назвать эйнштейнием (Phys. Rev. 1955. 99 (3): 1048–1049).
Как же образовался эйнштейний? Во время взрыва некоторые атомы урана из атомной бомбы-запала смогли поглотить колоссальное количество нейтронов, превратившись на долю мгновения в сверхтяжёлые изотопы урана, которые претерпевали β-распад, в результате чего (если упрощать) «лишние» нейтроны превращались в пары протон—электрон, и порядковый номер элемента увеличивался. Энергия и плотность потока нейтронов во время испытания были столь значительны, что некоторые атомы урана с номером 92 превратились в атомы с номерами 99 и 100. При испытаниях образовался эйнштейний 253Es.
К счастью, сейчас, если есть необходимость в эйнштейнии (а такая необходимость может возникнуть, так как этот элемент – хорошая мишень для получения ещё более тяжёлых атомных ядер), нет необходимости взрывать термоядерные боеприпасы. Современный способ получения эйнштейния заключается либо в длительной (продолжающейся несколько лет) бомбардировке плутония нейтронами, либо в бомбардировке урана ядрами азота или кислорода. Сам по себе эйнштейний представляет собой серебристо-белый металл, достаточно летучий и с умеренной для столь тяжёлого элемента температурой плавления – 860 °C. В своих соединениях эйнштейний проявляет степень окисления +2 и +3, известны
