Все новости

За пределами стабильности. Зачем нужны искусственные элементы и изотопы

5 апреля 2010 года российские и американские физики сообщили о синтезе 117-го элемента таблицы Менделеева. Как и его соседи по таблице, 117-й распадается слишком быстро для того, чтобы его можно было накопить в хоть сколько-то существенном количестве. Редакция «Чердака» разобралась в том, зачем нам нужны такие непостоянные элементы.
Однозначно искусственными элементами, или изотопами, можно считать только элементы тяжелее америция (95-го). Причем плутоний (номер 94) еще можно обнаружить в природе, хотя его там очень мало: в самом «богатом» его «месторождении», урановой руде, содержится полторы стомиллиардные доли этого вещества. Остальные элементы распадаются так быстро, что для исследования их можно получить только на ускорителях.

Нестабильная стабильность

Изотопией называют наличие у одного химического элемента атомных ядер разного состава. Так как число протонов у одного элемента фиксировано, его изотопы отличаются только числом нейтронов, и оно не может быть слишком большим или слишком маленьким: недостаток, а равно избыток нейтронов делает атомное ядро нестабильным. Изотопы обозначают названием элемента с числом, которое показывает суммарное количество нуклонов, протонов и нейтронов: например, уран-235 или гелий-3. В первом 92 протона и 143 нейтрона, во втором два протона и один нейтрон.

Термоядерный реактор ITER — экспериментальная установка, которая может стать прообразом электростанций будущего. Иллюстрация: iter.org


Тритий, водород-3, получают при облучении лития, и он в сочетании с дейтерием, стабильным изотопом водород-2, легче всего вступает в термоядерную реакцию. Энергетика будущего, как считают создатели международного экспериментального термоядерного реактора ITER, а также еще ряд коллективов, будет именно термоядерной. Дейтерия много в обычной воде, а лития для синтеза трития тоже предостаточно — этот элемент сейчас активно используется в аккумуляторных батареях, и его добыча давно освоена в промышленном масштабе. Термоядерные электростанции пока не построены из-за того, что мы пока не умеем долго удерживать плазму с температурой в десятки миллионов градусов. Однако ряд крупномасштабных проектов, вроде ITER или National Ignition Facility в США, позволяют всерьез рассматривать тритий как потенциальный энергоноситель будущего.

ITER — не просто проект, который будет реализован когда-нибудь в неопределенном будущем. Работы по строительству комплекса идут полным ходом. На снимке, сделанном в начале 2015 года, уже виден фундамент под будущий реактор. Иллюстрация: iter.org



Другие нестабильные изотопы уже сегодня применяются в медицине. На их основе синтезируют вещества, которые вводят в кровь пациента при поиске злокачественных опухолей. Радиоактивная метка накапливается раковыми клетками и «выдает» их при томографическом обследовании. Организм при этом получает некоторую дополнительную дозу облучения, однако связанные с этим риски несопоставимы с выгодами от своевременной диагностики.

Некоторые искусственные радиоактивные изотопы применяются в производстве компактных источников излучения, вживляемых прямо внутрь опухоли. Если изотоп дает альфа-лучи, которые хорошо задерживаются биологической тканью, источник выжигает только прилегающую к нему опухоль и почти не вредит здоровой ткани. Изотопы, дающие гамма-лучи, например кобальт-60, применяют и для дистанционного облучения опухолей.

Используемый при лучевой терапии контейнер с кобальтом-60. Радиоактивный изотоп обозначен буквой G и окружен многослойной защитой, которая минимизирует облучение персонала и пациентов. Иллюстрация: KDS4444 / Wikimedia


Еще искусственные радионуклиды используют при производстве радиоактивных источников для всевозможных технических исследований. Это и дефектоскопия, просвечивание различных деталей, и проверка состояния стенок скважины. Кроме того, ионизирующим излучением от кобальта-60 стерилизуют бинты и лекарственные препараты, а также уничтожают поселившихся в музейных экспонатах насекомых — радиация во многих случаях оказывается безопаснее ядохимикатов и сильных антисептиков.

Стронций-90 также применяют для изготовления радиоизотопных источников электроэнергии. Раскаленный энергией радиоактивного распада металл греет термоэлектрический преобразователь, который превращает тепло непосредственно в электрический ток. КПД такой схемы невысок, но зато она компактна и надежна, ее можно использовать для электроснабжения радиомаяков где-нибудь в далекой тундре. Или для электроснабжения космической техники.

За ураном и до фермия

Самые известный и полученный в наибольших количествах элемент после урана — плутоний. Он применяется в ядерном оружии, а также в описанных выше радиоизотопных термоэлектрических генераторах, РИТЭГах. Именно на плутонии работают многие аппараты, отправленные в дальний космос, а также марсоход Curiosity.

Инженер проверяет уровень радиации вблизи РИТЭГа для космического аппарата Cassini, который затем был отправлен к Сатурну и его спутникам. Обратите внимание, что на ней вовсе нет тяжелого защитного костюма. Это потому, что чистый плутоний дает лишь альфа-частицы, которые почти все задерживаются корпусом устройства. Радиационный фон вблизи генератора не создает угрозы для человека. Иллюстрация: NASA Иллюстрация: NASA


Между ураном и плутонием находится нептуний, который применяется только как промежуточный продукт для получения плутония. Следом идет америций, который используется в ряде компактных радиоактивных источников, например во многих детекторах дыма. Всего нескольких десятых долей микрограмма достаточно для ионизации воздуха в детекторе. Ионизированный воздух начинает проводить ток, а при задымлении сила тока меняется и это заставляет сигнализацию срабатывать.

За америцием идет кюрий, который используется в РИТЭГах, а также в качестве источника альфа-излучения для анализа химического состава различных веществ методом альфа-спектроскопии. Альфа-спектрометры с кюрием стоят на марсоходах и некоторых иных космических аппаратах.

Альфа-спектрометр для марсохода Curiosity использует кюрий как источник альфа-излучения. Фото: NASA/JPL/Max-Planck-Institute for Chemistry


Берклия, калифорния и эйнштейния на сегодня удается синтезировать столь мало, что использовать их на практике затруднительно. Что же касается фермия, занимающего сотую ячейку таблицы Менделеева, то его — как и все более тяжелые элементы — вообще не удалось получить в весовых количествах. Иными словами, даже взвесить полученный фермий не на чем: самые чувствительные весы для этой задачи непригодны. Соответственно, нельзя измерить плотность, не получается определить температуру плавления, цвет и другие характеристики.

Редкие и потому дорогие трансурановые (идущие после урана в периодической таблице) элементы интересны либо своим высоким энерговыделением, либо способностью давать только чистое альфа-излучение, которое сравнительно легко экранировать даже плотной фольгой. По этим причинам они могут оказываться предпочтительнее более распространенных радионуклидов, дающих излучение с большей проникающей способностью и требующих намного более сложной биологической защиты.

От фермия и далее

Элементы тяжелее фермия получаются в ничтожно малом и не допускающем никакого практического применения количестве, и пока что задача их синтеза относится к категории фундаментальной науки. Никто не может уверенно сказать, принесут ли такие исследования пользу в будущем. Однако то же самое говорили в начале XX века про работы, посвященные строению атома. Сто лет назад ученые уже открыли атомное ядро, но еще не знали ни о существовании нейтронов, ни о фундаментальных законах квантовой механики, которым подчиняются атомы. Спустя всего три десятка лет были запущены первые ядерные реакторы и взорвана первая ядерная бомба.

Рисунок на стене дома, где в 1867 году родилась Мария Склодовская-Кюри. Через сто лет ядерные реакторы будут строить на промышленной основе. Фото: Nihil novi / Wikimedia


В исследованиях трансфермиевых элементов и их изотопов ключевую роль играет такое понятие, как «остров стабильности». Это предполагаемые ядра атомов, которые будут если не стабильны, то хотя бы достаточно долгоживущи. Гипотеза о существовании «острова стабильности» отчасти подкрепилась синтезом в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне элементов от 114-го и далее, но у ученых нет на сегодня методики, которая позволяет заранее рассчитать характеристики всех возможных атомных ядер. Работы по синтезу все более и более тяжелых атомных ядер могут помочь в создании более полной модели атомного ядра, а это уже вполне конвертируемое в технологии знание.

Например, одним из возможных решений проблемы радиоактивных отходов является их трансмутация, процесс, отчасти напоминающий синтез искусственных элементов. Если облучать отработанное ядерное топливо, то часть наиболее опасных изотопов в нем «выгорает», превращаясь в менее активные и потому не столь опасные вещества. Управление этим процессом требует хорошего понимания устройства ядра атомов.

Контейнеры с отработанным ядерным топливом. Снимок кажется слегка мутным неспроста — он сделан через толщу воды, которая поглощает смертоносное излучение. Фото: United States Department of Energy


До урана, в природе не встречается

Перед ураном в таблице Менделеева стоят несколько элементов, которые тоже практически отсутствуют в природе.

Технеций, само название которого обозначает «искусственный», используют в медицине для самых разнообразных исследований с использованием изотопных меток. Причем, что особенно интересно, технеций стоит в таблице не рядом с ураном, а между молибденом и рутением, его порядковый номер всего лишь 43 против 92 у урана.

Под номером 84 идет печально знаменитый полоний, крайне токсичный из-за своей очень высокой радиоактивности. Впрочем, ему тоже находили вполне мирное применение: к примеру, советский «Луноход» долгими лунными ночами согревал именно полоний.

Луноход, копия. Его приборный отсек обогревался полонием. Фото: Вадим Кондратьев / Wikimedia


В 85-й ячейке расположен астат. На основе его положения в таблице Менделеева можно сделать вывод, что его свойства должны быть аналогичны йоду или брому, но астат чрезвычайно нестабилен и в силу этого назван: от греческого ἄστατος, «неустойчивый». На вид это темно-синие кристаллы, которые в сколько-нибудь значимых количествах синтезировать не удалось. Химики даже не знают, может ли астат формировать двухатомные молекулы подобно хлору или брому. Столь же загадочен франций — никто толком не знает, как он выглядит. По всей видимости, это серебристый металл с температурой плавления всего 27 градусов Цельсия. Если бы он не был столь радиоактивен и редок, то, вероятно, таял бы в руках.

Актиний — номер 87 — в природе встречается тоже крайне редко, поэтому его обычно синтезируют в ядерных реакторах. Несмотря на редкость, элементу нашли несколько вариантов применения: в источниках гамма-излучения, а также в медицинских исследованиях.

 Алексей Тимошенко