Поделиться

Большая Советская энциклопедия

химические элементы, расположенные в периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) Д. И. Менделеева за Ураном, то есть с атомным номером Z ≥ 93. Известно 14 Т. э. Из-за относительно высокой скорости их радиоактивного распада Т. э. в заметных количествах не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 5․109 лет, а Период полураспада T1/2 наиболее долгоживущих изотопов Т. э. меньше 107 лет. За время существования Земли Т. э., возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их количество резко уменьшилось (до 1012 раз). В природных минералах найдены микроколичества 244Pu — наиболее долгоживущего Т. э. (T1/2 Трансурановые элементы 8․106 лет), который, возможно, сохранился на Земле с момента её формирования. В урановых рудах обнаружены следы 237Np (T1/2 Трансурановые элементы 2,14․106 лет) и 239Pu (T1/2 Трансурановые элементы 2,4․104 лет), которые образуются в результате ядерных реакций с участием ядер U.

Первые Т. э. были синтезированы в начале 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) группой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Известно несколько способов синтеза Т. э. Они сводятся к облучению мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах (См. Ядерный реактор) или при взрыве ядерных устройств, можно получить все Т. э. до Fm (Z= 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к β-распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой β-распадов. Возможности этого метода ограничены, он не позволяет получать ядра с Z> 100. Причины — недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с Z> 100.

Элемент с Z= 101 (Менделевий) был открыт в 1955 при облучении 25399Es (эйнштейния) ускоренными α-частицами. Пять элементов с Z> 101 были получены на ускорителях заряженных частиц [циклотрон Объединённого института ядерных исследований (См. Объединённый институт ядерных исследований) (ОИЯИ; Дубна, СССР) и линейный ускоритель тяжёлых ионов «Хайлак» (Беркли, США)] в ядерных реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами. Определяющий вклад в эти работы внесли группа учёных под руководством Г. Н. Флёрова (Дубна) и группа Г. Сиборга — А. Гиорсо (Лаборатория им. Лоуренса, Беркли). Существенные результаты были получены также в Окриджской национальной лаборатории США.

Для синтеза далёких Т. э. используется два типа ядерных реакций — слияния и деления. В первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого составного ядра снимается путём «испарения» нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm, Cf образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия возбуждения Трансурановые элементы 40—60 Мэв). Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию в среднем порядка 10—12 Мэв, поэтому для «остывания» составного ядра должно вылететь до 5 нейтронов. С испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого ядра. Для элементов с Z = 104—105 вероятность испарения одного нейтрона в 500—100 раз меньше вероятности деления. Это объясняет малый выход новых элементов: доля ядер, которые «выживают» в результате снятия возбуждения, составляет всего 10—8—10—10 от полного числа ядер мишени, слившихся с частицами. В этом кроется причина того, что за последние 20 лет синтезировано всего 5 новых элементов (Z = 102—106).

В ОИЯИ разработан новый метод синтеза Т. э., основанный на реакциях слияния ядер, причём в качестве мишеней используются плотно упакованные устойчивые ядра изотопов Pb, а в качестве бомбардирующих частиц сравнительно тяжёлые ионы Ar, Ti, Cr. Избыточная энергия ионов расходуется на «распаковку» составного ядра, и энергия возбуждения оказывается низкой (всего 10—15 Мэв). Для снятия возбуждения такой ядерной системы достаточно испарения 1—2 нейтронов. В итоге получается весьма заметный выигрыш в выходе новых Т. э. Этим методом был осуществлен синтез Т. э. с Z = 100, Z = 104 и Z = 106.

В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза Т. э. вынужденное деление ядер под действием тяжёлых ионов. Осколки деления ядер под действием тяжёлых ионов имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией (следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно, большим, чем половина суммы Z мишени и Z бомбардирующего иона). Экспериментально было установлено, что распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых частиц. Применение ускоренных ионов Xe или U позволило бы получить новые Т. э. в качестве тяжёлых осколков деления при облучении урановых мишеней. В 1971 в ОИЯИ были ускорены ионы Xe с помощью 2 циклотронов, которыми облучалась урановая мишень. Результаты показали, что новый метод пригоден для синтеза тяжёлых Т. э.

Т. э. испытывают все виды радиоактивного распада. Однако Электронный захват и β-распад — процессы относительно медленные, и их роль становится небольшой при распаде ядер с Z> 100, имеющих короткие времена жизни относительно α-распада и спонтанного деления. По мере утяжеления элемента конкуренция между спонтанным делением и (β-распадом становится всё более заметной. Нестабильность относительно спонтанного деления, очевидно, определяет границу периодической системы элементов. Если период полураспада для спонтанного деления 92U Трансурановые элементы 1016 лет, для 94Pu Трансурановые элементы 1010 лет, то для 100Fm он измеряется часами, для 104-го элемента — секундами (см. Курчатовий), для 106-го элемента — несколькими мсек. О химических свойствах Т. э. (до Z= 104) и строении их электронных оболочек см. в ст. Актиноиды.

Теоретическое рассмотрение показывает, что возможно существование очень тяжёлых ядер, имеющих повышенную стабильность относительно спонтанного деления и α-распада. «Остров стабильности» должен располагаться вблизи магического ядра (См. Магические ядра), у которого число протонов 114, а число нейтронов 184. Если гипотетическая область стабильности окажется реальной, то границы периодической системы элементов существенно расширятся. Ведутся поиски экспериментальных путей для проникновения в эту область элементов. Получить 114 протонов в новом ядре сравнительно легко, а 184 нейтрона — трудно. Причём отступление от магического числа 184 даже на несколько единиц резко понижает устойчивость ядра к спонтанному делению.

Расчёты барьеров деления и времён жизни сверхтяжёлых элементов привели к выводу, что некоторые сверхтяжёлые элементы могут иметь период полураспада около 108 лет и их микроколичества могли сохраниться на Земле до нашего времени. В 1968 под руководством Флёрова начаты поиски сверхтяжёлых элементов в природе. Исследуются земные минералы, продукты извержения вулканов, геотермальные воды, а также объекты, способные к аккумуляции тяжёлой компоненты космических лучей (См. Космические лучи) (железо-марганцевые конкреции со дна океанов, илы донных отложений озёр и морей, метеориты, породы лунного регалита). Изучают образцы, в которых, согласно теоретическим представлениям, могут содержаться химические элементы с Z> 108. Одновременно ведутся исследования с помощью ускорителей многозарядных ионов.

Лит.: Флёров Г. Н., Звара И., Химические элементы второй сотни. Сообщения ОИЯИ Д7-6013, [Дубна, 1971]: Флёров Г. Н., Поиск и синтез трансурановых элементов, в кн.: Peaceful uses of atomic energy, N. Y. — Vienna, v. 7, 1972, p. 471; Радиоактивные элементы Po — (Ns) — …, под ред. И. В. Петрянова-Соколова, М., 1974.

Г. Н. Флёров, В. А. Друин.

Большой энциклопедический словарь

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ - химические элементы, расположенные в периодической системе после урана, т. е. с атомным номером Z ??93. Известно 17 трансурановых элементов. Все они синтезированы с помощью ядерных реакций (в природе обнаружены только микроколичества Np и Pu). Трансурановые элементы радиоактивны; с увеличением Z период полураспада трансурановых элементов резко уменьшается (от 8.107 лет для 244Pu до мс для элементов c Z=106-109).

Современная энциклопедия

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, химические радиоактивные элементы, расположенные в периодической системе после урана, т.е. с атомного номера 93 и выше. Известно 17 трансурановых элементов, все они получены искусственно, в природе обнаружены только следовые количества нептуния и плутония.

Физическая энциклопедия

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

- хим. элементы с ат. номерами Z>92, расположенные в периодич. системе элементов за ураном. Т. э. испытывают радиоакт. распад. Из-за относительно малого времени жизни они не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 5
• 109 лет, а период полураспада Т 1/2 наиб. долгоживущих Т. э. ~ 108 лет. За время существования Земли Т. э., возникшие в процессе нуклеосинтеза, практически полностью распались. В природных минералах найдены лишь микроколичества 244 Рu(T1/2 = 8
• 107 лет).

Первые Т. э.- нептуний (Z = 93) и плутоний(Z = 94) синтезированы Э. Макмилланом (Е. М. МсМillan) и Г. Сиборгом (G. Th. Seaborg) с сотрудниками в 1940 в Беркли (США) [1 ]. Они были получены в результате ядерной реакции при облучении мишени из U нейтронами или a-частицами. При облучении урана мощным потоком нейтронов возможна реакция последоват. захвата нейтронов. Захват нейтрона сопровождается последующим бета-распадом нового изотопа, что увеличивает ат. номер на единицу. В совр. реакторах этот метод позволяет получать элементы вплоть до Fm (Z= 100). Для элементов с Z> 100 он "не работает" вследствие очень малого времени жизни 5029-64.jpg [2], к-рый является звеном последоват. цепочки на пути к менделевию с Z=101. Впервые менделевий был синтезирован в 1955 облучением эйнштейния 5029-65.jpg ускоренными ионами Не. В дальнейшем в реакциях с более массивными ядрами трансурановая область была значительно расширена вплоть до элемента c Z=112.

Установлено, что Т. э. с Z от 93 до 103 относятся к группе актиноидов, к-рые по своим хим. свойствам близки к лантаноидам (редкоземельным элементам). Хим. свойства элемента с Z=104, первого элемента т. н. т р а н с а к-т и н и д н о й о б л а с т и, подобны Hf (элемент IV группы), а элемент с Z=105 является аналогом Та (V группа) [3]. Это подтверждает фундам. закон периодичности хим. свойств элементов, открытый Д. И. Менделеевым.

Типичными каналами (модами) распада, определяющими времена жизни ядер, являются бета-распад, электронный захват, альфа-распад и спонтанное деление ядер. Для тяжёлых ядер с Z> 102 наиб. вероятны a-распад и спонтанное деление (открыто Г. Н. Флёровым и К. А. Петржаком в 1940) [4]. Последнее играет определяющую роль, т. к. именно этот тип распада рассматривается как гл. фактор, лимитирующий возможное число элементов.

По мере продвижения ко всё более далёким элементам в реакции синтеза оказываются вовлечёнными всё более массивные бомбардирующие частицы. Их слияние с ядрами мишени не всегда осуществляется беспрепятственно. Т. о., процессы слияния и деления ядер определяют возможности продвижения к новым элементам конца периодич. системы элементов.

Структура и стабильность ядер Т. э. Поскольку для сфе-рич. заряженной капли отношение кулоновских и поверхностных сил определяется выражением

5029-66.jpg

делимость ядер в капельной модели ядра зависит от отношения Z2/A (А - массовое число). С ростом этой величины барьер деления быстро понижается и при 5029-67.jpg становится равным 0. Это определяет теоретич. предел устойчивости ядер относительно деления на два осколка. Эксперименты по делению возбуждённых ядеp показали, что этот предел наступает раньше 5029-68.jpg Делимость ядра характеризуют параметром 5029-69.jpg

В действительности наблюдаются значит. расхождения между предсказаниями капельной модели и экспериментом. Периоды спонтанного деления ядер испытывают сильные вариации в зависимости от числа протонов Z и нейтронов N (рис. 1), что не может быть объяснено в рамках макроскопич. расчётов капельной модели ядра. Подобные резкие изменения могут быть связаны со сложной микроскопич. структурой ядер, определяемой квантовыми характеристиками системы.

5029-70.jpg

Рис. 1. Зависимость периода полураспада ядер отно сительно спонтанного деления 5029-71.jpg от параметра де лимости у: штрих (пунктир)- теория (модель жидкой капли), кружки - эксперимент.

Полная энергия ядра может быть представлена в виде двух частей:5029-72.jpg где 5029-73.jpg -осн. макроскопич. часть энергии ядра (для тяжёлых ядер 5029-74.jpg определяет поправку (ок. неск. МэВ), обусловленную оболочечной структурой ядра. В процессе деформации ядра, предшествующей делению, изменяются и 5029-75.jpg. Характер изменения полной энергии 5029-76.jpg определяет конфигурацию и высоту барьера деления, а следовательно, и стабильность ядра относительно спонтанного деления. По мере увеличения Z капельная составляющая энергии деформации 5029-77.jpg плавно уменьшается, в то время как оболочечная поправка 5029-78.jpg меняется по др. закону (см. Оболочечная модель ядра). В ядрах Т. э. эти энергии сопоставимы по величине, вследствие чего барьер деления имеет сложную структуру, сильно отличающуюся от того, что предсказывается капельной моделью. При движении в сторону более тяжёлых элементов роль капельного члена уменьшается и стабильность ядра в значит. степени определяется его оболочечной структурой.

Действительно, капельная модель предсказывает исключительно малое время жизни для ядер Z>=104 (~10-19- 10-17 с), в то время как известны уже 30 нук-лидов с Z от 104 до 112. Их периоды спонтанного деления столь велики (>10-4 с), что они преим. испытывают a-распад. Это указывает на существование у этих ядер барьера деления структурной природы, препятствующего их мгновенному распаду на 2 фрагмента. Т. н. структурная стабильность тяжёлых ядер была обнаружена в 70-х гг., когда выяснилось, что систематика периодов спонтанного деления резко меняется при переходе к ядрам с 5030-1.jpg

Для Z=104 жидкокапельная составляющая барьера деления близка к нулю, поэтому относительно большое время жизни изотопов 104-го элемента уже практически целиком определяется структурными факторами. При движении в область более тяжёлых элементов ситуация сохранится. Поскольку структурная составляющая слабо меняется с ростом Z, можно было ожидать, что и стабильность этих ядер будет столь же высокой. Эксперимент подтвердил предсказания оболочечной модели [5 ]. Из этого следует, что область трансактинидных элементов может быть значительно расширена.

Сверхтяжёлые элементы. Следуя оболочечной модели, можно считать, что структура определяет форму ядра в осн. состоянии. Известно, что ядра могут быть деформированными (эллипсоидальными) и сферическими (см. Деформированные ядра). Наиб. сильно оболочечные эффекты проявляются для сферич. ядер, к-рые состоят из т. н. магич. чисел протонов и нейтронов: 2, 8, 20, 50, 82, 126 (см. Магические ядра). Ядра, у к-рых эти числа появляются дважды, наз. дважды магическими. Наиб. тяжёлым дважды магич. ядром является 5030-2.jpg

5030-3.jpg Все известные изотопы Т. э. далеки от магич. чисел и поэтому в осн. состоянии являются деформированными. Вместе с тем даже в этом случае влияние обо-лочечных эффектов на стабильность ядра велико. Можно ожидать, что для магич. и тем более для дважды магич. ядра влияние структуры будет проявляться в сильной степени. Вслед за 208 Рb, согласно предсказаниям теории, двойная магичность возникает у ядра с Z=110-114 и 5030-4.jpg вокруг к-рого может существовать обширная область т. н. с в е р х т я ж ё л ы х э л е м е н т о в. Нек-рые из них могут быть, в принципе, синтезированы в ядерных реакциях. Вместе с тем на пути к 114 элементу находится большая область деформированных ядер, в к-рых также ожидается эффект магичности. Для ядра с Z =108 и N=162 и его соседей предсказывается сильное увеличение стабильности по отношению к спонтанному делению.

Это нашло эксперим. подтверждение при получении элементов 104, 106, 108 и 110, когда синтезировались изотопы с макс. числом нейтронов 5030-5.jpg

Полученные результаты значительно повышают пред-сказательную силу теории о существовании сверхтяжёлых и сверхстабильных элементов.

Реакции синтеза. Для синтеза изотопов трансфермиевых элементов 5030-6.jpg используются ядерные реакции полного слияния взаимодействующих ядер (мишени Z м, А м и бомбардирующей частицы 5030-7.jpg в результате чего образуется возбуждённое составное ядро 5030-8.jpg

5030-9.jpg к-рое затем переходит в осн. состояние путём эмиссии нейтронов и g-квантов.

Сечение образования новых ядер в осн. состоянии может быть представлено выражением

5030-10.jpg

Здесь 5030-11.jpg -сечение образования составного ядра с энергией возбуждения 5030-12.jpg Р х - вероятность канала "сброса энергии" путём эмиссии x нейтронов; Гn - вероятность испускания нейтрона; Г полн - полная вероятность распада составного ядра с энергией 5030-13.jpg Если нейтрон не может унести всю энергию возбуждения 5030-14.jpg то конкуренция между эмиссией нейтрона и др. способом девозбужде-ния повторяется ещё раз на 2-й ступени, затем на 3-й и т. д. до тех пор, пока энергия возбуждения конечного ядра не станет равной 05030-15.jpg Поскольку осн. каналом распада тяжёлых ядер является деление (Г полнf), то отношение 5030-16.jpg необходимо возвести в степень числа ступеней х. Для тяжёлых ядер 5030-17.jpg

Т. о., всё определяется числом каскадов х, к-рое связано с энергией возбуждения составного ядра. Последняя не может быть меньше нек-рой мин. величины 5030-18.jpg где кулоновский барьер, ниже к-рого ядра не сливаются, определяется соотношением

5030-19.jpg и 5030-20.jpg

-дефект масс, связанный с перестройкой двух исходных ядер в новое моноядро, М с - его масса.

При облучении мишени 238U ионами 20Ne величина 5030-21.jpg Переход ядра 258102 в осн. состояние происходит испусканием 4 или 5 нейтронов, поэтому сечение образования ядра 254102 в осн. состоянии составляет всего 10-8 от сечения образования возбуждённого составного ядра s с. В таких условиях, естественно, необходимо понизить энергию возбуждения составного ядра. Это может быть достигнуто выбором более асимметричных масс ядер-партнёров, с тем чтобы понизить кулоновский барьер. Напр., реакция 5030-22.jpg более предпочтительна, т. к. 5030-23.jpg и каскад девозбуждения составляет всего 3 ступени.

Однако эти реакции имеют ограниченные возможности, т. к. элементы тяжелее Cf (Z = 98), к-рые могут быть использованы в качестве мишени, нарабатываются в ядерных реакторах в очень малых кол-вах. Тем не менее ядра вплоть до Z =106 были впервые получены в реакциях этого типа, названных реакциями горячего слияния.

Другая возможность уменьшить энергию возбуждения составного ядра - повышение Q. Это может быть достигнуто увеличением массы бомбардирующих ионов. При этом возрастает кулоновская энергия Uc, но она целиком компенсируется возрастанием дефекта масс. Существ. выигрыш достигается при использовании в качестве мишени дважды магич. ядер, напр. 208 Рb + 48 Са. Здесь в процессе слияния значит. часть энергии должна быть затрачена на перестройку "хорошо упакованных" сферич. партнёров в "рыхлую" составную систему 256102. Такая реакция будет более эндотермичной 5030-24.jpg - 18 МэВ), и переход возбуждённого ядра в осн. состояние будет сопровождаться испусканием 1 или 2 нейтронов. Сечение образования конечных ядер в реакции 208Pb+48Ca возрастает на неск. порядков по сравнению с реакциями горячего слияния. Аналогичная ситуация имеет место и для более тяжёлых бомбардирующих ионов - изотопов Ti, Cr, Fe, Ni. Реакции этого типа получили назв. х о л о д н о г о с л и я н и я [6]. С их помощью удалось синтезировать самые тяжёлые элементы - вплоть до Z=112 - и исследовать большое число новых изотопов известных Т. э. [7, 8].

Однако при переходе от Z =102 к Z=112 сечение образования конечных ядер в реакциях холодного слияния уменьшается почти в 10 раз (рис. 2). Это означает, что и в холодном слиянии возникают ограничения на образование конечных продуктов. Они связаны в основном с процессом образования составного ядра. При использовании мишеней 208 Рb и 209Bi продвижение по Z от 102 до 112 достигается постепенным увеличением заряда бомбардирующей частицы Zi от 20 до 30. Соответственно возрастают силы кулоновского отталкивания в процессе слияния, в то время как силы ядерного притяжения остаются практически постоянными. В этих условиях вероятность слияния резко уменьшается, и это является основным ограничением для продвижения в область

5030-25.jpg

Интересен промежуточ. вариант между горячим и холодным слиянием: более асимметрич. комбинация масс взаимодействующих ядер и, как следствие, меньшая энергия кулоновского взаимодействия. Это требует увеличения массы ядра мишени, т. е. отхода от магич. ядер Рb или Bi. Однако между 83Bi и 90Th все известные ядра обладают малым временем жизни и приготовить из них мишень практически невозможно. Если мишенью являются изотопы Th или U, а в качестве бомбардирующих ионов использовать изотопы Са или Аr, то образующиеся составные ядра элемента с Z=110 будут иметь 5030-28.jpg При этом возникают все описанные выше ограничения горячего слияния. Вместе с тем кулоновские силы отталкивания во входном канале реакции будут уменьшены почти на 30%, и это, возможно, снимет нек-рые ограничения реакции холодного слияния.

5030-26.jpg

5030-27.jpg

Рис. 2. Зависимость сечения образования трансурано вых элементов от их атомного номера Z. Светлые и чёрные кружки-соответственно реакции холодного и горячего слияния.

Слияние ядер-сложный коллективный процессов к-ром ядерная система испытывает изменения формы от конфигурации двух соприкасающихся ядер до компактного моноядра. Эти изменения характеризуются сложной динамикой, в к-рой участвуют все нуклоны составного ядра. Отметим, что составная система крайне неустойчива, т. к. при энергии возбуждения ~40-50 МэВ оболо-чечные эффекты исчезают и барьер деления становится равным 0. Вопрос заключается в продолжительности процесса деления - успеет ли система "охладиться" (испустить нейтроны), чтобы вновь проявились оболочечные эффекты. Вероятность этого процесса весьма мала, и количеств. данные могут быть получены лишь экcперимен-тально.

В опытах по синтезу элементов с Z=108 и 110 при бомбардировке мишеней из 238U и 244 Рu ионами 34S было показано, что сечение образования конечных продуктов составляет всего 2,5 и 1 пикобарн соответственно (1 пикобарн=10-36 см 2). Эта малая, но конечная величина свидетельствует о том, что лишь 10-11 часть от полного сечения реакций ведёт к образованию искомых ядер (9).

Пути к острову стабильности. Для синтеза ядер сверхтяжёлых элементов необходимо выполнение ещё одного условия - получить макс. избыток нейтронов в конечном ядре. Для этих целей должны быть использованы предельные возможности реакции слияния с участием ядер, максимально обогащённых нейтронами. Такими могут быть 2494 Рu или 24896 Cm, к-рые подвергаются бомбардировке ядрами 48 Са. Составные ядра с Z-114 и 116 будут иметь N=178 и 180 и энергию возбуждения ок. 30 МэВ. Это наибольшее приближение к магич. числам 114 и 184, к-рое достижимо в искусств. синтезе сверхтяжёлых ядер.

Попытки синтеза сверхтяжёлых элементов, предпринятые в 1976-86, оказались безуспешными. Чувствительность этих опытов была недостаточна, чтобы зарегистрировать распад новых ядер, образующихся с очень малым сечением. Готовятся новые эксперименты по синтезу элемента 114 с чувствительностью в тысячи раз выше, чем во всех предыдущих опытах.

Лит.:1) Mc Millan Е. [е. a.], Radioaktive element 93, "Phys. Rev.", 1940, v. 57, p. 1185; 2) Hulet Е. К. [e. a.], Spontaneous-fission half-life of FM-258 and nuclear instability, "Phys. Rev. Lett.", 1971, v. 26, p. 523; 3) Звара И. [и др.], Химические свойства элемента 104, "Атом. энергия", 1966, т. 21, № 3, с. 83; 4) Петржак К. <А., Флеров Г. Н., Спонтанное деление урана, "Доклады АН СССР", 1940, т. XXVIII, № 6, с. 1013; 5) Brack М. [е. a.], Funny Hills. The shell-correction approach to nuclear shell effects and applications to the fision process, "Rev. Mod. Phys.", 1972, v. 44, p. 320; 6)OganessianY. Т., Classical and quantum mechanical aspects in heavy ion collision, "Lect. Notes Phys.", 1975, v. 33, p. 311; 7) Oganessian Y. T. [e. a.], Experimental studies of the formation and radioactive decay of isotopes with Z=104-109, "Radiochimica Acta", 1984, v. 37, p. 113; 8) Armbruster P., On the production of heavy elements by cold fusion the elements 106 to 109, "Ann. Rev. Nucl. Part. Sci.", 1985, v. 39, p. 135; 9) Lazarev Yu. A. [e. a.], New nuclide 267108 produced by the 238U + 34S reaction, "Phys. Rev. Letters", 1995, v, 75, p. 1903. Ю. Ц. Оганесян.

Физическая энциклопедия

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

химич. элементы с ат. номером Z>92, расположенные в периодич. системе элементов за ураном. Известно 15 Т. э. Из-за относительно малого времени жизни Т. э. не сохранились в земной воре. Возраст Земли ок. 5
• 109 лет, а период полураспада T1/2 наиб. долгоживущих Т. э. меньше 108 лет. За время существования Земли Т. э., возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их кол-во резко уменьшилось (до 1012 раз). В природных минералах найдены микроколичества 244Pu — наиб. долгоживущего Т. э. (T1/2=8
• 107 лет). В урановых рудах обнаружены следы 237Np (T1/2=2,14
• 106 лет) и 239Pu(T1/2=2,4
• 104 лет), к-рые образуются в результате яд. реакций с участием U (см. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО).

Первые Т. э. были синтезированы в нач. 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) труппой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга. Известно неск. способов синтеза Т. э., они связаны с облучением мишени нейтронами или заряж. ч-цами. Если мишенью служит U, то с помощью мощных нейтронных потоков (образующихся в ядерных реакторах или при ядерном взрыве) можно получить Т. э. до элемента Fm (фермий) с Z=100 включительно. Процесс синтеза состоит в последоват. захвате ядром нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к электронному бета-распаду и увеличению заряда ядра Z. Эти методы не позволяют получать ядра с Z>100. Причины — недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиб. важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с 2=100. Элемент с Z=101 (менделевий) синтезирован в 1955 облучением 25399Es (эйнштейния) ускоренными a-частицами. Шесть элементов с Z>101 были получены в яд. реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами.

Для синтеза далёких Т. э. используются яд. реакции слияния и деления. В первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого составного ядра снимается путём «испарения» нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm, Cf (плутония, кюрия, калифорния) образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия возбуждения =40 —60 МэВ). Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию в ср. =10—12 МэВ, поэтому для «остывания» составного ядра должно вылететь до пяти нейтронов. С испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого ядра. Для элементов с Z=104 и 105 вероятность испарения одного нейтрона в 500—1000 раз меньше вероятности деления, т. е. доля ядер, к-рые «выживают» в результате снятия возбуждения, составляет всего 10-8—10-10 от полного числа ядер мишени, слившихся с ч-цами. Это явл. причиной того, что за 20 лет синтезировано всего шесть новых элементов (от Z=102 до Z=107). При бомбардировке плотно упакованных устойчивых ядер Pb ионами Ar, Ti, Cr энергия ионов расходуется на «распаковку» составного ядра, и энергия возбуждения оказывается низкой (всего 10—15 МэВ), так что для его снятия достаточно испарения одного-двух нейтронов. Это позволило осуществить синтез ядер с Z=100, 104, 106 и 107.

В 1965 Г. Н. Флёров предложил использовать для синтеза Т. э. деление ядер под действием тяжёлых ионов(Хе, U). Осколки деления имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией. Следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно большим, чем 1/2 суммы Z элемента-мишени и Z бомбардирующего иона. Распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых ч-ц (см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА).

Т. э. испытывают все виды радиоактивного распада. Однако процессы b-распада относительно медленные, и их роль невелика при распаде ядер с 2>100, имеющих короткие времена жизни относительно a-распада и спонтанного деления. С ростом Z конкуренция между спонтанным делением, а- и b-распадами становится всё более заметной. Нестабильность относительно спонтанного деления должна, очевидно, определять границу периодич. системы элементов. Если период полураспада для спонтанного деления 92U 1016 лет, для 94Pu — 1010 лет, то для 100Fm он измеряется часами, для курчатовия — секундами, для 106-го элемента — миллисекундами.

Теор. рассмотрение указывает на возможность существования очень тяжёлых ядер, имеющих повышенную стабильность относительно спонтанного деления и a-распада. Такой «остров стабильности» должен располагаться вблизи магич. ядра с Z=114 и числом нейтронов N=184. Нек-рые из этих Т. э. могут иметь T1/2=108 лет и не исключено, что их микроколичества могли сохраниться на Земле до нашего времени.

Научно-технический энциклопедический словарь

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, элементы, атомный номер которых больше атомного номера УРАНА (92). Из них наиболее известны элементы группы актиноидов (атомные номера от 89 до 103). Все трансурановые элементы радиоактивны. В природе встречаются только НЕПТУНИЙ и ПЛУТОНИЙ (в ничтожных количествах). Они же могут быть синтезированы в больших количествах. Нептуний был первым трансурановым элементом, полученным искусственно: в 1940 г. американский физик Эдвин МАКМИЛЛАН и специалист по физической химии Филипп Эбельсон подвергли уран бомбардировке нейтронами в синхроциклотроне. С тех пор таким же способом были получены и другие элементы. Единственный элемент группы, используемый в промышленных масштабах - плутоний, который применяется в АТОМНОМ ОРУЖИИ и как топливо в АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ.

Энциклопедия Кольера

Как явствует из их названия, трансурановые элементы это химические элементы, которые располагаются за ураном в ряду актиноидов. Это элементы от нептуния (атомный номер 93) до лоуренсия (атомный номер 103). Их синтезируют в ядерных реакциях из урана или некоторых других тяжелых элементов. Поэтому более корректно считать, что эти элементы были получены, а не открыты. Все трансурановые элементы радиоактивны.

Открытие (получение). Нептуний. Первый из открытых трансурановых элементов был назван в честь планеты Нептун. В виде изотопа 239Np он был впервые получен Э.Макмилланом и Ф.Эйблсоном в 1940 в Калифорнийском университете в Беркли при бомбардировке урана нейтронами. 237Np с периодом полураспада 2,14Ч106 лет получают как побочный продукт при производстве плутония в ядерных реакторах. Следовые количества нептуния обнаружены в природе как результат реакций трансмутации в урановых рудах, вызываемых нейтронами, которые образуются в результате природного процесса деления урана.

Плутоний. Названный в честь планеты Плутон, плутоний в виде изотопа 238Pu открыли Г. Сиборг, Э.Макмиллан, Дж.Кеннеди и А.Валь в конце 1940 в Калифорнийском университете. Плутоний получается при бомбардировке урана дейтронами ядрами "тяжелого" водорода или атомами дейтерия. Благодаря совершенствованию ядерной технологии получения 239Pu из природного урана его производство исчисляется в килограммовых количествах. Следы плутония обнаружены в природе как результат распада урана и его облучения нейтронами. 239Pu имеет период полураспада 24360 лет и является источником нейтронов. Он успешно применяется как взрывчатый компонент ядерного оружия и как топливо в ядерной энергетике.

Америций. Четвертым открытым трансурановым элементом, но третьим по расположению в ряду актиноидов, был америций, названный в честь Америки. Он был открыт Г.Сиборгом, Р.Джеймсом, Л.Морганом и А.Гиорсо в конце 1944 начале 1945 в Металлургической лаборатории Чикагского университета. 241Am с периодом полураспада 470 лет получается при интенсивной нейтронной бомбардировке плутония. Америций используют во многих химических исследованиях. В настоящее время его получают в граммовых количествах.

Кюрий. Названный в честь супругов Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри этот трансурановый элемент был идентифицирован Г.Сиборгом, Р.Джеймсом и А.Гиорсо в 1944 в Металлургической лаборатории Чикагского университета. При бомбардировке 239Pu ионами гелия (a-частицами) был получен кюрий-242. 242Cm (период полураспада 162,5 сут) и 244Cm (период полураспада 17,6 года) получаются и при нейтронной бомбардировке.

Берклий. Берклий пятый из синтезированных трансурановых элементов был открыт С.Томпсоном, А.Гиорсо и Г.Сиборгом в конце 1949 в Беркли (шт. Калифорния), в честь этого города и получил свое название. 243Bk получается при бомбардировке 241Am ионами гелия. Изотоп 249Bk (период полураспада 314 сут) был выделен в весовых количествах. Элемент может быть получен при длительной бомбардировке плутония нейтронами.

Калифорний. Названный так в честь одного из штатов США, этот элемент в виде 245Cf является шестым открытым трансурановым элементом. Он был получен С.Томсоном, К.Стритом, А.Гиорсо и Г.Сиборгом в начале 1950 при бомбардировке микрограммовых количеств 242Cm ионами гелия. Калифорний в виде смеси изотопов 249Cf, 250Cf, 251Cf, 252Cf выделен в весовых количествах после длительной нейтронной бомбардировки плутония.

Эйнштейний. Седьмой трансурановый элемент был назван в честь А.Эйнштейна. Он был обнаружен вместе с другим новым элементом (фермием) в Лос-Аламосской исследовательской лаборатории в образцах, отобранных после экспериментального термоядерного взрыва в 1952. Сверхтяжелые изотопы урана, возникшие под действием на уран интенсивного нейтронного потока, образовавшегося при этом взрыве, распадались на элемент-99 (эйнштейний) и элемент-100 (фермий) наряду с другими трансурановыми элементами. Эйнштейний-253 (период полураспада 20 сут) открыли в конце 1952 Гиорсо и его коллеги из Радиационной лаборатории Калифорнийского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Лос-Аламосской исследовательской лаборатории. Сравнительно долгоживущий изотоп 254Es (период полураспада 276 сут) получен нейтронной бомбардировкой, этот элемент был выделен в весовых количествах. Наиболее долгоживущий изотоп 252Es имеет период полураспада 471,7 сут.

Фермий. Этот элемент открыт вместе с эйнштейнием (см. выше). Он был назван в честь Э.Ферми, физика, который руководил созданием первого атомного реактора. 255Fm (период полураспада 20 ч) открыли А.Гиорсо с сотр. в начале 1953 во время экспериментов по обнаружению эйнштейния. Долгоживущим изотопом фермия является 257Fm (период полураспада около 80 сут).

Менделевий. Менделевий девятый трансурановый элемент назван в честь Д.И.Менделеева, русского химика, открывшего периодический закон и предложившего классификацию элементов в соответствии с увеличением их атомной массы. Впервые 256Md (период полураспада около 1 ч) был обнаружен А.Гиорсо, Б.Харви, Г.Шоппеном, С.Томсоном и Г.Сиборгом в 1955 при бомбардировке ничтожных количеств 253Es ионами гелия в 152-см циклотроне в Беркли. Первая идентификация элемента была удивительна, так как в опытах было получено всего 1 или 2 атома элемента. 258Md был получен в 1967. Оказалось, что он имеет исключительно большой период полураспада (ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ2 мес).

Нобелий. Открыт А.Гиорсо, Т.Сиккеландом, Дж.Уолтоном и Г.Сиборгом в апреле 1958. В линейном ускорителе тяжелых ионов (Калифорнийский университет в Беркли) был получен изотоп с массовым числом 254 и периодом полураспада 55 с. (В 1957 об открытии 102-го элемента сообщила международная группа ученых, работавшая в Нобелевском институте физики в Швеции. Воспроизвести их результаты не удалось ученым в Беркли и в Дубне.)

Лоуренсий. Открыт А.Гиорсо, Т.Сиккеландом, А.Ларшем и Р.Латимером в Калифорнийском университете в апреле 1961. Элемент был получен бомбардировкой калифорния ионами бора в линейном ускорителе тяжелых ионов в Беркли. Полученный изотоп (либо 258Lr, либо 259Lr) имел период полураспада ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ8 с. Это завершающий элемент ряда актиноидов.

Свойства. Все трансурановые элементы являются семейством химически сходных элементов актиноидного ряда и обладают большим химическим сходством с лантаноидами. На основании изучения свойств трансурановых элементов и их соединений установлено, что элементы в соответствии с их электронной конфигурацией образуют две сходные группы. Внутренний электронный слой четырнадцати 5f-электронов заполняется по мере увеличения атомного номера актиноида, аналогичный процесс происходит при застройке 4f-оболочки лантаноидов. Все трансурановые элементы проявляют валентность (степень окисления) III и образуют комплексные ионы с неорганическими и органическими лигандами. Сульфаты, нитраты, хлориды и перхлораты элементов растворимы, а трифториды и оксалаты нерастворимы в кислотах. Np, Pu, Am в водных растворах проявляют степени окисления IV, V и VI, стабильность этих состояний в сравнении со степенью окисления III уменьшается с ростом атомного номера. Bk проявляет в водном растворе степени окисления IV и III. Растворы соединений трансурановых элементов нередко окрашены. Например, ионы Np(III) окрашивают раствор в бледнопурпуровый цвет, Pu(III) в темнопурпуровый, Pu(IV) в зеленый цвет, а Am(III) в розовый. Методом ионообменной хроматографии изучены химические свойства многих соединений актиноидов. Этот метод совместно с методикой сопоставления с лантаноидами способствовал открытию и обнаружению элементов, расположенных после кюрия.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ.

Химическая энциклопедия

хим. радиоактивные элементы, расположенные в периодич. системе после урана, т. е. с ат. н. Z4125-1.jpg93. Известно 17 Т. э. Все они синтезированы с помощью ядерных р-ций, в природе обнаружены только микрограммовые кол-ва Np и Рu. С увеличением Z период полураспада Т. э. резко уменьшается-от 8

Энциклопедический словарь

трансура́новые элеме́нты

химические элементы, расположенные в периодической системе после урана, то есть с атомного номера Z≥93. Известно 17 трансурановых элементов. Все они синтезированы с помощью ядерных реакций (в природе обнаружены только микроколичества Np и Pu). Трансурановые элементы радиоактивны; с увеличением Z период полураспада трансурановых элементов резко уменьшается (от 8·107 лет для 244Pu до микросекунд для элементов с Z = 106—109).

* * *

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ТРАНСУРА́НОВЫЕ ЭЛЕМЕ́НТЫ, химические элементы, расположенные в периодической системе после урана, то есть с атомным номером Z >92.

Все трансурановые элементы синтезированы с помощью ядерных реакций(см. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ) (в природе обнаружены только микроколичества Np и Pu). Трансурановые элементы радиоактивны; с увеличением Z период полураспада(см. ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА) T1/2 трансурановых элементов резко уменьшается.

В 1932 г., после открытия нейтрона, было высказано предположение, что при облучении урана нейтронами должны образовываться изотопы первых трансурановых элементов. И в 1940 г. Э. Макмиллан(см. МАКМИЛЛАН Эдвин Маттисон) и Ф. Эйблсон с помощью ядерной реакции(см. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ) синтезировали нептуний(см. НЕПТУНИЙ) (порядковый номер 93) и изучили его важнейшие химические и радиоактивные свойства. Тогда же произошло открытие и следующего трансуранового элемента — плутония(см. ПЛУТОНИЙ). Оба новых элемента были названы в честь планет Солнечной системы.

Все трансурановые элементы до 101-го включительно были синтезированы благодаря применению легких бомбардирующих частиц: нейтронов, дейтронов и альфа-частиц. Процесс синтеза состоял в облучении мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах или при взрыве ядерных устройств, можно получить все трансурановые элементы, до Fm (Z = 100) включительно. В качестве мишеней использовались также элементы с Z на 1 или на 2 меньше, чем у синтезируемого элемента. В период с 1940 по 1955 гг. американскими учеными под руководством Г. Сиборга(см. СИБОРГ Гленн Теодор) были синтезированы девять новых элементов, не существующих в природе: Np (нептуний(см. НЕПТУНИЙ)), Pu (плутоний(см. ПЛУТОНИЙ)), Am (америций(см. АМЕРИЦИЙ)), Cm (кюрий(см. КЮРИЙ)), Bk (берклий(см. БЕРКЛИЙ)), Cf (калифорний(см. КАЛИФОРНИЙ)), Es (эйнштейний(см. ЭЙНШТЕЙНИЙ)), Fm (фермий(см. ФЕРМИЙ)), Md (менделевий(см. МЕНДЕЛЕВИЙ)). В 1951 Г. Сиборгу и Э. М. Макмиллану была присуждена Нобелевская премия «за открытия в области химии трансурановых элементов».

Возможности метода синтеза тяжелых радиоактивных элементов, при котором применяется облучение легкими частицами, ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Элемент с Z = 101 (менделевий(см. МЕНДЕЛЕВИЙ)) был открыт в 1955 г. при облучении 25399Es (эйнштейния) ускоренными a-частицами. Синтезы новых трансурановых элементов становились все сложнее по мере перехода к большим значениям Z. Все меньшими оказывались величины периодов полураспада их изотопов.

В 1965 г. Г. Н. Флеров(см. ФЛЕРОВ Георгий Николаевич) предложил использовать для синтеза трансурановых элементов деление ядер под действием тяжелых ионов. Например элемент курчатовий(см. КУРЧАТОВИЙ) с Z = 104 был получен Г. Н. Флеровым и сотрудниками по реакции: 24294Pu (2210Ne, 4n) 260104Ku. Пять элементов с Z > 101 были получены на ускорителях заряженных частиц (циклотрон Объединенного института ядерных исследований(см. ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (ОИЯИ)); Дубна, СССР) и линейный ускоритель тяжелых ионов «Хайлак» (Беркли, США) в ядерных реакциях с тяжелыми нейтронами. Химические элементы с самыми большими порядковыми номерами 116 и 118, известными в настоящее время, впервые созданы на циклотроне в лаборатории Беркли в экспериментах по обстрелу свинцовой мишени ионами криптона с энергиями примерно 450 МэВ.

Из-за относительно малого времени жизни трансурановые элементы не сохранились в земной коре. В природных минералах найдены микроколичества 244Pu, наиболее долгоживущего трансуранового элемента (его период полураспада T1/2 = 8.107 лет). В урановых рудах обнаружены следы 237Np (T1/ 2ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 2,14.106 лет и 239Pu (T1/2 ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 2,4.104 лет).

Существенные трудности возникают при изучении свойств синтезированных изотопов. Основные причины — малое время жизни. Периоды полураспада некоторых элементов измеряется долями секунд, а также сложность накопить такие короткоживущие элементы в достаточном количестве.

Трансурановые элементы находят практическое применение главным образом как изотопные источники энергии. Среди них особую роль играет плутоний-239, который является эффективным ядерным горючим.

Большой энциклопедический политехнический словарь

(от транс- и уран) - хим. радиоактивные элементы, располож. в периодич. системе Менделеева после урана и имеющие атомные номера Z больше 92. Из них элементы с Z от 93 до 103 относятся к актиноидам, элемент с Z = 104 (курчатовий) является аналогом циркония и гафния, а элемент с Z = 105 (см. Нилъсборий) - аналог тантала. В 1974 сов. физики сообщили о синтезе Т. э. с Z = 106. Позднее получены элементы с Z = 107 - 109. В природе найдены ничтожные кол-ва только двух Т. э. - нептуния и плутония. Все Т. э. получены искусств. путём, с помощью разл. ядерных реакций. С ростом Z время жизни изотопов Т. э. быстро уменьшается, составляя у последних из открытых Т. э. доли секунды.

Большая политехническая энциклопедия

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — (трансураны, заурановые элементы) — радиоактивные химические элементы (см.), расположенные в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева (см.) после урана и имеющие атомные номера больше 92. Большинство известных Т. э. (93— 115) принадлежит к числу актиноидов. Все их изотопы имеют период полураспада значительно меньший, чем возраст Земли, поэтому они практически отсутствуют в природе. Найдены только ничтожные количества двух природных трансуранов — нептуния (см.) и плутония (см.), все остальные получены посредством различных ядерных реакций. С ростом атомного номера искусственно полученного элемента время жизни такого изотопа быстро уменьшается, составляя у последних из открытых Т. э. секунды и доли секунды.

Dictionnaire technique russo-italien

elementi transuranici

Естествознание. Энциклопедический словарь

хим. элементы, расположенные в периодич. системе после урана, т. е. с ат. н. Z>=93. Все они синтезированы с помощью ядерных реакций (в природе обнаружены только микроколичества Np и Рu). Т. э. радиоактивны; с увеличением Z период полураспада Т. э. резко уменьшается (от 8-107 лет для 244Ри до микросекунд для элементов c Z = 106-109).

Термины атомной энергетики

Transuranium elements

химические элементы с атомными номерами больше 92, члены актинидного ряда. В периодической системе элементов расположены после урана. Получены искусственным путем с помощью ядерных реакций, Периоды полураспада трансурановых элементов меньше возраста Земли, и поэтому в природе эти элементы не встречаются.