§ 2. Важнейшие изотопы актиния и актиноидов, методы их получения и идентификации

Наиболее важные изотопы актиноидов и методы их получения приведены в табл. 5.

     Основным источником получения природных изотопов элементов от актиния до урана включительно являются руды, содержащие уран и торий. Методы искусственного получения актиноидов можно разделить на две группы.

     Первая группа методов — облучение тория, урана и более тяжелых элементов нейтронами. Ядерные реакции, лежащие в основе этих методов, представляют собой многократно повторяющуюся реакцию радиационного захвата ядром нейтрона (n, ) с последующим ^- -распадом. Этим методом могут быть получены только изотопы с избытком нейтронов. Облучение нейтронами может осуществляться в ядерных реакторах (реакторный метод) с высокой интенсивностью потока (10¹³ — 10¹⁵ нейтронов/см²с) или в мощных кратковременных (импульсных) потоках нейтронов, возникающих при термоядерных взрывах. Получение трансурановых элементов в ядерном реакторе является единственным методом их промышленного производства. Схема получения акгиноидов реакторным методом представлена на рис. 32. Вертикальные стрелки указывают на образование в результате захвата нейтронов

Таблица 5. Наиболее важные изотопы актиния и актиноидов
Изотоп	Период полураспада	Массовая активность Бк/мкг	Тип распада	Метод получения
227Ac*	21,8 г	2,7106	-(98,8%)  (1,2%)	Естественный, ряд 235U  226Ra(n,)227Ra
228Ac	6,13 ч	7,951010	-	Естественный, ряд 232Th
228Th	1,91 г	3,07107		Естественный, ряд 232Th
230Th	7,52104 г	7,72102		Естественный, ряд 238U
232Th	1,41010	4,1110-3		Естественный
233Th	22,12 м	1,351012	-	232Th(n,)
234Th	24,1 сут	3,181010	-	Естественный, ряд 238U
231Pa	3,45104 г	1,68103		Естественный, ряд 235U  230Th(n,) 231Th
233Pa	27,0 сут	7,75103	-	232Th(n,) 233Th
233U	1,62105 г	3,54102		232Th(n,)
234U	2,5105 г	2,2810-2		Естественный, ряд 238U
235U	6,96108 г	8,1710-2		Естественный
238U*	4,51109 г	1,2410-2		>>
235Np	410 сут	5,18107	ЭЗ, 	235U(d,n)
237Np*	2,14106 г	26,3	, 	238U(n, 2n) 237U
236Pu	2,85 г	2,0107	, 	238U(d, 6n)  237Np(d, 3n)
238Pu	86,4 г	6,47105		238U(, 2n); 242Cm  237Np(n, ) 238Np
239Pu*	2,44104 г	2,3103		238U(, n); 239Np
240Pu*	6,66103 г	8,5103		238U(, 2n); 239Pu(n, )
242Pu*	3,87105 г	1,44102	, 	241Pu(n, )
244Pu*	8,28107 г	6,66	(0,01%)  -(99,9%),  СД	243Pu(n, ); 244Am
241Am*	433 г	1,26105	, 	241Pu
243Am*	7,37103 г	74		242Am(n, ) 243Pu
242Cm*	164 сут	1,22108		243Am(p, 2n); 242Am
244Cm*	18,099 г	3,03104		244Am ; 243Cm(n, )
247Bk*	1,38 103 г	4,07104		244Cm(d,n); 247Cf
249Bk*	314 сут	6,29107	-, (1,45x x10-3%)	248Cm(n, ) 249Cm
249Cf*	352 г	1,5105		249Bk
252Cf*	2,631 г	2,0107	(0,968),  СД(0,032)	251Cf(n, )
253Es*	20,47 сут	9,25108		253Cf
254Es*	276 сут	7,03107	, -(0,01)	253Es(n, )
255Es*	39,3 сут	4,81108	-(0,91),  (0,09)	254Es(n, )

Продолжение табл. 5
Изотоп	Период по- лураспада	Массовая активность Бк/мкг	Тип распада	Метод получения
257Fm*	94 сут	2,03103		256Fm(n,)
256Md*	75 мин	3,661011	ЭЗ(0,91)  (0,09)	253Es(, n)
258Md	56 сут	3,37108		255Es(, n)
255102*	3,0 мин	9,251012		242Pu(180,5 n);  246Cm(13C, 4 n);  248Cm(12C, 5 n)
259102	1,5 ч	3,011011		248Cm(18O,  3 n)
256103*	35 с	4,71013		243Am(16O, 5 n)
260103	3 мин	9,11012		248Cm(15N,3 n)

     * Звездочкой отмечены изотопы, которые наиболее удобно использовать для изучения физических и химических свойств.

более тяжелых изотопов облучаемых элементов, а горизонтальные — на последовательно происходящие процессы ^--распада.

     С увеличением атомного номера и массового числа синтезируемого элемента резко уменьшается его выход. Самый тяжелый элемент, который может быть получен реакторным методом, — фермий, поскольку единственным путем получения в реакторе трансфермиевых элементов является ^--распад ²⁵⁹Fm. Однако накопить этот изотоп в ядерном реакторе в соответствии со схемой ²⁵⁷Fm(n,) ²⁵⁸Fm(n,) ²⁵⁹Fm невозможно из-за того, что время, необходимое для присоединения нейтрона по реакции ²⁵⁷Fm(n,)²⁵⁸Fm, значительно больше, чем период спонтанного деления образующегося продукта ²⁵⁸Fm (Т= 3,810^-4 с).

     Особенностью получения трансурановых элементов в импульсных потоках нейтронов, возникающих при термоядерных взрывах, является чрезвычайно высокая интенсивность нейтронного потока (10²³—10²⁵ нейтронов/см²), существующего крайне короткое время (10^-6 — 10^-8 с). Чтобы получить такой интегральный поток нейтронов в реакторе (с интенсивностью 510¹⁵ нейтронов/см²с), необходимо облучение в течение 1—30 лет. В импульсном потоке происходит множественный захват нейтронов с образованием сверхтяжелого изотопа облучаемого элемента, который посредством цепи ^--превращений трансформируется в синтезируемый элемент, например

     ²³⁸₉₂U [(n, )^{17 255}₉₂U]^{8- 255}₁₀₀Fm

     Число захватываемых нейтронов в ядерной реакции этого типа зависит от плотности потока нейтронов и времени его действия. По теоретическим прогнозам в импульсных потоках нейтронов могут быть получены элементы с порядковыми номерами 104 и 105. Однако до настоящего времени самым тяжелым элементом, полученным этим методом, также является фермий (²⁵⁷Fm). Получение трансурановых элементов в импульсном потоке нейтронов характеризуется низкип выходом, связано с переработкой большого количества подвергнутого облучению материала очень сложного элементного и изотопного состава и исключительно высокой активности.

     В т о р а я  г р у п п а  методов получения трансурановых элементов состоит в облучении урана и более тяжелых элементов заряженными частицами с использованием ускорителей различных типов (ускорительный метод).

     Использование в качестве бомбардирующих частиц ионов дейтерия и гелия позволяет получить элементы вплоть до менделевия. Ряд реакций этого типа:

     ²⁴⁹₉₃Cf(d, 2n) ²⁴⁹₉₉Es; ²⁵⁵₉₉Es(, n) ²⁵⁸₁₀₁Md

     Самые тяжелые актиноиды получают по ядерным реакциям с тяжелыми ионами — многократно ионизированными атомами углерода, азота и кислорода. В качестве примера такой реакции ниже представлена реакция получения 103-го элемента:

     ²⁴⁸₉₆Cm + ¹⁵₇N  ²⁶³103 ²⁶⁰103 + 3¹₀n

     Энергия тяжелых ионов, используемых в качестве бомбардирующих частиц, должна превышать кулоновский барьер слияния ядер и лежит в пределах десятков — сотен мегаэлектронвольт. Для получения таких ионов необходимы мощные ускорители. Особенностью и достоинством ядерных реакций этого типа является скачкообразное изменение атомного номера облучаемого элемента на величину, соответствующую порядковому номеру ядра бомбардирующей частицы. Недостатком метода является крайне малый выход нового элемента (единицы — сотни атомов за час работы ускорителя). Это объясняется тем, что основным видом распада составного ядра, образующегося в результате реакции слияния ядер, является спонтанное деление. Образование нового элемента, сопровождающееся испарением нескольких нейтронов, происходит с гораздо меньшей вероятностью. В наиболее благоприятных условиях соотношение вероятностей этих двух конкурирующих процессов составляет 10³: 1.

     Сложность идентификации актиноидов, особенно наиболее тяжелых из них, обусловлена крайне малыми периодами полураспада и сверхмалыми количествами синтезируемых элементов. Эти трудности усугубляются сложностью элементного и изотопного состава облученной мишени.

     В связи с этим возникла необходимость разработки специальных экспрессных ядерно-физических и химических методов идентификации. Задачей ядерно-физических методов идентификации является установление заряда и массового числа синтезируемого изотопа, не прибегая к его химическому выделению. К этим методам относятся: метод перекрестных облучений, изучение кривых возбуждения, установление генетических связей.

     Целью метода перекрестных облучений является доказательство того, что новый изотоп образуется при определенных комбинациях ядер мишени и бомбардирующих частиц. Например, изотоп ²⁵⁵l02 может получаться по реакцииям ²⁴²Pu(¹⁸O, 5n) и ²⁴⁸Сm(¹²C, 5n), но не должен образовываться при облучении того же изотопа плутония по реакции ²⁴²Pu(¹²₆C, 4n).

Рис. 33. Кривые возбуждения при синтезе актиноидов по реакциям с тяжелыми ионами: 1 - элемента 102; 2 - фермия

     Метод идентификации по кривой возбуждения основан на изучении характера зависимости сечения ядерной реакции от энергии бомбардирующих частиц. Этот метод позволяет определить число нейтронов, испаряющихся в ходе ядерной реакции с тяжелыми ионами. Определение числа нейтронов производится путем сопоставления экспериментально полученных и расчетных кривых возбуждения (рис. 33).

     Метод установления генетических связей используется для определения заряда и массового числа изотопов, распадающихся путем -распада или электронного захвата. Он основан на идентификации дочернего продукта, представляющего собой нуклид с известными ядерно-физическими характеристиками. Этот метод был использован для идентификации изотопов 102-го и 103-го элементов, например:

     

     Химические методы идентификации включают выделение синтезируемого элемента из облученной мишени и установление его химической природы. Наиболее распространенными методами химической идентификации всех актиноидных элементов, за исключением 102-го и 103-го, являются методы комплексообразовательной и распределительной хроматографии. При этом порядковый номер элемента определяется по положению пика на кривой вымывания (см. рис. 36).

     Для химической идентификации короткоживущих тяжелых изотопов 102-го и 103-го элементов, получаемых в микроколичествах (несколько десятков атомов и менее), требовалась разработка специальных экспрессных методов идентификации. Одним из таких методов является фронтальная газовая хроматография на изотермической колонке (Т = 300^° С) (схему установки см. рис. 21). Атомы 102-го и 103-го элементов тормозятся в потоке азота и переносятся газом в стеклянную колонку 4. На входе в колонку вводятся пары сравнительно летучих хлоридов, например NbC1₅, ZrC1₄, TaC1₅ или HfCl₄, являющихся хлорирующими агентами. Экспериментально было показано, что адсорбция различных хлоридов хорошо коррелирует с их летучестью и чем менее летуч хлорид, тем больше время его удержания.

     Для химической идентификации 102-го и 103-го элементов сравнивалось поведение хлоридов этих элементов с поведением хлоридов тербия, калифорния и фермия, являющихся типичными представителями семейств лантаноидов и актиноидов. При этом за поведением изучаемых элементов следили по ²⁵²Fm, дочернему продукту 102-го или внучатому продукту 103-го элементов:

     

     Газовый поток переносил хлориды внутри стеклянной колонки длиной четыре метра, и они, в зависимости от их летучести, оседали в различных местах на внутренней поверхности стенок колонки. Предварительные опыты показали, что летучие хлориды элементов IV— VII групп периодической системы сравнительно легко проходят по всей колонке без существенной задержки, 102-й и 103-й элементы образуют нелетучие хлориды. Фронт этих хлоридов двигался по колонке очень медленно (подобно хлоридам других лантаноидов и актиноидов). Это указывало на их принадлежность к группе актиноидов, что дополнительно подтверждалось опытами по экстракции 102-го элемента в степени окисления +2 и 103-го в степени окисления +3.