2. История открытия

   1. От актиния до нептуния

Первыми открытыми актиноидами были уран и торий. Уран открыл  Мартин Генрих Клапрот в 1789 году в урановой смоляной руде (название элемента происходит от названия планеты Уран, открытой восемью годами ранее). М. Клапрот, восстанавливая углём жёлтый оксид урана, добыл чёрное вещество, которое ошибочно принял за металл. Только через 60 лет французский исследователь Эжен Мелькиор Пелиго изучил его и понял, что это вещество — диоксид урана. Тогда же была неправильно вычислена атомная масса — 120. Только Д. И. Менделеев в 1872 году на основании открытого им закона уточнил атомную массу урана — 240. Экспериментально эту величину подтвердил в 1882 году К. Циммерман.

Торий открыл Ф. Вёлер в минерале, который был найден в Норвегии (1827 год). В 1828 году Берцелиус получил из Норвегии образец минерала и детально изучил этот элемент, он же назвал его в честь скандинавского бога грома и молнии — Тора.

Актиний был открыт в 1899 году помощником Мари Склодовской-Кюри Андре-луи Дебьерном в отходах от переработки урановой смолки, из которой предварительно были удалены радий и полоний; он был выявлен во фракции, в которой при переработке руды концентрируются лантаноиды. Название элемента «актиний» происходит от лат. actis — луч, сияние. Данный металл был открыт не по его собственному излучению, а по излучению дочерних продуктов распада.

Из-за высокого сходства актиния и лантана и незначительного распространения актиния долгое время не удавалось выделить его в чистом виде. Чистый актиний был добыт лишь в 1950 году. Для элемента на данный момент известны 31 изотоп с массовыми числами 206—236 и 8 возбужденных изомерных состояний некоторых его нуклидов. Наиболее стабильным является изотоп актиния ²²⁷Ac, который имеет период полураспада T_½ = 21,77 года.

В 1917 году долгоживущий изотоп протактиния открыли Отто Ган (см. приложение А, рис. А.1) и Лиза  Мейтнер. Название «протактиний» означает, что атом этого элемента способен образовывать актиний (при α-распаде ²³¹Pa образуется ²²⁷Ac). На данный момент известны 29 изотопов протактиния с массовыми числами 212—240 и 3 возбужденных изомерных состояния некоторых его нуклидов. Наиболее стабилен нуклид ²³¹Pa, период полураспада которого равен 3,28×10⁴ лет.

Первым предположил существование трансурановых элементов Энрико Ферми (см. приложение А, рис А.2), что явилось результатом ряда его экспериментов в 1934 году.

Синтез изотопа нептуния ²³⁹Np, который провели в 1940 г. Эдвин Мак-Миллан и Филипп Абельсон, положил начало открытию трансурановых элементов. В последующие годы был произведен ядерный синтез других изотопов нептуния.

Актиноиды на протяжении последних десятилетий досконально изучались Гленном Сиборгом (см приложение А, рис. А.3) при и его школой. При участии Сиборга был произведён синтез большинства трансурановых элементов.

2. От плутония до лоуренсия

Трансурановые элементы в природе практически не встречаются. Для их получения используют ядерные реакции, которые проходят в ядерных реакторах. Так, например, уран-238 в реакторе под действием нейтронов частично преобразуется в плутоний-239. При этом происходят следующие реакции:

При дальнейшем поглощении нейтронов ²³⁹Pu превращается в ²⁴¹Pu, который вследствие β-распада переходит в ²⁴¹Am.

Именно таким способом Энрико Ферми с сотрудниками в первом в мире реакторе «Чикагская поленница-1» впервые получил значительные количества плутония-239, которые были использованы для создания ядерного оружия.

Актиноиды с наибольшими порядковыми номерами получены при бомбардировании ядер урана, плутония, кюрия или калифорния ионами азота, кислорода, углерода, неона, бора на ускорителях тяжёлых ионов. Так, один из первых методов синтеза нобелия — бомбардировка мишени из урана-238 ядрами неона-22 в реакции:

.

Первые изотопы ТПЭ — америций-241 и кюрий-242 — были синтезированы в 1944 году Г. Сиборгом, Джеймсом и Альбертом Гиорсо. Изотопы кюрия были получены при бомбардировке ядер плутония-239 ионами гелия с энергией 32 МэВ:

.

Этот элемент был назван в честь Мари Кюри и её мужа Пьера, которые обнаружили радий и изучали явление радиоактивности. Внешняя электронная оболочка америция () оказалась аналогичной европию (). Поэтому элемент назвали в честь Америки, как европий — в честь Европы.

Также изотопы америция-241 и кюрия-242 были выделены из плутония, облучённого нейтронами в реакторе, где они образовались в результате ядерных превращений.

При бомбардировании кюрия-242 α-частицами образуется изотоп калифорния ²⁴⁵Cf. С помощью аналогичной реакции из америция-241 был получен берклий-244:

Берклий и калифорний назвали в честь Калифорнийского университета в городе Беркли, где были впервые получены.

В 1945 году Кеннингем впервые выделил твёрдое соединение одного из ТПЭ — гидроксид америция. В течение последующих 3—4 лет были накоплены миллиграммовые количества америция и микрограммовые количества кюрия, что позволило, в результате облучения америция и кюрия, синтезировать изотопы берклия (Стэнли Дж. Томсон, 1949 год) и калифорния (Томсон, 1950 год). Весовые количества данных элементов были выделены значительно позже, в 1958 году (Кеннингем и Томсон), а первое соединение калифорния (CfOCl) получено лишь в 1960 году (Кеннингем и Уолмен).

Эйнштейний и фермий были выделены группой американских учёных из Калифорнийского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Лос-Аламосской научной лаборатории в 1952—1953 годах из продуктов термоядерного взрыва, произведённого 1 ноября 1952 года. В результате мгновенного облучения урана-238 большим потоком нейтронов, возникшим при термоядерном взрыве, образовались тяжёлые изотопы урана, уран-253 и уран-255, при β-распаде которых в конечном итоге образовались изотопы эйнштейния-253 и фермия-255. Эйнштейний был найден группой американских учёных во главе с А. Гиорсо в 1952 году и назван в честь великого физика — А. Эйнштейна. Фермий был найден также А. Гиорсо в 1953 году в виде изотопа фермия-255, и назван в честь итальянского физика Э. Ферми, внёсшего большой вклад в развитие современной физики. Первые весовые (субмикрограммовые) количества эйнштейния выделены в 1961 году Кеннингемом и его сотрудниками. Фермий и ТПЭ с бо́льшими порядковыми номерами до настоящего времени не получены в весовых количествах.

Первый изотоп менделевия ²⁵⁶Md был синтезирован в феврале 1955 года (Г. Сиборг и сотрудники) при облучении эйнштейния-253 ионами гелия. Для синтеза следующих за менделевием элементов пришлось использовать новый метод — облучение ядер урана и трансурановых элементов тяжёлыми многозарядными ионами. Ввиду исключительно малого выхода и коротких периодов полураспада изотопов трансменделевиевых элементов, синтезируемых в этих реакциях, их идентификация оказалась очень сложной и не всегда надёжной. Как правило, в первых работах по синтезу элементов с Z>102 полученные изотопы идентифицировались чисто физическими методами, по характеру излучения и дочерним продуктам распада.

Попытки получения изотопов нобелия велись с 1957 года, но первым надёжным результатом следует считать синтез изотопа нобелия ²⁵⁶No, который был проведён Георгием Флёровым (см. приложение А, рис А.4) на ускорителе Объединённого института ядерных исследований в Дубне в 1963 году. Для получения данного изотопа использовался уран-238 и неон-22.

В 1961 году А. Гиорсо и сотрудниками был получен первый изотоп лоуренсия путём облучения калифорния-252 ионами бора-10 и бора-11; массовое число этого изотопа не было точно установлено (возможно, 258 или 259) на тот момент. Более надёжно идентифицирован изотоп лоуренсия ²⁵⁶Lr, синтезированный в 1965 году Г. Флёровым с помощью нуклидов ²⁴³Am и ¹⁸O. Элемент назван в честь изобретателя циклотрона, физика Эрнеста Лоуренса.

Большинство трансурановых элементов уже в достаточной мере изучены, но говорить о производственных количествах данных элементов, исключая плутоний и америций, и их соединений не приходится.

Первоначальные способы получения трансурановых элементов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Открытие трансурановых элементов
Элемент	Год открытия	Способ получения
Нептуний	1940	Бомбардировка 238U нейтронами
Плутоний	1941	Бомбардировка 238U дейтронами
Америций	1944	Бомбардировка 239Pu нейтронами
Кюрий	1944	Бомбардировка 239Pu α-частицами
Берклий	1949	Бомбардировка 241Am α-частицами
Калифорний	1950	Бомбардировка 242Cm α-частицами
Эйнштейний	1952	Обнаружен в продуктах термоядерного взрыва
Фермий	1952	Обнаружен в продуктах термоядерного взрыва
Менделевий	1955	Бомбардировка 253Es α-частицами
Нобелий	1965	Бомбардировка 243Am ядрами 15N
Лоуренсий	1961—1971	Бомбардировка 252Cf ядрами 10B