Историки науки многократно подчеркивают, что Нью-Йоркская конференция явилась историческим поворотным моментом: в декабре 1940 года впервые была развита теория делимости неизвестного 94-го элемента. Однако в это время всемирный обмен научными идеями был уже сильно ограничен секретными преградами, поставленными войной. В американском специальном журнале "Физикл ревью", очень популярном, с июля-августа 1940 года не появлялось никаких сообщений по урановой проблеме.
Поэтому историки не заметили работу немецкого физика Карла фон Вейцзекера. В то время, когда все физики-атомщики уповали на получение ядерной энергии путем деления урана-235, Вейцзекер основывался уже на возможности получения энергии из урана-238. Эти соображения содержались в его докладе от 17 июля 1940 года, подготовленном для отдела вооружения армии.
По представлениям Вейцзекера, в запущенной урановой машине из неделящегося урана-238, считавшегося бесполезным, должен был путем поглощения нейтронов образовываться трансурановый 94-й элемент. Его изотоп-239, как и уран-235, является атомным делящимся веществом. Быть может, вообще было бы выгоднее, полагал Вейцзекер, сосредоточить свое внимание на легко выделяемом элементе 94, чем проводить трудоемкое обогащение и отделение урана-235.
Вернемся к событиям 1941 года в США. Для элемента 94 уже известен был изотоп-238; он был неделящимся, следовательно, неинтересным. Поэтому физики-атомщики США направили все усилия на получение делящегося изотопа-239. В марте 1941 года 1,2 кг чистейшей соли урана, замурованной в большой парафиновый блок подвергли в циклотроне бомбардировке нейтронами. Это было до тех пор самое большое количество вещества, которое подвергли превращению. Два дня и две ночи длилась бомбардировка "крепости" уранового ядра. Были получены приблизительно 0,5 мкг изотопа-239 элемента 94. Появление нового элемента, как и было предсказано теорией, сопровождалось потоком альфа-частиц.
28 марта 1941 года американские физики собрались в Беркли для решающего эксперимента. Сиборг, Сергэ, Кеннеди, Лоуренс взволнованно следили за экраном осциллографа, который должен был показать, способен ли новый элемент к делению. Опыт полностью подтвердил теорию: было найдено второе атомное взрывчатое вещество, даже мощнее предыдущего, так как для него требовалась меньшая критическая масса.
Начиная с этого момента все исследовательские работы с элементом 94 стали в США строго секретными. Номер 49 -- таков был код для изотопа-239 элемента 94. И все те, кто работал над атомной бомбой, изготовляемой из 94-го элемента, так и назывались -- сорок девятые. В сообщении от мая 1941 года Лоуренс подвел итоги достигнутым успехам и рекомендовал как можно скорее получить необходимое количество 94-го элемента для уранового котла. Не зная соображений Вейцзекера, в США пришли к тем же выводам.
Немецкие исследователи атома тоже не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена были разработаны основы для получения 94-го элемента. В августе 1941 года гость института, физик Фриц Хоутерманс, закончил свой секретный доклад "К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций". В нем он указывал теоретические возможности для изготовления в урановом котле нового взрывчатого вещества из природного урана.
94-й элемент обладает тем преимуществом, что он явно отличается по своим свойствам от урана, так что их сравнительно легко разделить. Такое химическое разделение происходит гораздо проще, чем трудоемкое отделение изотопов урана-235 и урана-238. Чтобы предпринять разделение в лаборатории, а затем -- как предусмотрено -- в производственном масштабе, безусловно, необходимо было заранее установить свойства этого искусственного элемента. Однако для аналитических химических исследований требовались весомые количества вещества. Откуда их взять? Ведь речь идет об элементе, которого нет на Земле. Или это все же не так?
В течение 1942 года американцы весьма серьезно занимались поисками трансуранов 93 и 94 в природных минералах. Трудоемкая переработка урановых руд из Колорадо и Нью-Мексико дала отрицательный результат. Если 94-й элемент там вообще есть, утверждали американские специалисты, то содержится он в рудных концентратах в соотношении 1 : 10[14] что говорит о невозможности его выделения. До последнего момента возлагали большие надежды на урановую смоляную руду из района Большого Медвежьего озера в Канаде. В руде, которая содержит сорок различных элементов, надеялись найти трансураны. Однако и эта надежда не оправдалась.
Единственное, что нашли, так это подходящее название для нового элемента. Снова представилась возможность провести параллель с астрономией. В 1930 году произошло знаменательное событие: по ту сторону Нептуна была открыта новая планета -- Плутон. Английский астроном Ловелл уже давно предсказывал ее существование и тем самым проявил себя не только как автор фантастических рассказов. Элемент 94 назвали в честь новой планеты плутонием. В таком наименовании заключено предзнаменование: ведь 94-й элемент, как следует из классической мифологии, носит имя бога смерти.
Как же шло дело с попытками получения заметных количеств плутония? В циклотроне были получены лишь микрограммовые количества -- тысячные доли миллиграмма. Использование циклотрона для синтеза искусственных элементов означало большой технический прогресс. Было высчитано, что с обычными радиево-бериллиевыми источниками нейтронов на получение 0,15 г плутония из урана потребовалось бы 200 лет. Такое же количество в циклотроне можно было получить за два дня, если использовать нейтроны, выбиваемые разогнанными дейтронами из бериллиевой мишени.
В августе 1942 года американцам Каннингему и Вернеру удалось получить около 1 мкг плутония. Через месяц, 10 сентября 1942 года, впервые было взвешено видимое количество искусственно изготовленного элемента: 2,77 мкг оксида плутония. Для этого специально были сконструированы микровесы с кварцевой нитью. В конце 1942 года уже имелось 500 мкг -- полмиллиграмма соли плутония. Это количество слишком мало даже для того, чтобы изготовить булавочную головку. Поразительна разработанная Каннингемом техника работы, ставшая основой ультрамикроанализа; необходимость работы с микроколичествами вещества заставила использовать совершенно новые формы искусства химического эксперимента. Лабораторный стол уступил место микроскопу. Почти все манипуляции пришлось проводить под стереомикроскопом. Обычные лабораторные стаканы и Колбы сократились до размеров тончайших капилляров с внутренним диаметром от 0,1 до 1 мм. В них помещали объемы жидкости от 10[-1] до 10[-5] мл и проводили химические реакции. Об этих работах значительной научной ценности по выделению и изучению 94-го элемента научный мир узнал только в послевоенные годы, когда с них была снята завеса секретности.
Основываясь на свойствах плутония, изученных ультрамикрометодами, был сделан смелый шаг: проектирование и постройка промышленных установок для изготовления и очистки этого делящегося элемента в масштабе 1:1000 000 000. Работа была начата в США в то время, когда еще не функционировал ни один реактор для синтеза плутония. Последний американцы запустили лишь 2 декабря 1942 года: под трибуной спортивного стадиона в Чикаго Энрико Ферми успешно поджег урановый котел, состоящий из слоев 6 т урана, 36,6 т оксида урана и 315 т чистейшего графита. В ход была пущена самоподдерживающаяся цепная реакция: управляемая, а следовательно, не разрушительная, как того боялись. Впервые "урановая машина" вырабатывала энергию, хотя сначала только 200 Вт. Также впервые в урановом реакторе образовывался элемент плутоний: элементы в реакторе искусственно превращались друг в друга в весомых количествах.
Для атомной промышленности США удачный эксперимент Ферми означал последний этап к осуществлению производства плутония в Хэнфорде. С невероятной поспешностью были установлены три гигантских урановых котла на южном берегу реки Колумбия. Атомный реактор Ферми работал, как часы. Когда в годы войны эти реакторы были запущены на полную мощность, они помимо большого числа радиоактивных изотопов вырабатывали ежедневно около 1,5 кг плутония. Кроме того, в процессе ядерного деления выделялось много энергии, которая не находила применения и лишь нагревала воду реки.
Когда американскому журналисту Вильяму Лоуренсу, автору нескольких популярных брошюр по атомной энергии, разрешено было побывать в Хэнфорде, увиденное поразило его. По его словам, не было никакого признака того, что в этом гиганте, построенном рукой человека, свирепствует космический огонь; что в его утробе происходит тот процесс созидания элементов, который, вероятно, протекал миллионы лет назад, когда возникали основы нашего мироздания. Все казалось каким-то нереальным. Установка работала в неестественной тишине, в которой можно было услышать биение собственного сердца.
Ферми использовал для своего реактора графит в качестве замедлителя. Немцы, как известно, предпочли тяжелую воду. Однако таким путем они не достигли цели. К тому же фашистская Германия была близка к гибели и не располагала теми мощными материальными и техническими средствами, которые имелись в США. Немецкая модель урановой машины не достигла критической массы; нельзя было получить 94-й элемент. Все другие работы по выделению атомного взрывчатого вещества уран-235 тоже не были закончены до конца войны. К счастью для народов, гитлеровская атомная бомба так и осталась страшным видением.
"Ад" и "безумие"
Благодаря точным ультрамикрохимическим работам ученые очень скоро стали располагать всеми основными физико-химическими данными для искусственного элемента плутония. Теперь исследователи с некоторой гордостью заявляют, что о плутонии известно больше, чем о каком-нибудь классическом элементе, скажем, железе.
Когда в конце 1943 года в США смогли "наскрести" несколько миллиграммов плутония, в Чикагском университете группа Гленна Сиборга и Альберта Гиорсо стала работать над синтезом и обнаружением других ближайших трансуранов -95- и 96-го. Они, несомненно, также должны образовываться в атомном реакторе в результате многократного захвата нейтронов ураном. Однако не было смысла выделять неизвестные элементы из продуктов деления до тех пор, пока не будут известны их химические и физические свойства. Поэтому Сиборг с сотрудниками хотели сначала получить эти трансураны при помощи циклотрона бомбардировкой плутония нейтронами или дейтронами. Между тем опыты, длившиеся месяцами, не давали каких-либо сдвигов. Появились сомнения в правильности использования методов разделения.
Прежние представления, согласно которым элементы 93, 94, 95 являются аналогами рения, осмия и иридия, то есть должны проявлять те же химические свойства, были разрушены с открытием нептуния и плутония: в этом месте периодическая система элементов была неверна! Экарений -- нептуний и экаосмий -- плутоний, как ни странно, совершенно не имели сходства с рением или осмием. Поэтому Сиборг предположил, что трансураны вместе с ураном относятся к новой группе элементов, являющихся преимущественно шестивалентными. Однако как ни привлекателен был этот вариант, как раз для него не было химических доказательств. Все операции, предпринятые для выделения полученных элементов 95 и 96, не приводили ни к чему, если исходить из их 6-валентности.
Сиборг вновь и вновь перепроверял свои представления. Быть может, аналогично 14 лантаноидам (редкоземельным элементам) существует также группа из 14 "актиноидов", которая следует за актинием и заканчивается 103-м элементом? В этом случае элементы 95 и 96 должны иметь электронные конфигурации, сходные с их "родственниками" -- европием (элемент 63) и гадолинием (элемент 64), то есть должны быть преимущественно трехвалентными.
Завороженная этой мыслью группа Сиборга рискнула сделать отважный прыжок в неизвестное. Они хотели, прежде всего, синтезировать элемент 96, чтобы на нем проверить свои представления. Летом 1944 года они бомбардировали 10 мг плутония -- больше не было -- альфа-частицами из циклотрона в Беркли:
[239]Pu + [4]He [242]X+ n
Опыт удался, удались и химическое разделение и идентификация элемента 96. Появилась актиноидная концепция Сиборга: актиноиды являются не чем иным, как экалантаноидами. Это следовало учитывать при размещении их в периодической системе. Так получилось, что 96-й элемент был открыт еще до 95-го. Однако химическое разделение обоих элементов долгое время казалось невыполнимым. Один сотрудник из группы в Беркли предложил назвать эти трансураны "пандемониум" (ад) и "делириум" (безумие). Разделение удалось только в 1945 году и лишь с помощью новой техники, которая основывалась на селективности только что разработанных ионообменных смол. Выделенный 96-й элемент назвали кюрием в честь Марии Кюри. Для 95-го элемента предложили название америций, исходя из его лантаноидного аналога -- европия. Когда позднее было получено первое видимое глазом количество искусственного элемента америция и его хотели запечатлеть на пленке, в Беркли отыскали подходящий для сравнения масштаб: маленькое игольное ушко. И все же оно было больше, чем количество америция, собранное на крошечном центрифужном стеклышке!
Чтобы получить следующие трансураны, нужно было располагать достаточно большими количествами америция и кюрия в качестве веществ для мишени. Вопрос касался не только их синтеза и выделения, но и лучевой защиты, ибо новые трансураны оказались крайне коварными радиоактивными веществами. Одним из опаснейших является плутоний вследствие его долго неисчезающий радиоактивности, а также способности задерживаться в человеческом организме. В 1 м[3] воздуха максимально допустимое содержание составляет 10[-9] г Pu. Если сравнить с синильной кислотой -- одним из сильнейших химических ядов, то ее предельно допустимая концентрация равна 11 мг на 1 м[3] воздуха. Поэтому при работе с этими искусственными элементами, ввиду их "радиотоксичности", первоочередной проблемой становится защита.
Синтезы элементов 97 и 98 заставили себя ждать. Затем их наконец получили. Сиборг, Гиорсо и Томсон в Беркли бомбардировали элементы 95 и 96 альфа-частицами большой энергии. Для мишеней были взяты миллиграммовые количества америция и даже микрограммовые количества кюрия, которые синтезировали искусственно в 1949/50 годах. Они были получены облучением соответственно плутония и америция в реакторе мощным потоком нейтронов. В урановом реакторе поток нейтронов во много раз интенсивнее, чем в циклотроне.
Два новых элемента увидели свет: 97-й -- берклий и 98-й - калифорний. Особенно тяжело досталось обнаружение 98-го элемента: из микрограммовых количеств кюрия образовывалось лишь около 5 000 атомов калифорния. Когда это стало известно, в университете в Беркли многие шутили: это количество значительно меньше, чем число студентов! Берклий так и остался очень редким элементом. Мировой запас и сегодня составляет лишь несколько миллиграммов. И все же благодаря изощренным методам анализа наука знает все наиболее существенные физико-химические константы этого искусственного элемента.
В настоящее время атомный реактор является основным источником получения элементов 94--98. Трансураны извлекают из отходов, образующихся после выгорания стержней из обогащенного урана, причем выделяют эти элементы в различных количествах. К этому мы еще вернемся. Значительно выше выходы продуктов деления средней массы, в которые превращается в реакторе уран-235. К ним относятся также искусственные элементы 43 и 61.
В 1945 году американские химики Марийский, Гленденин и Кориелл, используя новый ионообменник, впервые выделили заметные количества 61-го элемента. Все они вошли в историю науки как первооткрыватели этого элемента. Американцы предложили назвать его прометий, что символизировало бы отвагу человеческого духа и вместе с тем возможные опасности использования атомной энергии: ведь Прометей похитил у богов огонь, чтобы передать его людям.
Главный изотоп, прометий-147, радиоактивен и испускает слабое бета-излучение. Эти данные совпали с теоретическими предсказаниями. После того, как стали известны характерные свойства нового элемента, опыты по обнаружению его в природе, проводившиеся Эреметсе и другими учеными, имели некоторый успех. Работая в промышленном масштабе, финский химик выделил из 6 000 т апатита около 20 т оксидов редкоземельных элементов, а из них -- 3,8 кг смеси оксидов самария и неодима. После разделения на ионообменнике осталось целых 83 мг, которые испускали слабое бета-излучение. Эту фракцию Эреметсе исследовал в 1965 году и ее бета-спектр совпал со спектром прометия-147. По оценке Эреметсе, в концентрате, полученном из 6000 т апатита, должно содержаться 10[-11] г прометия. Кроме того, следы этого элемента были найдены также в урановой смолке. Предполагается, что природный прометий образовался захватом нейтронов 60-м элементом, неодимом, либо спонтанным делением урана-238, а также индуцированным делением урана-235. Однако такие природные "находки" не отвергают определения прометия, как искусственного элемента. Ведь ощутимые количества его и сегодня можно получить только из продуктов деления урана: мощные реакторы в 10 000 кВт дают ежедневно 1500 мг прометия-147. В 1959 году годовой выпуск прометия в США повысился уже до 650 г.
Изотоп технеция [99]Тс также удалось обнаружить в природе в виде следов. В 1 кг урановой руды нашли 10[-10] г изотопа. Технеций-99 возникает при спонтанном делении урана-238. Однако вряд ли кто-нибудь захочет получать его из урановых руд. В настоящее время располагают килограммовыми количествами технеция и получают его исключительно в ядерной промышленности. Еще в 1959 году английские химики сообщали, что они выделили 20 г этого искусственного элемента из 100 т отработанного реакторного топлива.
По новейшим исследованиям, плутоний уже нельзя называть искусственным элементом, ибо в 1971 году его обнаружили в природном редкоземельном минерале бастнезите, не содержащем урана. В 90 кг горной породы содержится 10[-14] г плутония-244, что было установлено с помощью масс-спектрографа. Это -- единственный изотоп 94-го элемента, который еще не совсем исчез с лица Земли за время ее существования. Другие изотопы плутония, которые сегодня в виде следов еще находятся в природных урановых рудах, имеют, как уже говорилось, искусственное происхождение.
По приблизительной оценке, вся земная кора толщиной в 16 км содержит около 1 кг плутония. Ввиду этого в таблице распространенности природных элементов плутоний занимает 90-е место -- между нептунием и францием. Таким образом, единственным источником плутония является также ядерная промышленность, которая дала уже многие тонны этого элемента.
Циклотроны и урановые реакторы все больше становятся современным философским камнем. С их помощью помимо большого числа известных радиоактивных элементов в значительных количествах синтезируются и новые -в граммах, килограммах и даже тоннах. В этой связи, естественно, возникает провокационный вопрос: нельзя ли производить также и золото в урановом реакторе?
Золото, полученное в атомном реакторе
В 1935 году американскому физику Артуру Демпстеру удалось провести масс-спектрографическое определение изотопов, содержащихся в природном уране. В ходе опытов Демпстер изучил также изотопный состав золота и обнаружил только один изотоп -- золото-197. Никаких указаний на существование золота-199 не было. Некоторые ученые предполагали, что должен существовать тяжелый изотоп золота, ибо золоту в то время приписывали относительную атомную массу 197,2. Однако золото является моноизотопным элементом. Поэтому желающим искусственным путем получить этот вожделенный благородный металл все усилия необходимо направить на синтез единственного устойчивого изотопа -- золота-197.
Известия об успешных опытах по изготовлению искусственного золота всегда вызывали беспокойство в финансовых и правящих кругах. Так было во времена римских правителей, так осталось и теперь. Поэтому не удивительно, что сухой отчет об исследованиях Национальной лаборатории в Чикаго группы профессора Демпстера еще недавно вызвал возбуждение в капиталистическом финансовом мире: в атомном реакторе можно из ртути получить золото! Это -самый последний и убедительный случай алхимического превращения.
Началось это еще в 1940 году, когда в некоторых лабораториях ядерной физики начали бомбардировать быстрыми нейтронами, полученными с помощью циклотрона, соседние с золотом элементы -- ртуть и платину. На совещании американских физиков в Нэшвилле в апреле 1941 года А. Шерр и К. Т. Бэйнбридж из Гарвардского университета доложили об успешных результатах таких опытов. Они направили разогнанные дейтроны на литиевую мишень и получили поток быстрых нейтронов, который был использован для бомбардировки ядер ртути. В результате ядерного превращения было получено золото! Три новых изотопа с массовыми числами 198, 199 и 200. Однако эти изотопы не были столь устойчивыми, как природный изотоп -- золото-197. Испуская бета-лучи, они по истечении нескольких часов или дней снова превращались в устойчивые изотопы ртути с массовыми числами 198, 199 и 200. Следовательно, у современных приверженцев алхимии не было повода для ликования. Золото, которое вновь превращается в ртуть, ничего не стоит: это обманчивое золото. Однако ученые радовались успешному превращению элементов. Они смогли расширить свои познания об искусственных изотопах золота.
В основе "трансмутации", проведенной Шерром и Бейнбриджем, лежит так называемая (n, p) -реакция: ядро атома ртути, поглощая нейтрон n, превращается в изотоп золота и при этом выделяется протон р.
Природная ртуть содержит семь изотопов в разных количествах: 196 (0,146 %), 198 (10,02 %), 199 (16,84 %), 200 (23,13 %), 201 (13,22 %), 202 (29,80 %) и 204 (6,85 %). Поскольку Шерр и Бейнбридж нашли изотопы золота с массовыми числами 198, 199 и 200, следует полагать, что последние возникли из изотопов ртути с теми же массовыми числами. Например:
[198]Hg + n [198]Au + р
Такое предположение кажется оправданным -- ведь эти изотопы ртути являются довольно распространенными.
Вероятность осуществления какой-либо ядерной реакции определяется, прежде всего, так называемым эффективным сечением захвата атомного ядра по отношению к соответствующей бомбардирующей частице. Поэтому сотрудники профессора Демпстера, физики Ингрем, Гесс и Гайдн, пытались точно определить эффективное сечение захвата нейтронов природными изотопами ртути. В марте 1947 года они смогли показать, что изотопы с массовыми числами 196 и 199 обладают наибольшим сечением захвата нейтронов и потому имеют наибольшую вероятность превращения в золото. В качестве "побочного продукта" своих экспериментальных исследований они получили... золото! Точно 35 мкг, полученных из 100 мг ртути после облучения замедленными нейтронами в атомном реакторе. Это составляет выход 0,035 %, однако если найденное количество золота отнести лишь к ртути-196, то получится солидный выход в 24 %, ибо золото-197 образуется только из изотопа ртути с массовым числом 196.
С быстрыми нейтронами часто протекают (n, р)-реакции, а с медленными нейтронами -- преимущественно (n,()-превращения. Золото, открытое сотрудниками Демпстера, образовалось следующим образом:
[196]Hg + n [197]Hg* + (
[197]Hg* + e[-] [197]Au
Образующаяся по (n, ()-процессу неустойчивая ртуть-197 превращается в устойчивое золото-197 в результате К-захвата (электрона с К-оболочки своего собственного атома).
Таким образом, Ингрем, Гесс и Гайдн синтезировали в атомном реакторе ощутимые количества искусственного золота! Несмотря на это, их "синтез золота" никого не встревожил, поскольку о нем узнали лишь ученые, тщательно следившие за публикациями в "Физикл ревью". Отчет был кратким и наверняка недостаточно интересным для многих из-за своего ни о чем не говорящего заголовка: "Neutron cross-sections for mercury isotopes" (Эффективные сечения захвата нейтронов изотопами ртути). Однако случаю выло угодно, чтобы через два года, в 1949 году, чересчур ретивый журналист подхватил это чисто научное сообщение и в крикливо-рыночной манере провозгласил в мировой прессе о производстве золота в атомном реакторе. Вслед за этим во Франции произошла крупная неразбериха при котировании золота на бирже. Казалось, что события развиваются именно так, как представлял себе Рудольф Дауман, предсказавший в своем фантастическом романе "конец золота".
Однако искусственное золото, полученное в атомном реакторе, заставляло себя ждать. Оно никак не собиралось затоплять рынки мира. Кстати, профессор Демпстер в этом и не сомневался. Постепенно французский рынок капитала вновь успокоился. В этом не последняя заслуга французского журнала "Атомы", который в январском номере 1950 года поместил статью: "La transmutation du mercure en or" (Трансмутация ртути в золото).