Удивительное явление радиоактивности было впервые обнаружено при изучении люминесцентной соли урана. Следующими открытыми радиоактивными элементами стали радий и полоний, но сейчас для нас важно то, что все эти три элемента присутствуют в природных источниках. Устойчивым изотопом урана является уран-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет, что практически совпадает с возрастом Земли. Другими словами, у элемента урана имеются собственные руды, из которых его можно извлекать.

У радиоактивного элемента радия Ra имеется изотоп радий-226 с периодом полураспада 1600 лет, у полония — изотоп полоний-209 с периодом полураспада 102 года. И то и другое намного меньше возраста Земли, и собственных руд ни радий, ни полоний не имеют, а образуются в природе при распаде изотопов урана или тория. И выделяют их из урановой руды.

В Таблице Менделеева элементы с номерами 90-103, от тория Th, протактиния Pa и урана U до лоуренсия Lr, выделены в особую группу под названием «актиноиды». Это связано с тем, что при переходе от актиния к каждому последующему элементу электрон попадает не на внешний электронный слой, а на внутренний, так называемый f-слой. А поскольку химические свойства элемента определяются составом внешнего электронного слоя, а он практически одинаков для всех актиноидов, то и химические свойства этих элементов очень близки. Поэтому вся группа целиком помещается в клетке актиния № 89.

Аналогично актиноидам выделены в особую группу и лантаноиды, целиком помещающиеся в клетке элемента лантана La. Любопытно, что запоздалое открытие этих элементов очень поспособствовало Дмитрию Ивановичу Менделееву в открытии его периодического закона и Периодической таблицы. Если бы эти 14 элементов были открыты раньше, Менделееву никак бы не удалось составить свою таблицу, ведь тогда о строении электронных слоев и возможности помещать кучу элементов всего в одну клетку никто и не подозревал.

Самым устойчивым и самым распространенным элементом группы актиноидов являются торий и уран, открытый в конце XVIII века и названный так в честь планеты Уран. Это один из тех элементов, для которых Менделеев волюнтаристски, но совершенно правильно изменил значение атомной массы. До открытия им периодического закона считалось, что атомная масса урана равна 120, но это никак не соответствовало логике Таблицы элементов. Дмитрий Иванович, не проводя никаких экспериментов, а только имея информацию о химических свойствах урана и его соединений, присвоил урану атомную массу 240. Сейчас известны три природных изотопа урана — уран-234, уран-235 и уран-238, и принятое среднее значение атомной массы составляет 238,029. От присвоенного Менделеевым значения эта величина отличается всего на ничтожные 0,82 %.

Уран, точнее, его изотоп уран-238, является последним стабильным элементом Таблицы Менделеева, все последующие элементы стабильных изотопов с периодом полураспада не меньше возраста Земли не имеют. Они были получены искусственно. Так, например, следующий за ураном элемент № 93 был получен в 1940 году путем бомбардировки урана нейтронами. В Солнечной системе за планетой Уран находится планета Нептун, в честь нее этот элемент назвали нептунием. А полученный таким же образом элемент № 94, знаменитый плутоний атомных бомб, назвали в честь следующей за Нептуном планеты Плутон. Плутоний — тот самый элемент, с использование которого была создана бомба «Толстяк», сброшенная на Нагасаки в 1945 году. И нептуний, и тем более плутоний можно теоретически выделить из природного сырья, но их там так мало, что приходится получать эти элементы в ядерных реакциях. Причем оружейного плутония накоплено уже около 300 тонн. Когда на циклотроне были получены первые несколько миллиграммов плутония, все сотрудники Калифорнийского университета сбежались посмотреть на это чудо. Однако показать было практически нечего, а потому авторы открытия насыпали немного первого попавшегося под руку порошка в пробирку и демонстрировали ее, гордо сообщая, что этот порошок и есть искусственный элемент плутоний.

Следующие искусственно получаемые элементы америций Am, кюрий Cm, берклий Bk, калифорний Cf, фермий Fm и менделевий Md имеют изотопы с периодами полураспада от тысяч лет до нескольких суток, самый долгоживущий изотоп элемента № 102 нобелия No наполовину распадается уже менее чем через час, а элемента № 103 лоуренсия Lr — за три минуты. На этом элементе заканчивается семейство актиноидов. Обратим внимание на символ элемента кюрия, названного, разумеется, в честь семейства Кюри. Казалось бы, ненужная в данном случае латинская m подчеркивает роль в изучении радиоактивности madam Кюри.

По завершении семейства актиноидов взгляд возвращается в основную часть Таблицы Менделеева, и первым после лоуренсия мы видим элемент № 104 резерфордий Rf, а затем — № 105 дубний Db, № 106 сиборгий Sg и № 107 борий Bh с периодом полураспада уже меньше минуты, а именно 17 секунд. Дубний назван в честь города Дубны, где он был впервые синтезирован в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Большинство изотопов следующего элемента № 108 хассия Hs имеют период полураспада меньше секунды, а у элемента № 109 мейтнерия Mt все изотопы наполовину распадаются за доли секунды.

Однако элемент № 110, дармштадтий Ds, имеет изотопы с периодом полураспада уже более секунды. Существует теория, что последующие элементы должны иметь все большие периоды полураспада вплоть до «острова стабильности» в районе 120-го элемента. Настолько большие, что могут быть даже обнаружены в природе, существуя со времен возникновения Земли. Новый элемент № 112 с временным названием «унунбий» (то есть «один-один-два» по латыни) был впервые получен в 1996 году на ускорителе тяжелых ионов в Центре исследования тяжелых ионов в Дармштадте (Германия).

Это одна из трех главных организаций, в которых проводится синтез новых трансурановых элементов, две другие — это наш ОИЯИ в Дубне и американская Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли. Между этими центрами ведется гласная и негласная конкуренция за открытие новых элементов, особенно в связи с приближением к этому самому «острову стабильности». И действительно, у № 112 уже вполне приличный период полураспада — 34 секунды.

После длительных проверок, в том числе в Дубне, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признал приоритет Дармштадтского центра и сам факт открытия. Это означает, что немецкие ученые получили право выбрать имя для элемента с неказистым названием унунбий, и они предложили назвать его коперникием — понятно, что в честь Коперника. Эти ученые уже присваивали названия для элементов № 107 (борий), № 109 (мейтнерий) и № 110 (дармштадтий). Довольно благородный поступок немецких ученых, назвавших открытый ими элемент коперникий в честь поляка. Хотя как сказать. Мать Николая Коперника была немкой, на польском языке он не написал ни строчки, а использовал исключительно латынь и немецкий, город Торунь, где родился великий ученый, был основан немцами и длительное время входил в состав Пруссии.

Союз ИЮПАК утвердил название коперникий (Cp) для унунбия. В свое время Менделеев для обозначения еще не открытых элементов использовал метод аналогии и приставку «эка», что на санскрите означает «один». В таком случае № 112 должен был бы называться (разумеется, временно) эка-ртутью («ртуть плюс один»). По аналогии с ртутью коперникий должен быть вторым, после ртути, жидким металлом при нормальных условиях, хотя получить № 112 в заметных количествах вряд ли удастся. А жаль, было бы интересно посмотреть на второй жидкий при нормальных условиях металл.

В последние годы в ОИЯИ под руководством академика Юрия Оганесяна уже получены элементы № 113–116 и № 118. Об истории получения элемента № 117 стоит рассказать подробнее, как и о самом «острове стабильности».

Как мы уже видели, при переходе от № 92 урана к № 102 нобелию период полураспада элементов уменьшается на 16 порядков — от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. Считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, то есть обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60-х годов прошлого века теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер, причем время жизни элементов с номерами 110–120 должно было бы заметно возрастать. Таким образом, ученые предсказывали «остров стабильности» сверхтяжелых элементов.

Остров везения

Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, где удалось полностью изменить подход к синтезу сверхтяжелых элементов. В ОИЯИ обстреливали мишени из элемента № 97 берклия «снарядами» из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция № 20 с массой 48. При слиянии ядер получается элемент № 117 (97 + 20 = 117). Эффект был поразительный, в течение каких-то пяти лет впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. Ученые ОИЯИ показали (а через несколько лет их результаты были получены и в других лабораториях мира), что эти элементы живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.

Очень интересно, как в ОИЯИ появился искусственный элемент берклий, ведь в Дубне его не получали. Дело в том, что период полураспада нужного изотопа составляет всего 320 дней, поэтому из-за такого короткого времени жизни наработку берклия в нужном количестве (20–30 миллиграммов) надо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов, а такой реактор есть только в Национальной лаборатории США в Оук-Ридже (кстати, именно здесь был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы). Поскольку с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней, при доставке элемента в Дубну необходимо было все делать очень быстро: быстро пройти американские и российские формальности, связанные с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее. Достойно приключенческой повести!

В конце концов в начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Дубнинские умельцы изготовили мишень в виде тончайшего слоя берклия, нанесенного на титановую фольгу. Уже при первом облучении мишени детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, который в свою очередь превращался в 113-й, а тот переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе это огромное время!

Никакого практического значения получение этого элемента, конечно, не имеет, однако представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Ведь если будут синтезированы элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе. Эксперименты по их поиску уже ведутся, в глубине Альпийских гор стоит специальная установка по регистрации таких элементов.