Во времена Менделеева люди не знали трансурановых элементов, которые должны располагаться в таблице, носящей его имя, за ураном. Но он предвидел возможность их существования.
Длительный поиск трансурановых элементов в природных рудах, специально обработанных для выделения из них урана, тория, радия и других радиоактивных элементов, не дал положительных результатов. Среди ученых возникло мнение: время жизни трансурановых элементов мало. И если они существовали когда-то, то к нашему времени в результате процессов радиоактивного распада превратились в уран, торий и в более легкие элементы. Лишь много позже, после того как трансурановые элементы были синтезированы в лабораториях и их свойства хорошо изучены, следы некоторых из них удалось обнаружить в природных минералах.
В 1934 году итальянец Энрико Ферми, много работавший с облучением различных элементов нейтронами, предложил синтезировать самый близкий из трансурановых, 93-й элемент. Он собирался осуществить это, облучая ядра атомов урана нейтронами. Такой метод был хорошо освоен при исследовании свойств атомных ядер. Удобство его обусловлено электрической нейтральностью нейтрона. У нейтрона нет заряда, и он без помех может приближаться к ядру, несмотря на его положительный заряд. Даже если нейтрон не попадает точно в ядро, но пролетает достаточно близко к нему, то мощные ядерные силы, удерживающие внутри ядра образующие его протоны и нейтроны, затягивают нейтрон внутрь ядра. Они изгибают его траекторию даже в том случае, если прицел был неточен, а первоначальная траектория нейтрона была направлена мимо ядра.
Идея Ферми основывалась на том, что уран-238 — долгоживущий изотоп урана. Каждый из его атомов в среднем через 4,5 миллиарда лет испускает альфа-частицу (ядро атома гелия) и перестает быть ураном-238. Ферми знал, что уран-238.не подвержен бета-распаду, сопровождающемуся выделением электрона, а деление ядра и редкий вид радиоактивного распада «К-захват» были в то время еще неизвестны. Метод, предложенный Ферми для синтеза элемента, имеющего заряд ядра больший, чем у ядра урана, основан на том, что при бомбардировке ядер урана нейтронами ядро урана-238, поглотив нейтрон, не изменяет своего заряда. Значит, оно превращается в ядро урана-239 и теряет свою устойчивость по отношению к бета-распаду. Выбрасывая электрон в результате бета-распада, ядро возвращается в область бета-стабильности, но при этом заряд его ядра, а значит, и его порядковый номер увеличиваете на единицу. В соответствии с периодическим законом Менделеева элемент, заряд ядра которого увеличился на единицу по сравнению с ядром урана, должен быть расположен в периодической таблице рядом с ураном, правее его. Так, писал Ферми, мог быть синтезирован первый трансурановый элемент.
Однако, следуя предложенному плану, ни Ферми, ни его последователи не достигли цели. Лишь весной 1940 года американцы Э. Мак-Миллан (Нобелевская премия по химии в 1951 году), облучая уран-238 нейтронами, наблюдал образование первого трансуранового элемента. Вновь созданный элемент занял 93-ю клетку таблицы Менделеева. Ему присвоили наименование «нептуний» Это был нептуний-239.
Так началось сенсационное продвижение в трансурановую область таблицы Менделеева.
Здесь уместно сказать, что в 1871 году Менделеев поместил уран в VI столбец, который он начал кислородом. Непосредственно над ураном Менделеев расположил вольфрам. Радикальное изменение таблицы произвел в 1902 году профессор химии в Праге Богуслав Браунер. Он провел тщательное определение атомных весов теллура и церия, ввел нулевую группу, ввел в таблицу все открытые к тому времени элементы и расположил редкоземельные элементы в одной общей для них клетке IV столбца, рядом с клеткой, занятой лантаном. При этом он расположил уран в V столбце, под висмутом. Но это был не окончательный вариант. Последующие успехи химиков привели к дальнейшей корректировке периодической системы.
В таблице 1961 года значительно увеличившаяся группа редкоземельных элементов была перемещена в III столбец таблицы, в ее 57-ю клетку, где теперь, помимо лантана, располагаются все 14 редкоземельных элементов. Последний из них — лютеций — имеет атомный номер 71. Одновременно уран возвратился на место, указанное ему Менделеевым, и получил присущий ему номер 92. Здесь вместе с ним были помещены синтезированные к тому времени нептуний (номер 93), плутоний (номер 94) и америций (номер 95). О двух последних мы еще вспомним. Та четверка была объединена в семейство под названием «ураниды». В 89-ю клетку таблицы, под 57-й клеткой, где расположилась группа лантанидов, вместе с актинием бы-1 помещены трансурановые элементы, более тяжелые, чем америций. Это новое семейство получило название «кюриды» в честь Поля и Марии Кюри.
Модернизация не завершила эволюцию таблицы Менделеева. Более того, последовательное применение открытого им периодического закона заставило физиков соединить воедино семейства уранидов и кюридов и поместить их всех в 89-ю клетку таблицы вместе с актинием. В соответствии с названием первого члена семейства его теперь называют семейством актинидов. Оно располагается в группе таблицы, а уран, сохранив за собой номер 92, стал рядовым членом семейства актинидов, отличаясь от остальных огромным временем полураспада. Мы знаем, что половина его атомов, содержащихся в каком-либо образце, распадается только за 4,5 миллиарда лет.
Продвинуться дальше в трансурановую область тем же методом, то есть облучением тяжелых ядер нейтронами, не удалось. Слишком малы были потоки нейтронов, доступные исследователям в 1940 году. Это заставило физиков избрать другой путь, кажущийся с первого взгляда более трудным. Они решили возвратиться к первоначальному методу Резерфорда, облучавшего ядра-мишени альфа-частицами. Резерфорд успешно облучал альфа-частицами легкие ядра, имеющие сравнительно небольшой положительный заряд, не способный воспрепятствовать положительной альфа-частице приблизиться к ядру и проникнуть в него. Физики знали, что тяжелые ядра, обладающие большим положительным зарядом, не позволят приблизиться к себе альфа-частицам, вылетающим из ядер радиоактивных элементов, которыми пользовался Резерфорд и все его последователи. Но к 1930 году Эрнест Лоуренс, замечательный физик-инженер, с первым своим помощником Эдлефсеном изобрел и построил в Калифорнийском университете циклический ускоритель заряженных частиц — циклотрон. Эта машина способна разгонять заряженные частицы — протоны, дейтоны и альфа-частицы — до энергий 20–40 Мэв*.
При столь высоких энергиях такая частица способна преодолеть отталкивающие силы заряженного ядра урана и приблизиться к нему столь близко, что мощные ядерные силы втянут ее внутрь ядра.
Если энергия ускоренной частицы превышает кулоновский барьер ядра*, то этот избыток энергии входит вместе с частицей внутрь ядра и нагревает его, как нагревает мишень застрявшая в ней пуля: кинетическая энергия движения превращается в тепло. В данном случае в тепловые движения протонов и нейтронов внутри ядра-мишени.
Нагретое ядро остывает, выбрасывая один или несколько нейтронов. В результате образуется новое ядро. Если для бомбардировки применялись ускоренные дейтоны (заряд + 1), то остывшее ядро, потеряв нейтрон, сохраняет заряд на единицу больший, чем заряд ядер мишени. Так, в декабре 1940 года при бомбардировке урана дейтонами был повторно синтезирован нептуний-239 и другой изотоп, нептуний-238.
Этот изотоп подвержен бета-распаду. В результате ядро нептуния-238, практически не изменяя своей массы (масса улетевшего электрона почти в 2000 раз меньше массы протона и нейтрона), но увеличивая свой заряд на +1, превращается в новый элемент, идентифицированный 23 февраля 1941 года и названный плутонием (это плутоний-238). Он должен быть расположен в таблице Менделеева правее нептуния. Так был получен второй транс-урановый элемент, плутоний-238.
Вскоре группа в составе Эмилио Сегре, Джозефа Кеннеди, Артура Вэйля и Глена Сиборга, исследовавшая радиоактивный распад нептуния-239, обнаружила изотоп плутоний-239, его важнейший изотоп, способный к делению, аналогичному делению изотопа уран-235. Уже к 1942 году удалось изготовить 0,5 мг плутония — количество, достаточное для изучения его химических свойств. В 1944 году этот метод снова привел к успеху. Сиборг — незаурядный ученый, ставший нобелевским лауреатом, бывший некоторое время председателем атомной комиссии при конгрессе США, — и его сотрудники осуществили бомбардировку альфа-частицами ядер плутония-239. При поглощении альфа-частицы масса ядра возрастает на четыре единицы, а заряд на две. Возникшее при этом ядро остывает, испуская нейтрон. При этом масса ядра уменьшается на единицу, а его заряд остается неизменным. Так был синтезирован четвертый трансурановый элемент, который получил название «кюрий» (номер 96). Так был получен изотоп кюрий-242.
Все трансурановые элементы радиоактивны, но имеют самые разнообразные времена жизни: нептуний — около 2 суток, плутоний — 24 000 лет, америций — 500 лет, кюрий — 5 месяцев.
После пуска ядерных реакторов открылся новый путь синтеза трансурановых элементов.
Деление ядра — новый вид радиоактивных превращений, ставшее надеждой и угрозой жизни людей XX века, — было открыто в 1939 году немецкими физиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом при бомбардировке ядер урана нейтронами. Они обнаружили, что при такой бомбардировке возникают ядра щелочно-земельных элементов (II группа таблицы Менделеева). Вскоре Лиза Мейтнер (талантливая женщина-физик, работавшая в Институте кайзера Вильгельма в Берлине, которая одна из первых поняла возможность военного применения реакции деления, бежала накануне второй мировой войны в Голландию, а затем в Копенгаген к Бору) и ее племянник О. Фриш объяснили: при этом делятся ядра изотопа уран-235. Поглотив лишний нейтрон, они становятся неустойчивыми и распадаются примерно на две равные части. В 1940 году советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак сделали важнейшее открытие — обнаружили спонтанное (самопроизвольное) деление ядра. Начался новый этап продвижения в трансурановую кладовую природы.