1. Причину, по которой периодическая система химпчеспх элемептов, встречающихся в природе в естественном состоянии, обрывается на уране ${ }_{92} \mathrm{U}$, надо искать в происхождении химических элементов и их последующих радиоактивных превращениях. В настоящее время можно считать доказанным, что все химические элементы Солнечной системы образовались свыше 5 млрд лет назад в результате гравитационного сжатия огромных масс галактического водорода, при котором сильно повысилась его температура. Чрезвычайно высокая температура и обеспечила синтез сложных ядер из более простых ядер водорода. IПри этом были синтезированы и многочисленные изотопы химических элементов с атомными номерами больше 92. Однако период их полураспада оказался значительно меньше времени существования Земли (около $4,5 \cdot 10^{9}$ лет). $\mathrm{K}$ настоящему времепи все эти изотопы из-за радиоактивных превращений полностью распались п исчезли на Земле (см. пункт 10). Самым тяжелым из сохраआишихся оказался изотоп урана ${ }^{238} \mathrm{U}$, период полураспада которого $\left(4,5 \cdot 10^{9}\right.$ лет) того же порядка, что и возраст Земли.
2. Истинные границы периодической системы, за которыми существование более тяжелых элементов невозможно, казалось бы, должны определяться нестабильностью электронной оболочки атома. Дело в том, тто самый глубокий электрон атомной оболочки пе может приблизиться к центру ядра на расстояние, меньшее радиуса последнего. Такой электрон был бы сразу поглощен ядром, что прпвело бы $к$ уменьшению атомного номера элемепта. Расстояние самого глубокого әлектрона атомной оболочки до центра атомпого ядра с зарядовым числом $Z$ по теории Бора равно $r_{B} / Z$, где $r_{B}$ – боровский радиус. Радиус самого ядра определяется формулой (65.1). Таким образом, для возможности существования атома, во всяюом случае, необходимо выполнение условия $r_{B} / Z \geqslant r_{0} A^{1 / 3}$, пли
\[
Z A^{1 / 3} \leqslant r_{B} / r_{0} \approx 38000 .
\]

Исключение $Z$ с помощью соотношения (64.8а) приводит к неравенству
\[
\frac{A^{4 / 3}}{1,97+0,015 A^{2 / 3}} \leq 38000 .
\]

Решепие этого неравенства сводится к решению квадратного уравнения относительно $A^{2 / 3}$. В результате получается $A \lesssim 17700$ и, следовательно, $Z \preccurlyeq 1460$. Итак, совершенно невозможно существование атомов с порядковым числом $Z \geqslant 1460$.

Приведенная оценка дает слишом завышение значение для зерхией границы Z. Опа, в сущности, основана на безусловно верном утверждени, что атом не может существовать, если ближайший к ядру электрон шаходится на уровпе, с которого практически мгновенно ироисходит әлектронный захват, в результате которого зарядовое число $Z$ (равное шорядковому номеру элемента) умепьшается на единицу. $\Lambda$ такой захват (пз-за туннельного фффекта) с большой вероятностью происходит не только с расстояния до центра ядра, равного его раднусу, но п с расстояний, значительно больших. Поэтому стабильность электронпой оболочки атома должна нарушаться уже при $Z$, зиачительно меньших пайденного выне зачения. Более чодробное рассмотрение показывает, что такое парушение должіо пачинаться при $Z=$ $=180-200$. И все же пернодическая система элементов обрывается еще рапьше. Ее верхняя граница связана не с неустойчивостью электронної оболочки, а определяется неустойчивостью самого ядра.
3. Элементы с атомными номерами больше 92 , как уже указывалось, называются трансурановыми («заурановыми») или, короче, трансуранами. Все они получаотся искусственно, т. е. в результате различных ядерных реакций, в которых тот или иной ‘(тяжелый)’ элемент подвергается облучению или бомбардировке различными ядерными частицами. Наиболее важными из них являются нейтроны, поскольку они лишены электрического заряда и, следовательно, им не требуется преодолевать кулоновскиї потенциальный барьер. Но и заряженные частиды являются эффективными снарядами для нолучения трапсурашовых элементов, если только их энергия достаточіно велика.

При облучении нейтронами изотопа урапа ${ }^{238} \mathrm{U}$ получается промежуточное ядро ${ }^{239} \mathrm{U}$. Обладая излишком нейтронов, оно испытывает $\beta^{-}$-распад и превращается в ядро трансуранового әлемента с $Z=93$. Этот элемент был назван нептунием (Np) по апалогии с Солнечной системой, в которой за планетой Уран следует планета Нептун. Претерпевая дальнейший $\beta^{-}$-распад, пептуний превращается в напболее важшый искусствениый трансуран с $Z=94$, названный плутонием ( $\mathrm{Pu}$ ), опять-такі по апалогии с Солнечной системой, в которої за Нептуном следует планета Плутон.

Такая схема получения трансуранов с $Z=93$ и $Z=94$ была абсолютно ясша Ферми уже в 1934 г., когда он начал облучать нейтронами уран. Правда, в то время Ферми не удалось наблюдать $\mathrm{Np}$ и $\mathrm{Pu}$ из-за их больших периодов полураспада ( 2,3 дня для ${ }_{93}^{239} \mathrm{~Np}$ и $2,4 \cdot 10^{4}$ лет для ${ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}$ ) и слабости радоп-бериллиевого источника нейтронов, которым он тогда пользовался. В опытах Ферми в действительности наблюдались не радиоактивные нзлучения трансурапов, а излучения радиоактивных изотопов, получающихся при делении ядер урана (см. § 93). Только посло создания ядерных реакторов, из которых исходят мощные потоки нейтронов (до $10^{15}$ пейтронов через $1 \mathrm{~cm}^{2}$ в $1 \mathrm{c}$ ), открылась возможность получать $\mathrm{Np}$ и $\mathrm{Pu}$ и притом в промышлешых масптабах. Их получение можно представить следующей схемой:
\[
{ }_{0}^{1} \mathrm{n}+{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{92}^{239} \mathrm{U} \xrightarrow{\beta-}{ }_{93}^{239} \mathrm{~Np} \xrightarrow{\beta-}{ }_{94}^{239} \mathrm{Pu} \xrightarrow{\alpha} .
\]

Это, конечпо, не едпнственная схема получения нептуния и плтопия. Например, изотоп нептуния ${ }_{93}^{238} \mathrm{~Np}$ был получен в результате облучения урапа ${ }^{238} \mathrm{U}$ дейтронами с энергией $16 \mathrm{MəB}$ :
\[
{ }_{1}^{2} \mathrm{~d}+{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{93}^{238} \mathrm{~Np}+2 \mathrm{n} .
\]

Всего в настоящее время известно не менее 12 изотопов нептуния с массовыми числами от 230 до 241 . Изотоп нептуния ${ }_{93}^{23 y} \mathrm{~Np}$ представляет собой тяжелый ( $\rho=19,5$ г/см ${ }^{3}$ ) металл с серебристым блеском, медленно окисляющийся на воздухе. Температура плавления нентуния $640^{\circ} \mathrm{C}$.

В настоящее время известны не менее 15 изотопов плутония с массовыми числами от 232 до 246 . Элемент плутоний – блестящий металл с голубоватым оттенком. Плотность его в разных модификациях изменяется от 15,9 до $19,8 \mathrm{r} / \mathrm{cm}^{3}$. Температура плавления плутония $640^{\circ} \mathrm{C}$. Коэффициент линейного расщирения плутония отрицательный.
4. Путем облучения нейтронами плутония получается следующиї трансуран с $Z=95$. Он был получен в СIIIA и назван америцием (Am). Способ его получения в ядерном реакторе представляется следующей схемой:
\[
\begin{array}{l}
{ }_{0}^{1} \mathrm{n}+{ }_{94}^{239} \mathrm{Pu} \rightarrow{ }_{94}^{240} \mathrm{Pu}, \\
{ }_{0}^{1} \mathrm{n}+{ }_{94}^{240} \mathrm{Pu} \rightarrow{ }_{94}^{241} \mathrm{Pu} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{95}^{241} \mathrm{Am} .
\end{array}
\]

Америций ${ }_{95}^{241} \mathrm{Am}$ представляст собой серебристый металл с плотностью $11,7 \mathrm{r} / \mathrm{cm}^{3}$.

Облучение ${ }_{94}^{241} \mathrm{Am}$ нейтронами $c$ последующим $\beta^{–}$-распадом промежуточного ядра приводит к образованию трансурана с $Z=$ $=96$ но схеме
\[
{ }_{0}^{1} \mathrm{n}+{ }_{95}^{241} \mathrm{Am} \rightarrow{ }_{95}^{242} \mathrm{Am} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{96}^{242} \mathrm{Cm} .
\]

Оп был назван кюрием (Cm) в тесть Марии и Пьера Кюри. Это тивеп с периодом полураспада 160 дней. Его $\alpha$-радиоактивность пастолько велика ( $10^{13} \alpha$-частиц в 1 мин на 1 мг), что она приводит к разогреванию, разбрызгиванию и даже разложению воды в водных растворах солей кюрия, а также к свечению их в темноте.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что $97-$ й и $98-$ й элементы также могут быть получены путем длительного облучения нейтронами плутония ${ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}$ в ядерных реакторах. Они были названы соответственно берклием (Bk) п калифорнием (Cf). Эти пазвания происходят от города Беркли (CIIIA) и Калифорпийского университета в Беркли, где впервые были получены рассматриваемые трансураны. Существуют различные способы полутепия берклия и калифорния, равно как америция и кюрия. Однако в больших количествах все эти элементы получаются только реакторным способом. В настоящее время известно 11 изотопов америция с массовыми числами от 237 до 247 , 13 изотопов кюрия ( $238 \leqslant A \leqslant 252$ ), 9 изотопов берклия ( $243 \leqslant$ $\leqslant A \leqslant 251$ ) и 16 изотопов калифорния ( $240 \leqslant A \leqslant 255$ ).
5. Реакторный спосөб, хотя он и является единственшым способом получения трансуранов в больших количествах, все же не всегда применим. Оказалось, что следующие за калифорнием $(Z=98)$ новые элементы вблизи ядерного реактора упорно пе появляются. Причина этого в том, что не все ядра одного и того же изотопа после поглощения нейтрона претерпевают $\beta^{-}$-распад. Большая часть ядер или испытывает деление, или распадается ипым способом, не приводящим к образованию вового элемента с бо́льшим атомным номером. Эти процессы идут тем интенсивнее, чем тяжелее атомные ядра, и, наконец, полностью вытесняот $\beta$-распад. Можно было бы думать, тто указанные трудности имеют только технический характер и могут быть преодолепы путем повышения мощности реактора. Но помимо технических трудностей есть и трудности принциниальные, когда в результате длинного ряда радиоактнвных превращений опять возпикает исходный элемент, подвергнутый облучению нейтронамп. $К$ этому, в частности, может привести $\alpha$-распад какого-либо ядра. Примером может служить следующая депочка превращений:
\[
\begin{array}{l}
{ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{94}^{240} \mathrm{Pu}, \\
{ }_{94}^{240} \mathrm{Pu}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{94}^{241} \mathrm{Pu} \xrightarrow{\beta-}{ }_{95}^{241} \mathrm{Am}, \\
{ }_{95}^{241} \mathrm{Am}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{95}^{242} \mathrm{Am} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{96}^{242} \mathrm{Cm} \xrightarrow{\alpha}{ }_{94}^{238} \mathrm{Pu} u_{t} \\
{ }_{94}^{238} \mathrm{Pu}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{94}^{239} \mathrm{Pu} .
\end{array}
\]

Непреодолимое препятствие для реакторного способа возпикает также, когда одно из звеньев в цепочке превращениї выпадает. Такое препятствие возникает, когда в этом звене время жизши ядра очень мало, а также тогда, когда ядро, входящее в звено, полностью распадается нежелательным образом, например путем спонтаниого деления.
6. Указанные затруднения связаны прежде всего с тем, что при облучении нейтронами от ядерных реакторов облучаемое ядро, как правило, поглощает только один или малое число неїтронов. Если увеличить поток облучающих нелитропов во много раз, то некоторые ядра, возможно, будут поглощать сразу несколько нейтронов і окаяутся в состоянии перепрыгнуть через «запрещенную» область в реакторном методе. Таким путем могут образовываться новые трансурановые әлементы или новне изотопы уже известных элементов. И действительно, в 1952 г. в СШІА произвели испытание водородной бомбы, в которой происходит сгорание дейтериево-тритиевой смеси. Реакция происходит при температуре порядка ста миллионов градусов и длится всего доли секунды. В течение такого короткого времепи через урановую оболочку бомбы проходит поток нейтронов, па много порядков превышающий поток нейтропов в лдерных реакторах за то же время. В радиоактивной пыли, образовавшейся при взрыве, были обнаружены ранее непввестные изотоны плутония ${ }^{244} \mathrm{Pu}$ и ${ }^{246} \mathrm{Pu}$. Они образуются в результате захвата ядром ${ }^{238} \mathrm{U}$ сразу 6 или 8 нейтронов с последующим $\beta^{-}$-распадом, т. е.
\[
\begin{array}{l}
{ }_{92}^{238} \mathrm{U}+6{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{92}^{244} \mathrm{U} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{93}^{244} \mathrm{~Np} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{94}^{244} \mathrm{Pu}_{3} \\
{ }_{92}^{238} \mathrm{U}+8{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{92}^{246} \mathrm{U} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{93}^{246} \mathrm{~Np} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{94}^{246} \mathrm{Pu} .
\end{array}
\]

Американские ученые запросили срочно доставить с атолла Бикини, где пропзошел взрыв водородной бомбы, около тонны кораллов. После весьма кропотливого труда из этих кораллов были выделены ничтожные количества 99 -го и 100 -го элементов. Они были названы соответственно эйнштейнием и фермием в честь Эйшштейна и Ферми. Обнаруженные изотопы эйнштейиия $\left({ }_{99}^{253} \mathrm{Es}\right)$ и фермия $\left({ }_{100}^{255} \mathrm{Fm}\right)$ получаются в результате следующих процессов. При взрыве водородной бомбы некоторые ядра урана одновременно захватывают 15 или 17 нейтронов. Последующая цепь $\beta^{-}$-распадов и прнводит к образованию новых траисуранов:
\[
\begin{array}{l}
{ }_{92}^{238} \mathrm{U}+15{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{92}^{253} \mathrm{U} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{93}^{253} \mathrm{~Np} \xrightarrow{\beta^{-}} \ldots \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{99}^{253} \mathrm{Es}_{y} \\
{ }_{92}^{238} \mathrm{U}+17_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{92}^{255} \mathrm{U} \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{93}^{255} \mathrm{~Np} \xrightarrow{\beta^{-}} \ldots \xrightarrow{\beta^{-}}{ }_{100}^{255} \mathrm{Fm} .
\end{array}
\]

Всего в настоящее время известно 14 изотопов әйшштейния с массовыми числами от 243 до 256 и 16 изотопов фермия с массовыми числами от 242 до 258 . Эйнштейний и фермий харагтеризуются еще меньшими периодами полураспада отиосительно родессов спонтанного деления и испускания $\alpha$-частиц, чем пре шествующие трансураны. Самый долгоживущий изотоп эйнштейния ${ }_{99}^{254} \mathrm{Es}$ имеет период $\alpha$-распада около 480 дпей, а самыї долгоживущий пзотоп фермия ${ }_{100}^{257} \mathrm{Fm}$ – только 80 дней. У изотопа фермия ${ }_{100}^{256} \mathrm{Fm}$ очень небольшой период полураспада относительно спонтанного деления – всего около 160 мин.

Можно было бы надеяться, что дальнейшие трансураны могут быть получены таким же способом, что и әйнштейний и фермий, если только увеличить мощность потока облучающих нейтропов. Но эти надежды не оправдались. В 60 -х годах в США была произведена серия подземных ядерных взрывов. Поток пейтропов в наиболее мощном из них по своей пнтенсивности превосходил примерно в 10 раз соответствующий поток на атолле Бикиниг. Но трансурапы с атомным номером выпе атомного номера фермия пе образовывались. Причиной этого является спонтапное деленпе ядер. В цепочке ядерных превращений появляется ядро, практически мгновенно пспытывающее спонтанное делепне и тем самым обрывающее эту цепочку.

Изложенные методы не шозволяют получить ядра с $Z>100$. Причины – недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) быстрый радиоактивный распад ядер с $Z>100$.
7. Для получения трансуранов с $Z>100$ пришлось обратиться к более старому методу, который применялся сще до открытия нейтрона. В этом методе мишень, содержащую атомные ядра одпого әлемента, подвергали бомбардировке атомными ядрами другого элемента. Происходило столкновение двух атомных ядер, в результате чего образовывалось новое атомпое ядро. Опо могло оказаться промежуточным II испытать в дальнейшем радиоактивпый распад с образованием других атомных ядер. В качествө мишени брали чаще всего уран или какой-либо из ранее полученных трансуранов, а в катестве бомбардирующего ядра – более легкие атомные ядра, например $\alpha$-тастицы.

Недостаток метода состоит в том, что оба сталкивающихся яцра заряжены положительно, а потому онп отталкиваются друг от друга. Принято говорить, что между ядрами существует кулоновский потенциальный барьер. Чтобы при проникновении частицы-снаряда внутрь ядра-мишени между этими частицами пропзошла ядерная реакция, пеобходимо этот барьер преодолеть. Это сделать тем легче, чем больше энергия бомбардирующей тастиды.

Естествепные $\alpha$-частицы, испускаемые радиоактивными элемептами, обладают сравнительно небольшими әнергиями (не превышающими 8 МәВ). Хотя они и могут преодолевать потендиальный барьер, но это происходит только в результате маловероятного квантовомеханического эффекта – туннельного просачпвания терез барьер. Поэтому-то вместо $\alpha$-частиц, возникающих при распаде, применяются искусственные $\alpha$-частицы, т. е. ускорениые ионы гелия ${ }_{2}^{4} \mathrm{He}$, а также ускоренные поны другпх элементов.

В 1940 – 1950 гг. в распоряжепии физиков имелись только маломощные ускорители, которые могли ускорять до небольших эпергиї лишь простейшие ядра водорода – протоны ${ }_{1}^{1} \mathrm{H}$, дейтроны ${ }_{\mathrm{i}}^{\mathrm{n}} \mathrm{H}$, а также ядра гелия ${ }_{2}^{4} \mathrm{He}$ ( $\alpha$-частицы). Для синтеза пового трапсурапа сначала получали в реакторе ядра самого тяжелого пз известных трансурапов и из них приготовляли мишень, а затем бомбардировали ее протонами, деїтронами или $\alpha$-тастицами. $B$ результате получался элемент, атомный номер которого па одпу пли две единицы больше, чем у ядра мишени.
Прпмерами могут служить ядерные реакции
\[
\begin{array}{l}
{ }_{1}^{2} \mathrm{H}+{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow 2{ }_{0}^{1} \mathrm{n}+{ }_{93}^{238} \mathrm{~Np} \xrightarrow[2,1 \text { дня }]{\beta_{94}^{-}}{ }_{94}^{238} \mathrm{Pu}, \\
{ }_{2}^{4} \mathrm{He}+{ }_{94}^{239} \mathrm{Pu} \rightarrow{ }_{96}^{242} \mathrm{Cm}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n}, \\
{ }_{2}^{4} \mathrm{He}+{ }_{95}^{241} \mathrm{Am} \rightarrow{ }_{97}^{243} \mathrm{Bk}+2{ }_{0}^{1} \mathrm{n}, \\
{ }_{2}^{4} \mathrm{He}+{ }_{96}^{242} \mathrm{Cm} \rightarrow{ }_{98}^{245} \mathrm{Cf}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n},
\end{array}
\]

с помощью которых впервые были синтезированы изотопы элемептов $94,96,97,98$. Они были получены в США в 1940, 1944, 1949 и 1950 гг. соответственно. Отметим, тто сначала был открыт кюрий, а потом америций. Впоследствии другие изотопы тех жө элементов получались другими сшособами, в частности путем облучения ядер трансуранов и самого урана нейтронами. На образном языке технику эксперимента путем облучения трансуранов легкими заряженными частицами можно было бы назвать «легкой артиллерней».

Последним элементом, сиптезированным с помощью «легкой артиллерии», был 101-і̆ элемент, пазванныї менделевием в честь великого русского химика Д. И. Менделеева. Его впервые удалось нолучнть в Беркли (СІІА) в 1955 г. в результате реакции
\[
{ }_{2}^{4} \mathrm{He}+{ }_{99}^{253} \mathrm{Es} \rightarrow{ }_{101}^{256} \mathrm{Md}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} .
\]

Мишенью служил невидимый глазом тониий слої атомов изотопа эйнштейния-253 (всего около миллиарда атомов), нанесенный на топую (тоньше человеческого волоса) золотую фольгу. На ускорителе в Беркли эта фольга облучалась $\alpha$-тастицали с энергией 41 МэВ. Альфа-частица, проникая в ядро эйпштейшия, увеличивала его заряд на 2 единицы. В результате образовывались нейтрон и ядро 101-го элемента, которые попадали на расположенную сзади вторую золотую фольгу и осаждались на ней. Со второй фольги в первом опыте химикам удалось собрать всего 17 атомов 101-го элемента. И все же химики определили некоторые радиоактивные и химические свойства этого элемента. Работой по синтезу 101-го элемента руюоводил А. Гиорсо (р. 1915).
8. Все трансурановые элементы от 93 -го до 101 -го включительно были впервые получены в США под руководством Г. Сиборга (р. 1912) и А. Гиорсо. Для получения трансуранов с большими атомными номерами от «легкой артиллерии» требовалось перейти к «артиллерии среднего калибра», что и было сделапо. В качестве снарядов для бомбардировки мишеней стали использоваться ускоренные ионы углерода ${ }_{6} \mathrm{C}$, азота ${ }_{7} \mathrm{~N}$, кислорода ${ }_{8} \mathrm{O}$, пеона ${ }_{10} \mathrm{~N}$, аргона ${ }_{18} \mathrm{Ar}$. Существенно, чтобы бомбардирующие ионы были многозарядными, так как при прочих равных условиях энергия, приобретаемая ионом в циклическом ускорителе, пропорциональна квадрату заряда иона. В середине 60 -х годов лишь физики Дубны (СССР) и Беркли (США) располагали ускорителями, пригодными для ускорения ионов аргона.

В дальнейшем для бомбардировки митеней стали применять еще более массивные ионы:
\[
{ }_{26} \mathrm{Fe},{ }_{27} \mathrm{Co},{ }_{28} \mathrm{Ni},{ }_{29} \mathrm{Cu},{ }_{30} \mathrm{Zn},{ }_{32} \mathrm{Ge},{ }_{36} \mathrm{Kr},{ }_{54} \mathrm{Xe}
\]

и т. д. вшлоть до ${ }_{92} \mathrm{U}$ включительно. Короче говоря, в строй вступила «тяжелая артиллерия». Но чем больше заряд ядра иона, тем до большей кинетической энергии должен быть ускорен иоп. Действительно, чтобы ядро ускоренного иона могло слиться с ядром мишени, кинетическая энергия иона должна превышать высоту кулоповского барьера между ядрами. А последняя пропорциопальна зарядам обоих сталкивающихся ядер. Например, кулоновский барьер для цинка ( $Z=30$ ) в 15 раз выше кулоповского барьера для $\alpha$-частицы ( $Z=2$ ). Вот почему для использования тяжелых иопов требуются ускорители на высокие энергии.

Для ускорения понов при получении новых трансуранов в CIIA пользовались линейными ускорителями различных типов, в том числе и перезарядными линейными ускорителями (тандемами), принцип действпя которых такой же, по которому работает соответствующий тандем-геператор Ван-де-Граафа (см. § 84, пупкт 2). Јинеїными ускорителями пользовались и ученые Дармштадта (ФРГ) и во миогих других лабораториях мира. В СССР в Объединенном институте ядершых псследований (Дубна) в Лаборатории ядерных реакциї, руководимой Г.Н. Флеровым, для шолучения новых трансуранов и изучения их свойств применялись циклотроны. Поскольку ученым Дубны при изучении трансуранов принадленшт ведущее место в мире, мы остановимся только на краткой характеристике этих циклотронов. При этом мы совершенно не будем касаться способов выделения полученного трапсуранового изотопа из смесп или соединения его с другими элементами, а также способов идештификации заряда и массового числа соответствующего ему ядра, хотя эти вопросы не менее трудны и важны, чем п получепие самого изотопа.
9. В 1961 г. в Дубне для ускорения тяжелых понов был построен циклотроп У-300, которыї для того времени был самым моцпым в мире и специально прпспособлен для спнтеза повых трансурановых әлементов. (Чпсло 300 означает, что диаметр полюсов магнита в циклотропе составляет $300 \mathrm{cм}$, точнее, $310 \mathrm{cм.}$ Аналогично, символы У-200 и У-400 ознатают циклотроны с диаметрами полюсов магнитов 200 іг 400 см соответственно.)

Энергия, приобретаемая ионом в циклотроне, пропорциопальна квадрату заряда иона $q$, квадрату радиуса $r$ полюсов магнита и квадрату напряженности магнитного поля $H$ (см. задачу 2 к әтому шараграфу). Масса магніта в циклотроне У-300 2200 т, мощность высокотастотного генератора, пнтающего циклотрона $500 \mathrm{kBт}$, папряжение между высокотастотиыми электродамп-дуантами $260 \mathrm{iB}$.

В 1966 г. в Дубне появился новый циклотрон У-200. Он стал одним из лучших в своем классе ускорителей (т. е. ускорителей с такими же дтаметрами полюсов магпита) и оказался пепревзоїдениым по пнтепсивности пучка легких понов, а это очепь важно для синтеза трансуранов. На строившихся до пего диклотронах того же класса напряженность магнитного поля составляла, как правпло, $14-16$ кГс с вариацией амплитуды относительно этого значения около 4 кГс. На циклотропе У-200 до 6. В результате энергия ускоряемых частиц на циклотроне увеличилась вдвое, если учесть ее зависимость от магнитного поля, отметению выше. На циклотропе У-200 впервые были сиптезированы изотопы 106-го и 107-го әлементов, о чем подробнее будет сказано ниже.

С момента вступления в строй циклотрона У-200 появилась возможность далыше повышать энергию ускоряемых понов комбинацией циклотрона У-300 с меньшим циклотроном У-200. Тазим путем получался перезарядный пли тандем-циклотрон, работающий по принцну, сходному с тем, по которому работает тандем-генератор Ван-де-Граафа (см. §84, пункт 2). В тапдемциклотроне пон сначала ускорялся циплотроном У-300, затем поступал в циклотрон У-200, пройдя предварительно через угольпую пленку толщиной 0,2 мкм. В пленке частично «обдирается» электронная оболочка иона, так что положительный заряд иона увеличивается. Благодаря этому появляется возможность дальпейшего ускорения иона в циклотроне У-200, хотя он и меньше циклотроша У-300. Одпако этот метод не получил распространения из-за своей сложпости, а главным образом потому, что интенсивность шоних пучков на выходе получалась очень малой.

На циклотропе У-200, как уже отмечалось выше, были произведены важные исследования 10 синтезу трансурановых элементов. Но циклотроп У-200 главным образом был задумап как уменьшенная вдвое модель более мощного циклотрона У-400, ґоторый вступил в строй в конце декабря 1979 г. Циклотрон У-400 проектировался как специализированный ускоритель для получения ускоренных пучков ионов средней массы от неона ${ }^{20} \mathrm{Ne}$ до серебра ${ }^{108} \mathrm{Ag}$. При его сооружении был учтен опыт строительства, эксплуатации п модернизации циклотронов У-300 п У-200, а также тандем-циклотрона. В результате У-400 оказался лучшим в мире в своем классе ускорителеї. В частности, при той же массе әлектромагиита и том же потребляемом им токе питапия, что и у ускорителя У-300, интенсивность ускоренных пучков на циклотроне У-400 возросла в сотни раз.
10. Обращаемся к вопросу о синтезе трансурановых элемептов после получения 101-го элемепта – менделевия. В 1956 г. к работам по сиптезу 102-го элемента приступили ученые Нобелевского пиститута физики в Стокгольме, Калифорнийского института в Беркли и Института атомной эпергии в Москве.

Не прошло и года, как из Нобелевского института сообщили, что на стокгольмском циклотроне при облучении мишени из кюрия ${ }_{96}^{24} \mathrm{Cm}$ ионами углерода ${ }_{6}^{13} \mathrm{C}$ обнаружены атомы 102 -го элемепта. Авторы работы предложнли называть новый элемент нобелиел ( ${ }_{102} \mathrm{No}$ ) в честь учредителя Нобелевской премии. Однако через несколько месяцев ученые в Беркли в тотности воспроизвели стокгольмские опыты и не нашли активности с описапными свойствами. Но и они сообщили данные о свойствах якобы 102-го әлемента, впоследствии онровергнутые. Поэтому и их работа не может претендовать на открытие 102 -го элемента.

Впервые элемент 102, точнее, его изотоп ${ }^{254} 102 *$ ) был с достоверностью синтезировап в Дубне в 1963 г. путем бомбардировки ${ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ ионами ${ }_{10}^{2 \cdot 2} \mathrm{Ne}$ п правильно по порядку величнны был определен период полураспада синтезированного изотопа (уточненное значение этого периода $55 \mathrm{c}$ ). Эта работа и может претендовать на приоритет в получении 102-го элемента. Впослетствии данные, полученные в Дубне по всем изотопам 102-го элемента, были согласовапы с данными, полученшыми в Беркли.

В 1961 г. из Берклі прпшло сообщенше о синтезе изотопа 257103. Элемент с $Z=103$ быт назван лоуренсием в честь изобретателя циклотрона Лоуренса. Однако данные, сообщенные об изотопе ${ }^{257} 103$, оказались ошпбочными. Впоследствии сами авторы выразили сомнение в том, что массовое число обнаруяеншого ими изотопа равно 257, а не 258 или 259. В 1965 г. в Дубне с достоверностью был открыт пзотоп ${ }^{256} 103$ путем бомоардировии америция атомами изотопа кислорода:
\[
{ }_{8}^{18} \mathrm{O}+{ }_{95}^{243} \mathrm{Am} \rightarrow{ }^{256} 103+5{ }_{0}^{1} \mathrm{n} .
\]

При этом были получены правильные данные о вновь отирытом изотопе ${ }^{256} 103$. Поәтому монно считать, что әлемепт 103 был также впервые синтезирован в Дубне в 1965 г.

Элементы 102 и 103 не получили еще общепринятых названий. Ученые социалиститеских стран, работающие в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, где впервые с достоверностью были синтезированы указанпые элементы, претложили называть элемент 102 жолиотием (Jl) в честь Фредерига Жолио-Кюри, а әлемент 103 – резерфордием (Rf) в честь Резерфорда. Но и эти пазвапия до сих пор еще не получили всеобщего признания. Споры о приоритете открытия элементов 102 и 103 и их названиях продолжаются до сих пор. По этой прџqине мы условно и сохраняем первоначальные названия – нобелий и лоуренсий.

В 1964 г. в Дубне на циклотроне У-300 был синтезироваи 104-й әлемепт (точнее, изотоп ${ }^{260} 104$ ), названный курчатовие. (Ки) в честь видного советского физића и организатора пауки И. В. Курчатова (1903-1960). При синтезе этого элемента в кінчестве бомбардирующих частид применялись ионы неона ${ }_{10}^{22} \mathrm{Ne}$ с энергией $115 \mathrm{MəB}$, а в катестве мишепи использовался ${ }_{94}^{242} \mathrm{Pu}$. Происходила ядерная реакция
\[
{ }_{10}^{22} \mathrm{Ne}+{ }_{94}^{242} \mathrm{Pu} \rightarrow{ }_{104}^{260} \mathrm{Ku}+4{ }_{0}^{1} \mathrm{n},
\]

в результате которой и получился указанпый изотоп курчатовия. Всего в настоящее время открыто восемь изотопов курчатовия.
*) Символ 254102 означает, что порядковый номер элемента равев 102 , а его массовое число 254. Такая символика употребляется тогда, когда название әлемента еще не установлено.

11. Во всех рассмотренных выше свособах получения трансурановых элементов путем бомбардировки мишеней заряженными ионами в качестве мишеней брался либо уран, либо ранее полученный трансурап. Последним элементом, найденным таким путем, был элемент 105 , впервые синтезированный в Дубне в 1970 г. в результате реакции
\[
{ }_{10}^{22} \mathrm{Ne}+{ }_{95}^{243} \mathrm{Am} \rightarrow{ }^{261} 105+4{ }_{0}^{1} \mathrm{n} .
\]

Оп был назвап иильсборием (Ns) в честь Нильса Бора.
В 1973 г. Ю. Ц. Оганесян в Дубве предложил вместо тяжелых радиоактивных мишеней применять обышный свинец. Это предложение основывалось на следующих соображениях. Бомбардирующее ядро должно быть ускорено до громадной кинетической энергии, достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера между этим ядром и ядром мишени. Пусть в ревультате взаимодействия этих ядер сначала образуется компаундядро. Оно получается в сильно возбужденном, или, как принято говорить, в силью «нагретом» состоянии. В дальнейшем происходит «остывание» ядра.

С точки зрения капельной модели мехапизм остывания аналогичен тому, которыї описан в предыдушем параграфе (см. пункт 11). Сильпо возбуждениое компаунд-ядро начинает совершать колебания. Если эти колебания становятся достаточно интенсивными, то ядро принимает форму гантели (см. рис. 159, ноложение 3). Из шейки гантели, как было выяснено в указапном параграфе, начинают интенспвио испаряться мгновение нейтроны. За счет этого испарения п происходит остывапие компаунд-ядра. При пспускании неӥтрона ядро может разделиться на части, но может и не разделиться. Испарение одного нейтрона без деления ядра – процесс, больше чем в 100 раз менее вероятный по сравнению с испарением, которое сопровождается делением. При испускании двух неїтронов доля ядер, не испытавших деления, уменьшается больше чем в $100^{2}=10000$ раз, при пспускании трех нейтропов – больше чем в $100^{3}=1000000$ раз, п т. п.

Таким образом, чем больше неїтронов испустит компаунд-ядро при образовапии нового трансурапового элемента, тем менее вероятно появлепие последпего.

Допустим сначала, что мишенью служнт малоустойтивое, или «рыхлое», ядро. При слиянии его с ядром-снарядом лишь отпосительно малая часть энергии последнего тратится на дополнительное «разрыхленше» образовавшегося компаунд-ядра. Основная доля энергии ядра-снаряда расходуется на дальнейшее возбуждение уже «рыхлого» компаунд-ядра. Поэтому последнее получается сильно возбужденным, или «горячим». Такая ситуация пмеет место, когда мишенью служит тяжелое радиоактивное ядро. Так, при использовании ионов $\mathrm{C}, \mathrm{O}, \mathrm{Ne}$ и мишеней из $\mathrm{Pu}$,
$\mathrm{Cm}, \mathrm{Cf}$ образуются сильно возбужденные ядра с энергией возбуждения $40-60$ МэВ. Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию, в среднем равную 10-12 МәВ, так что для «остывания» компаунд-ядра и образования более устойчивого трансурана из компаушд-ядра долино вылететь до 5 нейтронов. IІодтверждением этого могут служить ядерные реакции (94.10), (94.11), (94.12), рассмотренные выше. Таким образом, вероятиость образования трансурана будет очень малой.

Допустим теперь, что в качестве мишепи берется очень устойчивое, или «плотноупакованное», ядро. Тогда ялро-снаряд предварптельно \”разрыхляет» его, на что тратится значительная доля әнергии. Лишь оставшаяся энергия ядра-снаряда идет на дальнейшее возбуждение образовавшегося компаунд-ядра. Последнее получается менее возбужденным, или «холодным».

Наиболее устойчивыми нлотноупакованными ядрами являются магические и в особеншости дважды магические ядра. У ядер с магическим числом протонов энергия, как функция числа $N$ нейтронов, минимальна. Мипимальна әнергия и у ядер с магическим числом нейтронов, если ее рассматривать как фунцию зарядового числа $Z$. Для дважды магических чисел энергия мипимальна уже как функция обоих переменных $Z$ и $N$. Ядро изотопа свинца ${ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb}(Z=82, N=126)$ дважды магическое, все остальные ядра этого элемента магические ( $Z=82, N
eq 126$ ). Магическим является и ядро висмута ${ }_{83}^{20 !} \mathrm{Bi}$. При использованит мишеней из этих ядер компаувд-ядро получается сравнительно мало возбужденным. Так, при бомбардировке плотноупаковавного ядра свипца юонами аргона, титана, хрома энергия возбуждения оказывается сравнительно низкой (всего $10-15$ МэВ), так что для снятия возбуждепия достаточно испускания уже одаогодвух нейтронов. Примерами могут служить ядерпые реакции (94.13), (94.14), приводимые пиже.

На основании изложенного можво было надеяться, что метод так называемого «холодвого» или «магического» синтеза трацсуравовых элемептов, предложенный Оганесяном, более эффективен, чем метод, в котором в качестве митеней испольдуются тяжелые радиоктивные элементы. Эти надежды оправдались.
12. Эффективность метода Огавесяна была испытана в Дубие прежде всего при облучении свипдовой мишени ${ }_{82} \mathrm{~Pb}$ ускорешными юонами ${ }_{22} \mathrm{Ti}$. В результате әтого сразу были открыты три вовых изотопа курчатовия ${ }_{104} \mathrm{Ku}$ (в зависимости от того, какие изотопы свинга и титана применялись на опыте). Несмотря ша то qто ускорепных ионов титана было в сотпи раз мепьпе, чем иопов пеона в реакции (94.11), на пзучение свойств каждого изотопа курчатовия потребовалось всего несколько десятков часов работы циклотрона У-300, в то время как длительвость первых опытов, в которых был сиптезирован әлемент 104, составляда свыше $10^{4}$ ч.

Методом Оганесяпа в Дубине в 1974 г. был открыт 106-й элемент. Он получался в реакции
\[
{ }_{24}^{54} \mathrm{Cr}+{ }_{82}^{207} \mathrm{~Pb} \rightarrow{ }^{259} 106+2{ }_{0}^{1} \mathrm{n},
\]

а в 1976 г. в реакции
\[
{ }_{24}^{54} \mathrm{Cr}+{ }_{83}^{204} \mathrm{Bi} \rightarrow{ }^{261} 107+2{ }_{0}^{1} \mathrm{n}
\]

был синтезирован 107-ї элемент. Попутно были получены новые изотопы предшественников әтих элементов по перподической спстеме Менделеева – от 100-го до 105-го.

Группа западно-гермапских экспериментаторов в Дармштадте на линейном ускорителе «Унилак» сиитезіровала методом Оганесяна новый изотоп 107-го элемента, воспронзвела и подтвердила многие другие результаты дубненски исследователе ї и полутила ряд новых данных.

Предпрниятые затем в Дубне и в Дармштадте попытии синтезировать 109 -ї элемент в реакции между висмутом ${ }^{209} \mathrm{Bi}$ и жолезом ${ }^{58} \mathrm{Fe}$ встретили затруднения. Выяснитось, что вероятность его образования в десятки раз меные вероятности образования 107-го элемента. В 1982 г. в опыте западно-германских физиков, который длился двенадцать суток подряд, удалось зарегистриронать только одно событие, которое могло претендовать на распад 109-го элемента с атомной массой 266. Для дальнейшего продвижения вперед требовалось значительно повысить чувствительность опытов. В Дубне опа была повышепа в несколько десятков раз. Там же на рубеже $1982-1983$ гг. в ходе 260 -часового опыта было зафиксировано носемь событиї, свидетельствовавших о рождении ядер 109 -го элемента. Несмотря па столь малый аффект, можно было сделать первые общие суждения о свойствах этого элемелта.

В начале 1984 г. в Дубне впервые были спптезироваиы два изотопа элемента 108 с массовыми числами 264 и 265. Они получались путем бомбардировки изотопов свинц ${ }_{92}^{207} \mathrm{~Pb}$ и ${ }_{92}^{208} \mathrm{~Pb}$ ионами железа ${ }^{58} \mathrm{Fe}$. Изотоп с массовым тислом $265^{\circ}$ примерно в то же время был синтезирован и в Дармштадте. Весної 193′ г. в трех ядерных реанцих, проведеных па повом циктотроно У-400 (в реакция свинца с железом и висмута с марганцем), были зарегпстрированы 44 случая распада трех изотопов 108 -го элемента с массовыми тислами 263, 264 п 265 . Все они чрезвычайно короткоживущи и распадаются не спонтаншо, а испуская $\alpha$-частицы. По спонтанному же делению оні не менее живучи, чем 104-й и 106-ї элементы, – вывод очень важный для теории и практики.

Одновременно трп ядра 108-го әлемента (точнее, изотопа ${ }^{265} 108$ ) были зарегистрированы в аналогичной ядерной реакции, проведенной на ускорителе «Упилак» группой западно-германских физиков. Располагая упикальным, пока единственным в мире чрезвычайно селективным масс-спектрографом, западно-германские физики установили важнейшие характеристики изотопа 265108: период полураспада – около 2 мс, энергия $\alpha$-частид -$10,4 \mathrm{MэB}$.

В середине 1987 г. появилось сообщение о получении 110-го элемента периодической таблицы Менделеева. Ядро этого элемента было получено в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне в результате бомбардировки тория и пзотопов урана мощным пучком ускоренных ядер кальция и аргона. Всего было получено около 40 ядер 110 -го элемента. Время жизни этих ядер оказалось порядка сотых долей секунды. Для столь тяжелых әлементов такое время жизни исключительно велико. Возможно, что это является указанием на существование острова стабильности сверхтяжелых элементов. Существование такого острова стабшльности современная теория предсказывает в районе элементов с атомными номерами 110-114 (см. пункт 13).
13. Трансурановые элементы испытывают все виды радиоактивного распада. Однако процессы $\beta$-распада относительно медленные; для ядер с $Z>100$, имеющих короткие времена жизни относительно $\alpha$-распада и спонтанного деления, роль $\beta$-распада невелика. С ростом $Z$ конкуренция между спонтанным делением, $\alpha$ – и 3 -распадами проявляется все более отчетливо.

Нестабильность относительно спонтанного деления и определяет верхнюю границу периодической системы элементов. Период полураспада относительно спонтанного деления ${ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ равен $10^{16}$ лет, ${ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}-10^{10}$ лет, ${ }_{100}^{255} \mathrm{Fm}-20$ ч. Для ${ }_{104}^{260} \mathrm{Ku}$ он снижается до $0,1 \mathrm{c}$, а для 106-го іл 107-го элементов измеряется тысячными долями секунды.

Естественно, возникает вопрос, почему физики упорно работают над получением столь короткоживущих элементов и исследованием их своӥств? К тому же такие элементы получаются в ииттожных количествах, иногда составляющих всего несколько атомов. Возможно, что в чисто научном отношении это и представляет интерес, но на непосредственное практическое примепение рассматриваемых элементов вряд ли можно рассчитывать. Однако такое заключение в настоящее время является поспешным.

В 1966 г. В. М. Струтинский предложил метод расчета ядерных оболочек, который неплохо воспроизводил периодические изменения свойств изученных ядер. Экстраполпруя найденные таким путем закономерности на неисследованную область, можно было попытаться предсказать свойства еще не полученных трансуранов. В последующее десятилетие фпзиками разных стран были произведены расчеты на самых сложных вычислительных машинах. Согласно этим расчетам ядра с числом протонов 114́ или числом вейтронов 184 должны быть магическими, а ядро 298114 – дважды магическим.

Гипотетические әлементы с числом протонов, близким к 114, и числом нейтронов около 184 называются сверхэлементами, а их ядра – сверхъядрами. Есть основание ожидать, что сверхъядра должны характеризоваться повышенной стабильностью, проявляющейся в относительно больших временах жизни. Поэтому совокупность значений $Z$ и $A$ сверхэлементов называют острово.и стабильности.

Основными типами радиоактивного распада сверхъядер являются спонтанное деление и $\alpha$-распад. По теории самым устойчпвым по отношению к спонтанному делению должно быть дважды магическое ядро ${ }^{298} 114$. Одпако время жизни по отнопению к $\alpha$-распаду у всех ядер сильно уменьшается с увеличением зарядового числа $Z$. Конкурендия между $\alpha$-распадом и спонтанным делением должна по теории приводить к тому, что самым долгоживущим сверхәлементом будет изотоп 294110. Ожидается, что наиболее вероятное время жизни для него должно составлять $10^{8}-10^{9}$ лет. Однако этот вывод основан на теории ядра, а она далеко не совершенна. Удовлетворительная теория ядра еще не создана. Не исключено, что истинное время жизни во много раз больше или меньше приведенного выше, а самым долгоживущим ядром окажется одно из ядер с зарядовым числом между 108 и 126.

Предсказываемое теорией поведение гипотетических элементов в окрестности магического ядра 298114 характеризуется резким измепением устойчивости и времени жизни даже нри незначительных изменениях хотя бы одного из тисел $Z$ или $N$. Так. если у самого долгоживущего ядра ${ }^{294} 110$ изменить всего па $2-3$ единицы число протонов или нейтронов, то время жизни по теории уменьшится примерно в миллионы раз. Такой әффект аналогичен тому, что наблюдается у обычных элементов в окрестностп предшествующего дважды магического ядра свинца ${ }_{82}^{20} \mathrm{~Pb}$. Это ядро пастолько устойтиво, что его радиоактивныї раснад никому еще не удавалось наблюдать. Но стоит к нему добавить всего один нейтрон, как время жизни полученного изотона ${ }_{82}^{209} \mathrm{~Pb}$ из-за $\beta$-распада сиизится до 4,8 ч.

Таким образом, по теории при приближении к сверхэлементам и в их окрестности время жизни меняется нерегулярно: с возрастанием атомного номера опо то уменьшается, то спова увеличивается, достигая очень больших значений для некоторых изотопов на острове стабильности, так что они могут считаться практически стабильными. В этом отношении элементы в окрестпостіт дваждымагического ядра 298114 ведут себя аналогично элемегтам в окрестности предшествующего дважды магического ядра ${ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb}$. У таллия ( $Z=81$ ) и следующих за ним свинда и висмута есть
пзотопы со столь большими временами жизни, что эти времена практически не удается пзмерить. За висмутом идут радиоактивные элементы: полопий $(Z=84)$, астат $(Z=85)$, радон $(Z=$ $=86$ )… Все пзотопы элементов от полония до актиния нревращаются в дочерние за очень короткие времена. Зато периоды полураспада наиболее стабильных изотопов урана и тория элементов с большим порядковыми номерами – равны соответственно 4,5 и 14 млрд лет и сравнимы с возрастом Земли. Нептуний, птутоний, америций, кюрнї менее радиоактивны, чем полоний или радиї, хотя іх порядковые номера значительно выше.
14. Если гипотетическиї остров стабпльности действительно существует и если бы удалось найти способ синтезирования долгоживущих сверхэлементов в макроскопических количествах, то научно-техническое значение такого открытия было бы трудно переоценить. Поэтому понятен интерес ученых к вопросу о сверхэлементах.

Вопрос о существовании сверхэлементов, в особенности стабильных и долгоживущих, может быть окончательно решен только әкспериментально. Для этой цели можно воспользоваться уже рассмотренным нами методом синтеза трансурановых элементов путем слияния ядра-мишени с ядром-снарядом с последующим охлаждением образовавшегося компаунд-ядра в процессе испускания нейтронов. Помпмо этого метода слияния есть и другой метод получения трансурановых элементов – метод деления ядер, предложенный Г.Н. Флеровым в 1965 г. В этом методе для бомбардировки урана пспользуются ускоренпые тяжелье ноны (Xе, U). Ядро-спаряд на очень короткое время (порядка $10^{-21}$ с) слипается с ядром-мишенью с образованием сильно перегретого гантелеобразного ядра, быстро вращающегося вокруг его цептра масс (см. задачу 4 к этому параграфу). В это время нуклоны в количестве до нескольки десятков имеют возможность перейти из одной половины гантелеобразного ядра в другую. Затем под действием громадної центробежної силы гантелеобразное яцро разрывается. Образовавшиеся осколки, будучп сильпо перегретыми, сами испытывают деление. В результате деления образуются сотни изотопов самых разных элементов, в том числе п тяжелых.

И действительно, уже в первом опыте в Дубше па тандемциклотроне были обнаружены нейтронопббыточные ядра тяжелых трансуранов, которые рапее получались прп термоядерных взрывах.

В дальнейшем подобшые опыты неоднократно повторялись не только в Цубне, но п в других странах, в частности в ФРГ (Дармштадт), где был использован наиболее мощиый в мире ускоритель ионов урана, причсм мишенью служил также уран. Ученые ФРГ обнаружили, что ядерные «гаптели» чаще всего делятся на два равных ядра урана. Более тяжелье и легкие осколки встречались реже. Чем больше различие в массах осколков, образовавшихся при делении ядерной «гантели», тем менее вероятно такое деление. Была надежда, что среди изотопов, образовавшихся при делении, появятся и изотопы сверхәлементов. Но эта падежда не оправдалась. С большим трудом удалось пайти лишы иичтожные количества 102 -го элемепта.
15. Во многих лабораториях мира пытались найти ядерные реакции, в которых по предположению должны получаться магические ядра ${ }^{298} 114$, хотя бы п в ничтожных количествах. Примерами могут служнть предполагаемые реакдии
\[
\begin{array}{l}
{ }_{92}^{238} \mathrm{U}+{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }^{476} 184 \rightarrow{ }_{70}^{166} \mathrm{Yb}+{ }^{298} 114+12{ }_{0}^{1} \mathrm{n}, \\
{ }_{54}^{136} \mathrm{Xe}+{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }^{374} 146 \rightarrow{ }^{298} 114+{ }_{32}^{72} \mathrm{Ge}+4{ }_{0}^{1} \mathrm{n} .
\end{array}
\]

Однако практически осуществить все гипотетические реакцип подобного рода пока пикому не удалось. Таким образом, на вопрос о существовании острова стабильности сверхэлементов опыты пока не дают ответа.
16. Быть может, сверхәлементы или следы их существования падо искать в самой природе – на Земле или, лучше, в метеоритах? Не останавливаясь на подроб̈остях, ограничпмся толью некоторыми, далеко пе полными, приципиальными замечаниями по этому трудному вопросу.

Ядра урана и всякого трансуранового элемепта испытывают спонтанпе делепие. Получающиеся осколки в момент своего образовапия обладают болыпой кипетической энергией – порядка 100 МәВ. Если деление произошло в кристаллической среде (митерале), то, двигаясь в ней, осколог до замедления производит миожество разрушений – ведь атомы в репетке связаны относительно слабыми сплами, для преодоления которых достатотно всего $2-3$ эВ. Осколки оставляют в среде следы, или треки, в виде миюроскоппчески узъих каналов. Подвергіув минерал травлению, т. е. подействовав па него подходящей кислотой или щелочью, эти каналы можпо расширить в сотши раз, так как вещество парушеншы участков кристалла гораздо легче подвергается травлению, чех ненарупенных. Расширепные треки легко увидеть в обычный оптический микроскоп (с увеличением в 100 и более раз).

Продукты деленпя, накапливающиеся при делении, являются изотопами әлемептов, лежащих в середипе периодической системы. Они могут быть выделены из исследуемого минерала, например, при нагревании его до $1000^{\circ} \mathrm{C}$ и выше (разумеется, для этого пе требуетея производить травления минерала), а затем подвергнуты апализу с помощью масс-спектрографа. По изотопному составу того или иного элемента можно однозначно судить о том, какие ядра испытали спонтапие деление, в результате которого образовались выделепиые элементы. Конечно, за время, прошедшее с момента образования изотопов, часть их могла рассеяться и уйти из исследуемого образца. Однако это обстоятельство пе играет роли, так как для рассматриваемого метода существен линь относительный изотопный состав, а не абсолютные количества образовавшихся изотопов. А отпосительный изотопный состав одного и того же элемента не мсняется при их рассеянии.

В изложенном методе наиболее удобпы изотопы ксенона, так как естественная распространенность этого элемента в земных и космических минералах очень мала – она в миллионы и миллиарды раз мевьше, чем раснространенность других химических әлементов. Поэтому даже незначительные добавки ксенона, образующиеся при делении, легко зафиксировать на слабом фоне обычного ксенона, содержащегося, например, в атмосфере. У других әлементов природный фон полностью маскирует такие добавки.

Для проблемы обиаружения следов спонтанного деления ядер сверхэтементов более подходящими являются минералы космического, а не земного происхождения. Дело в том, что на Земле такие следы не могут сохраниться столь длительное время, как это возможно в метеоритах. На Земле они исчезают под действием многочисленных разрушатци факторов. При исследовании рассматриваемой проблемы предпочтение было отдано кетеоритам-ахондритам. Так называются метеориты, в состав которых входях хондры – затвердевние капли силикатного вещества, возмонсло, орразовавшегося еще в начальной стадии формирования Солнечной системы. размеры хопдр колеблются от долей миллиметра до саптнметров.
17. При исследовапи ліристалтов минератов, извтеченых из некоторых метеорптов-ахопдритов, были обнаружены миллионы следов оскольов деления lаких-то ядер па гаждом квадратюом саптиметре. Однако сами ядра обларужепы не былн. Естественно было предположить, что время жизні их недостаточно ветиіо, так что за время супествования Солнечпой спстемы они полностью распались. Что же это за ядра?

При термоядерных взрывах. каг уже говоритосы в пункте 6 , обпаруяен п.ттоний-244 – пайолее долгоиивщий эпемент пз всех известных трансурановых әлементов (период полураспада ${ }^{244} \mathrm{Pu}$ равен $8,3 \cdot 10^{7}$ лет). Состояние вещества, подойпое тому, калое было при термоядерном взрыве, но уже в громадных госмических масштабах суцествовало и при возникновении Солнетной системы – в период образования химических элементов. Несомненно, что в этот перпод образовывался и плутоний-244, и другие трансурановые әлементы, но і настоящему времени все опи полностьо исчезли на Земле из-за сравнительно коротких времен жизни.

Следы спонтаниого деления ядер, оставлепие в метеоритах-ахопдритах. не могут припадлежать ядрам урала-238 или тория-232, тап кағ в противном случае эти долгжнвущие элементы сохрапились бы в метеоритах до настоящего времепи, каю это имеет место на Земле. Можно думать, что эти следы оетавлены ядрами трансуранов. Однако все изнестные относительно лороткоживущие трансураны доляны быть сразу же исключены, поскольлу они распались бы еще задолго до затвердевания метеоритов. Исключение состав.тяет толыо самый долгоживуниї трансурап, а имено плутоний-244. Только он мог оставить рассматриваемые следы, а затем еще задолго до настоящего времеши полностью исчезнуть из метеоритов. Это аредцоложение подтвердилось экспериментально.
В метеорнтах сохранились пе толыо треки, оставлениые осколками детения ядер, но и сами оснотки в виде соответствуюцих атомов Эти атомы частично можно было извлечь из метеоритов путем нагревания их до температуры $1000-1200^{\circ} \mathrm{C}$ п масс-спектроскопически определить изотопный состав извлеченного газа. Оказалось. что в этом газе среди прочих изотопов содержатся и изотопы ксенона. прелставляющие для нас основпой иптерес. haк уже подчернивальсь, важно знать толыю относительне содержапие изотопов ксенона, а не котитество его, сохранивнееся в метеорите.
С другой стороны, в потоке пейтронов, шсходящем из ядерного реактора, синтезируется мпжество элементов, в том числе и ${ }^{244} \mathrm{Pu}$. Несколько миллиграммов этого изотопа было помещепо в кварцевую амнулу, из которой затем был вынатап воздух, после чего сама ампула была герметически запаяна. Из-за спонтаного деления ядер плутония в амлуле среди лрочих продуктов образовывался и псепон. Примерно через два года ампужу вскрыли, а образовавшийся ксен был исследован с помощью массспентрометра. Хотя за это вреля путем деления распалась мизерная часть нлутония-244, однако при высокой чувствительности современиы приборов ее оказалось достаточпо, чтобы исследовать изотопный состав получепного ксеиона. Он оказался в точности таким же, как и в метеоритах-ахондритах. Это и доказывает, что следы деления, наблюдавшиеся в метеоритах, оставнены ядрами именно плутония-244.
18. Возникла идея, что в углистых метеоритах-хондритах надо искать следы деления ядер гипотетических сверхәлементов. (Углистыма называют
метеориты, в состав которых входят углеродсодержащие минералы и соединения. В этих веществах в метеорите и содержатся хондры.) Их былое существование можно было бы обнаружить по изотопному составу гсенона, содержащегося в метеоритах. В основе такой идеи лежали следующие соображения. На основе квантовой механиги с использованием ЭВМ было рассчитапо строешие электропных оболочек гипотетических сверхтяжелых атомов и тем самым определены их химические свойства. Оказалось, что наиболее устойчивые сверхәлементы должны быть химическими аналогами легколетучих элементов вроде свинца. А из всех метеоритов наиболее богаты таними элементами именно углистые метеориты.

Из углистых метеоритов-хондритов путем нагревания до $1000-1200^{\circ} \mathrm{C}$ были выделены пейтроноизбыточные изотопы ${ }^{136} \mathrm{Xe},{ }^{134} \mathrm{Xe},{ }^{132} \mathrm{Xe}$ и ${ }^{131} \mathrm{Xe}$. Казалось, что эти изотопы выделялись при делении ядер какого-то трансурапа. Но все ядра пзвестных трансуранов при делении не выделяют ксенон с таким же изотопным составом. Первоначально это считалось доказательством былого существования сверхәлемента, при делении ядер которого и получился ксеног наблюдаемого изотонюго состава. Однако таке заключение вскоре было опровергнуто. Действительно, непосредственно при делении спачала получаются пейтропоизбыточные, но $\beta^{-}$-неустойчивые ядра (см. § 93, пункт 11). Претерпев $\beta^{–}$-распад, они в конце концов переходят в стабильиые ядра ксенопа. Эти стабильные ядра также еще должыы быть пейтроноизбыточными. Нейтронодефицитные ядра ксенона при делении получиться не могут. А между тем в метеоритах они содержатся. Оказалось, что чем больше пейтроноизбыточных стабильных ядер, тем больше и нейтронодефицитпых стабильных ядер. Это не согласуется с предположением, что все стабильные изотопы ксенона в метеоритах получились в результате деления. Другие коптрольные опыты также подтвердили такое заключение.

Таким образом, исследование изотопного состава ксенона в метеоритах не принесло догазательства существовапия в настояцее время или в отдаленном прошлом сверхэлементов. Другие методы, основанные на измерении длины треков в метеоритах и на Земле, также пока не дали окончательного ответа на вопрос о существовании сверхәлементов. Для этого требуются дальнейшие исследования.
ЗА ДА Ч II
1. Для катественного уяснения влияния электронного захвата на стабильность әлектроной оболочки атома можно предположить, что захват электронов как бы мгновепно пронсходит с боровской орбиты с тлавным квантовым числом $n$. Исходя из такого представления, оценить наименьшее зиачение тисла $Z$, выше іоторого стабильность әлектронной оболочки атома стаповится невозможной, предполагая, что $n=1,2,3,4,5$.

Решепие. Такое представление эквивалентно предположению, тто внутри сферы с радиусом $n$-й боровской орбиты электроцов нет, а размер ядра (при том же заряде) как бы увеличен до размеров ятой сферы. Но радиус $n$-й боровской орбиты пропорционален $n^{2}$. Тем самым задача свелась к задаче, разобранной в пункте 2 , если только в уравнении (94.1) $r_{0}$ заменить на $r_{0} n^{2}$. Ипате говоря, надо оперировать с перавенетвом
\[
\frac{A^{4 / 3}}{1,97+0,015 A^{2 / 3}} \leqslant \frac{38000}{n^{2}} .
\]

Из него находим, что для стабильности әлектронной оболочки необходимо вынолнение условий:
\[
\begin{array}{rrrr}
Z \leqslant 1460 & (n=1), & Z \leqslant 370 & (n=3), \\
Z \leqslant 630 & (n=2), & Z \leqslant 250 & (n=4), \\
& Z \leqslant 185 & (n=5) . &
\end{array}
\]

2. Определить в нерелятивистском приближении кинетическую энергию, приойретаемую зарядом $q$ массой $m$, если радиус орбиты, по которой оп вращается, равен $r$, а магнитное поле $I I$ однородшо.
Ответ. $\mathscr{E}=q^{2} R^{2} I^{2} / 2 m c^{2}$.
3. Ядро усіореного нона ${ }^{238} \mathrm{U}$ сталиивается с покоящимся ядром того же ураиа п на короткое время сливается с пим в гантелеобразное вращающееся ядро. Оцентть минмальну угловую скорость вращепия ж полученного тантелеобразного ядра.

Решение. Момент пмпуыса врацающегося гантелеобразного ядра определяется формулиї $L^{2}=l(l+1) \hbar^{2}$, в которой следует положить $l=1$. Таким образом, $L=\rceil_{2} \overline{2}$. С другой стороны, $L=J_{\omega}$, где . – момент инерции гантелсобразного ядра относительно его центра масс. Для оцени $J$ заменим гантель двумя соприасацимися ядрами урапа. Момепт инерции сптошного шара относитетыно касательной к нему равен $7 / 5 r^{2}$, а двух паров относительно общей касательной – $14 / 5 r^{2}$. Јадиус ядра урана $r=8,7 \times$ $\times 10^{-13} \mathrm{cм}, m=4 \cdot 10^{-22} \mathrm{r}, J=8,5 \cdot 10^{-46} \mathrm{r} \cdot$ см $^{2}$. Следователын,
\[
\omega=\frac{\sqrt{2} \cdot 1,05 \cdot 10^{-27}}{8,5 \cdot 10^{-46}}=-1.7 \cdot 10^{19} c^{-1} .
\]
4. В ураповых рудах обнарунешы нитожные ноличества ${ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}$. Такой плутопий образуется из ${ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ под действием пейтропшых потсков, всегда имеюцихся в руде. Нейтронные потоги в свою очереды возникают и поддерживаются при спонтапом делении ядер урана или под действием посмичесьих лучей.

Одепить долю атомов ${ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}$, отнесенную к числу атомов руды, предполагая, что руда состонт из чистого урана-238 и что плутоний образуется топько под действием нейтронов от снонтаного делепия ядер урана. Период понураспада урана-238 относительно спонтанного деления $T_{1 / 2}^{\mathrm{U}} \approx$ $\approx 10^{16}$ лет, плутония $T_{1,2}^{\mathrm{Pu}} \approx 2,4 \cdot 10^{4}$ лет.

Решение. Предположим, что каж,дый нейтрои, возничающий при спонтаним делении ядра урапа, поглощается ядром того же урапа с образованием нутония. Кaю џри веяком радноантивном равюовесии, искомая доля плутония $N_{\mathrm{Pu}} / N_{\mathrm{U}}$ найдется из требования, чтобы число распадающихся в единицу времени нри снонтаном делепии ядер урана было равно числу раснадающихся за то же время ядер плутония. Это дает
\[
N_{\mathrm{Pu}} / N_{\mathrm{U}}=T_{1 / 2}^{\mathrm{U}} / T_{1 / 2}^{\mathrm{Pu}} \approx 10^{-12} .
\]

В действителыю встречающихся рудах отношение числа атомов плутопия к чисту атомов руды прнмерпо на два порядка меньше приведенного зпачения. Причина расхондения залточается в том, что $N_{\mathrm{U}}<N_{\text {рудн }}$, а главное в том, что большая часть нейтропов, возникающих при спонтанном делении ядер урапа, поглощается ядрами других веществ руды, а такике ухолит наружу. Кроме того, пе всяний шейтрон, поглощенный ядром ураша, вызывает деление.