В истории синтезов можно видеть взлеты и падения. Первый взлет приходится на 1940–1945 гг., когда было открыто четыре синтезированных элемента: нептуний (Z=93), плутоний (Z=94), америций (Аm=95), кюрий (Cm = 96). Затем подъем кривой сменяется плавным участком (до 1949 г. новых синтезов не произошло). Далее можно наблюдать второй взлет — 1949–1952 гг. Еще четыре трансурановых элемента: берклий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99) и фермий (Z=100) — оставили свои символы в периодической системе. Третий, единичный взлет соответствует синтезу менделевия (Z=101) в 1955 г., когда история синтеза трансурановых элементов отметила пятнадцатилетний юбилей. В последующую четверть века синтезов было значительно меньше: верхняя граница периодической системы отодвинулась всего на шесть порядковых номеров. Здесь ученые вступили в совершенно новую область синтезов, поэтому прежние критерии, которыми оценивались открытия элементов, во многом оказались иными.
Все эти взлеты и падения отнюдь не обусловлены случайностями, все они результат обстоятельств, вполне закономерных. Они становятся понятными, если передвигаться по шкале синтезов трансурановых элементов от нептуния и далее.
НЕПТУНИЙ
Э. Ферми, конечно, никогда не преподносил итальянской королеве флакончик, содержащий соли первого трансуранового элемента. Это не более чем досужая выдумка журналистов. Но то, что Э. Ферми действительно держал в руках элемент № 93, правда, которая в то время не могла быть доказана. Урановая мишень в его опытах состояла из смеси изотопов — урана-238 и урана-235. Второй из них делился под действием медленных нейтронов, образовались осколки — элементы середины периодической системы. Они чрезвычайно запутывали химическую картину, в чем удалось разобраться только после открытия деления.
Но уран-238 поглощал нейтрон, превращаясь в уран-239, новый изотоп девяносто второго элемента. β-Активный 239U рождал изотоп первого трансуранового элемента с порядковым номером 93. Все было так, как и предполагали Э. Ферми с коллегами. Но следы будущего нептуния невозможно было различить на фоне множества осколков деления. Потому-то опыты середины 30-х годов закончились безрезультатно.
Открытие О. Гана и Ф. Штрассманна явилось решающим стимулом для действительного синтеза трансурановых элементов. Для начала нужно было найти надежный способ уловить атомы элемента № 93 в мешанине осколков деления. Сравнительно небольшие по массе, эти осколки в процессе бомбардировки урана должны были отлетать на большие расстояния (иметь бóльшую длину пробега), чем массивные атомы девяносто третьего.
Так рассуждал американский физик Е. Макмиллан, сотрудник Калифорнийского университета. Еще весной 1939 г. он стал исследовать распределение осколков деления урана по длине пробегов. Ему удалось выделить порцию таких осколков, чья длина пробега была очень малой. И в этой самой порции он обнаружил следы радиоактивного вещества с периодом полураспада 2,3 дня и высокой интенсивностью излучения. Другие порции осколков подобной активности не содержали. Это вещество «X», показал Е. Макмиллан, является продуктом распада изотопа урана, также содержащегося в выделенной порции короткопробежных осколков. Так ученый записал цепочку, которая в свое время виделась Э. Ферми:
Только теперь поиски вели уже не вслепую. Чтобы окончательно доказать образование нового элемента, требовалось вмешательство химии. На летние каникулы к Е. Макмиллану приехал его приятель, химик П. Абельсон, что и сыграло решающую роль в открытии элемента № 93. Совместными усилиями Е. Макмиллан и П. Абельсон установили химическую природу вещества с периодом полураспада 2,3 дня. Вещество можно было химическим путем отделить от урана и тория, хотя кое в чем наблюдалось и сходство. Зато никакой общности не было между этим веществом и рением. Так окончательно рухнуло предположение о том, что элемент № 93 должен быть экарением.
В начале 1940 г. в журнале «Physical Review» появилось сообщение о действительном открытии девяносто третьего элемента. Ему было дано имя «нептуний», по названию планеты, следующей в солнечной системе за Ураном (тем самым подчеркивалось и некоторое сходство нептуния с ураном).
Уже при синтезе нептуния проявилось существенное обстоятельство, которое характерно для открытия всех трансурановых (да и других синтезированных элементов). Первоначально был синтезирован один изотоп, с определенным массовым числом. Для нептуния это был изотоп 239Np. С той поры стало правилом датировать открытие нового трансуранового элемента по времени достоверного синтеза первого его изотопа. Но иногда этот изотоп оказывался таким короткоживущим, что его трудно было использовать для химических и физических исследований, не говоря уже о каком-либо практическом применении. Для изучения нового элемента лучше всего подходил бы его самый долгоживущий изотоп. В случае нептуния таким стал 237Np, синтезированный в 1942 г.: