Радиоактивный эйнштейний: что это за элемент и чем он интересен?

Как и где был обнаружен эйнштейний?

Эйнштейний (²⁵³Es) — радиоактивный элемент в периодической системе Менделеева. Этот трансурановый химический элемент с атомным номером 99, серебристый металл, обнаружен в 1952 году в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (лаборатория Беркли). 

Открытие эйнштейния почти одновременно с фермием является результатом исследований продуктов взрыва термоядерного устройства, произведенного американцами в Тихом океане в ноябре 1952 года (испытание «Майк»).

Иви (Айви) Майк (Ivy Mike, испытание «Майк», испытание «М») — это первое в мире испытание термоядерного взрывного устройства. Оно произведено США 1 ноября 1952 года на одном из моту атолла Эниветок. Из-за веса и габаритов, а также использования в качестве топлива для термоядерного синтеза жидкого дейтерия устройство не имело практической ценности в качестве оружия и предназначалось исключительно для экспериментальной проверки «двухступенчатой» конструкции, предложенной Уламом и Теллером. Эксперимент завершился успехом; оценочная мощность взрыва составила 10–12 мегатонн тротилового эквивалента.

Было установлено, что в продуктах взрыва содержатся особенно тяжелые ядра урана и плутония, в том числе ²²⁴Pu и ²⁴⁶Pu. Образование таких ядер могло быть лишь результатом мгновенного захвата ядрами ²³⁸U нескольких нейтронов (от 6 до 17!). Это давало основание предположить, что одновременно с тяжелыми изотопами урана и плутония могли образоваться ядра элементов с атомным номером больше 98.

Действительно, при разделении продуктов взрыва обнаружилось присутствие нового тяжелого элемента, и после переработки большого количества коралловых отложений и грязи, привезенных с места взрыва, удалось выделить два изотопа (253 и 255) нового элемента. Ему было присвоено название «эйнштейний» в честь крупнейшего математика и физика XX века Альберта Эйнштейна. Позже элемент 99 был получен искусственно другими методами, главным образом путем продолжительного облучения плутония нейтронами высоких энергий. Этим методом за 2-3 года можно получить несколько граммов эйнштейния; при термоядерной реакции он образуется за несколько тысячных долей секунды. Наиболее устойчивый изотоп эйнштейний-254 обладает периодом полураспада около 270 дней.

Почему он малоизучен и как используется?

Эйнштейний является радиоактивным металлом и принадлежит к семейству актиноидов. В соединениях он проявляет степени окисления +2 и +3. Примером может служить его иодид с химической формулой EsI₃. В обычном водном растворе эйнштейний существует в наиболее устойчивой форме в виде ионов.

Также этот металл отличается кубической гранецентрированной решёткой, при этом параметр решетки около 0,575 наномеров, температура плавления — 860 °C. Характеризуется относительно высокой летучестью. Синтезированы и изучены многие твердые соединения эйнштейния, такие как Es₂O₃, EsCl₃, EsOCl, EsBr₂, EsBr₃, EsI₂ и EsI₃.

Всего известно 19 изотопов и 3 изомера с массовыми числами от 243 до 256. Самый долгоживущий из изотопов ²⁵²Es имеет период полураспада 471,7 суток.

Используется для получения менделевия при бомбардировке в циклотроне ядрами гелия.

Однако с чистым эйнштейнием ученые провели мало экспериментов. Дело в том, что его очень сложно воссоздать. Команда химиков из лаборатории Беркли преодолела эти препятствия, чтобы сообщить о первом исследовании, характеризующем некоторые из его свойств, открыв двери для лучшего понимания оставшихся трансурановых элементов ряда актинидов.

Как сейчас изучается элемент?

Исследование «Структурные и спектральные характеристики комплекса эйнштейний», опубликованное в журнале Nature, проводилось совместно женщиной-ученым из лаборатории Беркли Ребеккой Абергель и ученым из национальной лаборатории Лос-Аламоса Стошем Козимором. Также в работе приняли участие ученые из двух лабораторий — Калифорнийского университета в Беркли и Джорджтаунского университета. Всего в распоряжении ученых было около 250 нанограмм элемента, и этого количества вещества хватило, чтобы впервые измерить длину химической связи этого элемента — основное свойство, определяющее его взаимодействия с другими атомами и молекулами.

На сегодняшний день об эйнштейнии известно немного. Выяснив его химическое поведение, ученые могут применить это знание для разработки новых материалов или новых технологий. Причем не обязательно только с эйнштейнием, но и с остальными актинидами. Ученые отмечают, что тщательное изучение эйнштения в дальнейшем поможет открыть новую химию — как минимум один новый элемент.

Как ученым удалось его воссоздать для изучения?

Абергель и ее команда использовали экспериментальные установки, недоступные несколько десятилетий назад, когда был впервые обнаружен эйнштейний, — Молекулярный литейный цех в лаборатории Беркли и Стэнфордский источник синхротронного излучения (SSRL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, оба объекта Управления науки Министерства энергетики США — для проведения люминесцентной спектроскопии и эксперименты по рентгеновской абсорбционной спектроскопии.

Ученые отмечают, что получение образца в пригодном для использования виде было почти половиной успеха. 

Материал изготовлен в реакторе изотопов с высоким потоком в Ок-Риджской национальной лаборатории. Это одно из немногих мест в мире, где создание эйнштейния возможно в принципе. В реакторе использовалась бомбардировка кюриевых мишеней нейтронами для запуска длинной цепи ядерных реакций. Первая проблема, с которой они столкнулись, заключалась в том, что образец был загрязнен значительным количеством калифорния, так как получение чистого эйнштейния в пригодном для использования количестве чрезвычайно сложно.

Поэтому им пришлось отказаться от своего первоначального плана по использованию рентгеновской кристаллографии, которая считается золотым стандартом для получения структурной информации о высокорадиоактивных молекулах, но требует чистого образца металла, и вместо этого придумали новый способ изготовления образцов и использования элементные методы исследования. Исследователи из Лос-Аламоса оказали критическую помощь на этом этапе, разработав держатель для образцов, который уникально подходит для решения проблем, присущих эйнштейнию.

Тогда еще одной проблемой стала борьба с радиоактивным распадом. Команда лаборатории Беркли провела свои эксперименты с эйнштейнием-254, одним из наиболее стабильных изотопов этого элемента. Его период полураспада составляет 276 дней, то есть время разложения половины материала. Хотя команда смогла провести многие эксперименты до пандемии коронавируса, у них были планы на последующие эксперименты, которые были прерваны из-за отключений, связанных с пандемией. К тому времени, когда им удалось вернуться в свою лабораторию прошлым летом, большая часть образца уже исчезла.

Что выяснили ученые?

Тем не менее, исследователи смогли измерить расстояние связи с эйнштейнием, а также обнаружили некоторое физико-химическое поведение, которое отличалось от того, что можно было бы ожидать от ряда актинидов. Речь идет об элементах в нижней строке периодической таблицы.

Получив картину расположения атомов в молекуле, включающей эйнштейний, ученые измерили длину химической связи и обнаружили некоторые интересные химические свойства. Особенности люминесценции и спин-орбитальной связи эйнштейния отличались от того, что можно было бы ожидать от элемента ряда актиноидов — нижней строки периодической таблицы.

В этом ряду есть элементы или изотопы, которые полезны для производства ядерной энергии или радиофармацевтических препаратов. Получив новые данные, мы будем лучше понимать, как ведет себя весь ряд актиноидов.

Ребекка Абергель из лаборатории Беркли

Удивительно, но это исследование также дает возможность изучить то, что находится за пределами таблицы Менделеева, и, возможно, обнаружить новый элемент. 

Читать далее

Посмотрите на изображение Марса из 8 триллионов пикселей

Ученые вывели замену для теории относительности. В чем суть «теории всего»?

Ученые нашли доказательство скрещивания современных людей с неандертальцами