Америций, кюрий, берклий и калифорний
Общие сведения
Америций, кюрий, берклий и калифорний представляют собой группу искусственно синтезированных радиоактивных химических элементов, относящихся к семейству актиноидов. Данные трансурановые элементы были открыты в середине двадцатого века в рамках развития ядерных программ. Америций, четвертый трансурановый элемент, был синтезирован в 1944 году в Металлургической лаборатории Чикагского университета. Его название образовано по аналогии с европием и дано в честь Америки. В том же 1944 году был открыт кюрий, химическое поведение которого оказалось схожим с редкоземельными элементами. Кюрий получил свое название в честь Пьера и Марии Кюри. Берклий был впервые получен в 1949 году учеными Национальной лаборатории Лоуренса и назван в честь города Беркли. Калифорний, девяносто восьмой элемент таблицы Менделеева, был синтезирован в 1950 году группой американских физиков при облучении кюрия и назван в честь Калифорнийского университета и штата Калифорния. Все перечисленные элементы являются высокотоксичными, радиоактивными и не имеют ни одного стабильного изотопа.
Свойства и характеристики
В свободном состоянии данные элементы представляют собой металлы серебристо-белого цвета. Америций является ковким и тягучим металлом, имеющим две аллотропные формы. За счет собственного излучения он способен светиться в темноте. Химические свойства америция близки к лантаноидам. Металл образует оксиды, диоксиды и гидриды, а при нагревании с галогенами дает тетрагалогениды. Его наиболее долгоживущий изотоп имеет период полураспада немногим более семи тысяч лет. Кюрий представляет собой мягкий металл, который также светится в темноте вследствие интенсивного альфа-распада. В водных растворах кюрий проявляет стабильную степень окисления плюс три, а в твердых соединениях, таких как оксиды и фториды, она достигает значения плюс четыре. Самый устойчивый изотоп кюрия имеет период полураспада около шестнадцати миллионов лет. Берклий существует в двух кристаллических модификациях и выступает химическим аналогом тербия. Данный элемент образует нерастворимые в воде оксиды, фториды, фосфаты и карбонаты. Калифорний обладает температурой плавления около девятисот градусов Цельсия, отличается летучестью в вакууме при температурах свыше трехсот градусов, легко поддается механической обработке и способен образовывать сплавы с лантаноидами. Все рассматриваемые металлы обладают крайне высокой радиотоксичностью. Попадая в организм, они концентрируются преимущественно в костной ткани и печени, разрушают процессы образования эритроцитов и провоцируют развитие злокачественных опухолей.
Нахождение в природе
В естественных геологических формациях на Земле данные элементы не встречаются, поскольку все их изотопы радиоактивны и с течением времени полностью распадаются. Присутствие америция, кюрия, берклия и калифорния в окружающей среде связано исключительно с антропогенным фактором, а именно с испытаниями ядерного оружия и развитием ядерной энергетики. В настоящее время микроскопические количества этих актиноидов обнаруживаются в районах проведения ядерных взрывов. В частности, повышенные концентрации америция были зафиксированы после испытания термоядерного устройства на атолле Эниветок в 1952 году. Следы элементов данной группы также присутствуют на полигонах, например, на Новой Земле, и на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению после аварии на Чернобыльской атомной электростанции. В остальном элементы существуют лишь как искусственные продукты ядерных реакций внутри реакторов.
Получение
Синтез рассматриваемых трансурановых элементов представляет собой сложный многоступенчатый процесс, требующий использования ядерных реакторов и радиохимических лабораторий. Америций образуется в результате бета-распада плутония-241, который накапливается в отработанном ядерном топливе и плутониевом оружии. Со временем процесс распада приводит к самопроизвольному накоплению америция в оружейном плутонии, что вызывает деградацию ядерных зарядов. Кюрий получают путем последовательного захвата нейтронов ядрами урана или плутония, а также при облучении плутония-239 альфа-частицами. Ввиду чрезвычайной близости химических свойств америция и кюрия, их разделение представляет значительную техническую сложность и осуществляется методом ионно-обменной хроматографии. Берклий синтезируют посредством облучения мишеней из америция-241, причем исходное отсутствие достаточного количества америция задержало открытие берклия на пять лет. Производство калифорния является одним из самых трудоемких и дорогостоящих процессов в ядерной физике. Для создания одного грамма этого элемента требуется непрерывно облучать мишени из плутония или кюрия в ядерном реакторе на протяжении примерно одного года, после чего следует длительная химическая экстракция. Чистый металлический калифорний выделяют путем восстановления фторида калифорния при помощи лития.
Применение
Несмотря на высокую токсичность и радиационную опасность, эти элементы находят применение в узкоспециализированных областях. Америций используется в контрольно-измерительной аппаратуре, исследовательских приборах и детекторах дыма. Изотоп америций-242m обладает высоким сечением деления тепловыми нейтронами, в связи с чем рассматривается как потенциальное топливо для компактных ядерных реакторов на межпланетных космических кораблях. Кюрий применяется для создания мощных радиоизотопных источников энергии. Источники на основе кюрия-244 отличаются длительным сроком службы по сравнению с полониевыми аналогами. Изотопы кюрия используются в нейтронно-активационном анализе, а также перспективны для создания компактных реакторов с высоким энерговыделением. Берклий практически не имеет самостоятельного коммерческого применения и используется главным образом в качестве мишени для синтеза калифорния. Калифорний-252 является самым тяжелым элементом, нашедшим практическое применение за пределами фундаментальных исследований. Он служит сверхмощным точечным источником нейтронов в нейтронно-активационном анализе, а также применяется в медицине для лучевой терапии злокачественных опухолей. Из-за высочайшей сложности синтеза калифорний считается самым дорогим металлом в мире, его стоимость достигает нескольких сотен миллионов долларов за один грамм, что делает его массовое использование невозможным.