Часто можно услышать такие выражения, как “два сапога — пара”, “без четырех углов изба не строится” и т. п. и т. д. У многих из нас есть свое “счастливое число”. Предрассудки? Возможно. Но и в математике, физике, химии — науках, которым мистика абсолютно чужда, существуют свои “магические числа”. В ядерной физике эти числа выражают энергетически наиболее устойчивые комбинации протонов и нейтронов в ядре, а в химии — аналогичные сочетания электронов в оболочке.

Согласно теории Сиборга в семействе актиноидов к которому относится и элемент № 96, по мере увеличения атомного номера новые электроны появляются не на внешней и даже не на предпоследней электронной оболочке, а еще ближе к ядру, в оболочке 5. Находясь как бы в тылу, они не участвуют “в боях на передовой”! за образование химических связей. Отсюда — химическое сходство актиноидов с родоначальником семейства актинием. Но на деле, как мы знаем, не все актиноиды так уж актиноподобны. Для тория, протактиния, урана трехвалентное состояние вовсе не характерно. Для них типичны иные, высшие валентности.

Правда, справедливости ради следует указать, что известны твердые соединения четырехвалентного кюрия (двуокись и тетрафторид), отличающиеся крайней химической неустойчивостью. В 1961 году Т. Кинан в результате растворения СmF₄ в 15-молярном растворе фтористого цезия впервые получил четырехвалентный кюрий в водном растворе и снял оптический спектр поглощения. Но даже при такой высокой концентрации фтор-иона (сильнейший комплексообразователь) и пониженной температуре четырехвалентный кюрий оказался настолько неустойчивым, что всего за час полностью восстановился до трехвалентного.

Комбинация из семи электронов на 5f-оболочке заманчива и для других атомов. Так, например, атом америция, у которого общее число электронов на один меньше, чем у кюрия, тоже располагает семью 5f-электронами. На этот уровень переходит один из электронов с близлежащей 6f-оболочки. С другой стороны, берклий, у которого восемь 5f-электронов, легко расстается с одним избыточным, окисляясь до четырехвалентного состояния.

Приведем только один пример. Ионные радиусы Cm³⁺ и Аm³⁺ почти не отличаются (разница — тысячные доли ангстрема), и химические свойства этих ионов так близки, что разделение элементов № 95 и 96 было бы весьма трудной задачей, если бы нельзя было перевести америций в высшие валентные состояния. Разница в поведении ионов Cm³⁺ и (AmO₂)²⁺ уже достаточно ощутима.

Но для отделения кюрия от трехвалентных лантаноидов (тоже имеющих очень близкие ионные радиусы) этот путь заказан. Именно поэтому чистую гидроокись кюрия (а это было первое чистое соединение элемента - № 96) удалось получить лишь спустя три года после того, как этот элемент был открыт. История его открытия рассказана в статье об америции, поэтому здесь ее не будет.

Между прочим у последнего кюрида — элемента № 103 — на 5f-оболочке 14 электронов. Дважды семь!

Из 14 известных ныне изотопов кюрия первым был синтезирован изотоп с массой 242 по реакции

233₉₄Pu + ⁴₂He ® ²⁴²₉₆Cm + ¹₀n

Он же получается и при облучении в реакторе плутония-239: захватив два нейтрона, ядро плутония-239 превращается сначала в плутоний-241, который испускает бета-частицу и становится америцием-241. Это ядро также способно захватить нейтрон. Но образующееся ядро ²⁴²Аm тоже бета-активно: испустив электрон, оно превращается в ядро ²⁴²Сm.

изотоп ²⁴¹Am, выделяемый в довольно больших количествах из отработавших свое твэлов атомных электростанций. Этот америций облучают в реакторах большими потоками нейтронов: больше кюрия получается при максимальном потоке нейтронов и минимальной продолжительности облучения.

Потребителей кюрия-242 пока немного, да и получают его немного — граммы в год. Однако с ростом потребностей производство этого изотопа может быть увеличено. Комиссия по атомной энергии США заявила недавно, что уже сейчас она может сравнительно легко довести, производство кюрия-242 до сотен граммов в год. И тогда, по оценкам американских экономистов, цена этого изотопа должна упасть до 100—200 долларов за грамм. Сейчас он стоит 3000 долларов за грамм. Естествен вопрос: кто же потребляет столь дорогой продукт? Но прежде чем ответить на него, посмотрим, что он собой представляет.

Мы уже успели привыкнуть к тому, что при делении тяжелых ядер нейтронами выделяется колоссальная энергия, не сравнимая ни с какими химическими реакциями. Пока не столь популярна энергия, выделяемая при радиоактивном распаде ядра, а она тоже более чем заметна. Если каждый акт деления урана-235 сопровождается выделением примерно 200 Мэв, то энергия альфа-частиц, испускаемых, например, кюрием-242 при радиоактивном распаде, составляет 6,1 Мэв. Это всего лишь в 35 раз, а меньше, но такой распад происходит самопроизвольному со строго постоянной скоростью, не подверженной влиянию каких-либо физических или химических факторов! Для использования этой энергии нет нужды в сложных и громоздких устройствах; более того, кюрий-242— практически чистый альфа-излучатель, а это значит, что для работы с ним не требуется тяжелая радиационная защита. Альфа-частицы поглощаются даже листом бумаги, полностью отдавая ей свою энергию (превратившуюся в тепло). Грамм кюрия-242 каждую секунду испускает1,2 · 10¹³ альфа-частиц, выделяя при этом 120 ватт тепловой энергии. Поэтому кюрий-242 практически всегда раскален; чтобы работать с ним, от него нужно непрерывно отводить тепло.

Чтобы получить эквивалентное количество энергии от реакции горения, нужно сжечь примерно 38 килограммов бутана в 138 килограммах кислорода. Даже если считать по весу, получится, что это почти в 200 тысяч раз больше, а объемы вообще несравнимы: грамм кюрия в виде окисла Сm₂O₃ занимает объем лишь в 0,1 кубического сантиметра.

Очевидно, потребителей кюрия-242 следует искать там, где особенно ценятся малый вес и компактность источника энергии. Это, например, космические исследования. Радиоизотопные источники на основе ²⁴²Сm (в комбинации с термоэлектрическими или другими преобразователями энергии) способны развивать мощность до нескольких киловатт. Они приемлемы для космических станций, как автоматических, так и с человеком на борту. Правда, из-за сравнительно короткого периода полураспада (162 дня) продолжительность стабильной работы такого источника составляет всего несколько месяцев. Однако для многих исследований околоземного пространства, а также Луны этого вполне достаточно. В США были разработаны кюриевые генераторы электрического тока для питания бортовой аппаратуры автоматических станций “Сервейор”.

Для чего нужны такие количества тяжелого изотопа кюрия? Полагают, что в радиоизотопных генераторах для космических и океанических исследований кюрий-2441 сможет заменить плутоний-238. Генераторы на основе 214Сm менее долговечны, чем плутониевые, но их удельноё энерговыделение примерно впятеро больше... Правда кюрий-244 испускает примерно в 50 раз больше нейтронов (идет спонтанное деление), чем ²³⁸Pu. Поэтому кюриевые генераторы в качестве стимуляторов сердечной деятельности вряд ли применимы. Но в других автономных источниках энергии кюрий-244 вполне может заменить плутоний. К тому же кюрий не так токсичен, как плутоний. А предельная мощность кюриевых генераторов (опреде ляемая критической массой) примерно в 10 раз больше чем плутониевых: 162 и 48 киловатт соответственно.

значит, что для поддержания цепной реакции потребуется во много раз меньше кюрия-245, нежели урана-235 или плутония-239. Такое ядерное горючее позволит создать компактные реакторы с высоким удельным энерговыделением. Пока таких реакторов нет — ведутся тщательные исследования, разрабатываются методы получения кюрия-245 в достаточных количествах, но тут ученые попали в замкнутый круг.

Однако то полезное свойство кюрия-245, ради которого его стремятся получать, —большое сечение деления на тепловых нейтронах — здесь оказывается вредным. Ядра кюрия-244, захватив нейтроны, превращаются в кюрий-245, но под действием тех же нейтронов эти ядра делятся на осколки. Нейтроны — инструмент синтеза сами же оказываются орудием разрушения. В результате в смеси изотопов элемента № 96 кюрия-245 обычно оказывается лишь несколько процентов. А если учесть, что эти изотопы еще обязательно надо разделить, станет понятно, почему кюрий-245 пока не может быть использован в качестве делящегося материала.

В заключение — несколько слов о самом долгоживущем изотопе, кюрии-247. Период его полураспада оценивается в 14—16 миллионов лет. Недавно его следы были обнаружены в земной коре, в некоторых радиоактивных минералах. Массовое число этого изотопа выражается формулой (4n + 3), поэтому вполне логично предположить, что он является родоначальником известного актиноуранового семейства (семейства урана-235). Цепь превращений здесь такая:

Вот пожалуй, и все самое важное, что можно рассказать в короткой статье об элементе № 96

Назад