Трансурановый призрак

Трансурановый призрак

Призраков обычно боятся. Редко находятся добре вольные любители встреч со зловещими обитателями сырых подземелий и мрачных башен.

Призрачные тени возникают неожиданно, громыхая проржавленными цепями и размахивая окровавленным кинжалом. Их появлению способствуют полночные час и лунный свет.

Все приведения обладают специфичным признаков инициативу в контактах с реальностью они оставляют за собой. Преодолеть эту их средневековую дикость ил вековую традицию пока не удалось.

Призрак, о котором пойдет речь, ищут. Долго, настойчиво, тщательно и осторожно стараются встретиться с ним люди, весьма далекие от потусторонних связей, - специалисты точных наук.

А он то появляется, то исчезает, как шлем Момбрина.

В отличие от "нормальных" приведений, которые имеют вполне определенное место проживания, например, кентервильское у О. Уайльда, наш призрак, словно странствующий рыцарь, постоянно объявляется в разных местах.

На протяжении 50 лет (призрак относительно молод) он показывается в различных лабораториях то физикам то химикам, то геохимикам и, напомнив о себе, исчезает.

Но, несмотря на присутствие призрака, наша история совершенно лишена всякой мистики и основана на вполне реальных фактах материального мира. Призрачное начало не исключает последующей реальности.

Про наш призрак точно известно, что он родом с берегов Альбиона. Все началось в начале XX века с загадки, которая осталась до сих пор. Загадал ее Ирландский петрограф Д. Джоли, занимаясь изучением плеохроических ореолов.

α-излучение природных радиоэлементов в некоторых минералах (биотит, флюорит и др.) оставляет следы своего воздействия в виде окрашенных концентрических зон, называемых плеохроическими ореолами. Этот процесс подобен действию α-лучей на фотопластинку. Ореолы возникают вокруг микроскопических зерен минералов, содержащих радиоактивные изотопы. Они представляют собой определенное число окрашенных концентрических колец. Причем каждому изотопу соответствует "свое" кольцо, имеющее точную величину радиуса. Семейство урана дает 6 колец радиусами от 12,7μ/²³⁸U/ до 34,2μ/²¹⁴Ро/, а семейство тория - 5 колец. Наиболее детально ореолы излучались в биотитах, где в 1924 году Д. Джоли обнаружил два кольца радиусами 5,2 и 8,6μ, которые соответствуют энергии излучения 2,1 и 3,1 МэВ.

Д. Джоли объяснил образование этих колец разрушением минерала под действием α-излучения нового неизвестного элемента, который он предлагал назвать гибернием. После работ Г. Гевеши и И. Паля по радиоактивности самария меньшее из колец Джоли стали объяснять распадом ¹⁴⁷Sm, который имеет энергию излучения 2,2 МэВ. Происхождение второго кольца не объяснено до сих пор.

Вскоре Г. Цигерт обнаружил неизвестное излучение в препаратах, выделенных из металлического цинка путем осаждения сульфатов в азотнокислой среде.

Ему удалось наблюдать α-активность с энергиями 1,2; 2,2 и 3,4 МэВ. Активность излучения не превышала 5·10^-3 имп/мин на 1 г цинка. По химическим свойствам излучатель, по мнению Г. Цигерта, близок к галлию или редкоземельным элементам.

В 1934 году Г. Дикк идентифицировал неизвестную α-активность с пробегами 0,9 и 1,5 см в камерах с медными электродами. Он считал, что обнаруженное им излучение аналогично тому, которое наблюдал Г. Цигерт.

В конце 40-х годов появились работы Б. Гизе и Г. Коршинга, описавших α-излучение с пробегами от 1,2 до 2,7 см (2,3-4,2 МэВ). Носитель активности соосаждали с фторидами в кислых растворах, и его не удавалось отделить от урана при осаждении тория щавелевой кислотой. При обработке препарата урана карбонатом аммония активность оставалась в осадке.

Более подробное исследование провел австрийский физик И. Шинтельмейстер, который занимался систематическим изучением радиоактивности тяжелых элементов Периодической системы. По его мнению, на существование неизвестного излучателя указывали как исследования плеохроических колец и измерения Г. Цигерта и Г. Дикка, так и избыточное содержание гелия в бериллах и некоторых других минералах.

В цинковой обманке из Верхней Силезии и в шлаке, который получается как побочный продукт ее переработки, И. Шинтельмейстер обнаружил две группы α-частиц с пробегами 1,8 и 2,9 см (3,1 и 4,4 МэВ), которые не относятся ни к одному из известных элементов. Шлак обогащенный неизвестной активностью, был использован И. Шинтельмейстером для химического исследования, которое показало, что источник излучения соосаждается с сульфидами тяжелых металлов в кислых растворах и обнаруживает летучесть их горячих окисляющих растворов азотной и серной кислот, причем соотношение между активностями 1,8 и 2,9 см не нарушалось при химических операциях, а сами активности оказались равными по интенсивности излучения.

Химическое сходство активностей свидетельствовало в пользу существования двух изотопов или одинаковых ядер, а равенство интенсивностей указывало на существование между ними такой генетической связи, которая имеется между двумя изотопами, разделенными одним α-распадом и двумя β-распадами (например, в случае ²³⁸U - ²³⁴U и ²³²Th - ²²⁸Th). Поскольку химические свойства неизвестного излучения были близки осмию, И. Шинтельмейстер посчитал, что он открыл 94-й элемент.

Мысль логичная по тем временам (1936 год), поскольку трансурановые элементы тогда считали аналогами элементов VII и VIII групп Периодической системы. На основании закономерностей распада тяжелых ядер И. Шинтельмейстер приписал α-частицы с пробегами 1,8 и 2,9 см изотопам 94-го элемента массами 244 и 240.

Через 5 лет после открытия плутония стало ясно, что найденная И. Шинтельмейстером активность не принадлежит этому элементу. Без достаточных оснований активность приписывали самарию, прометию и висмуту. Затем капризный призрак неизвестного излучателя исчез и объявился только через 10 лет в Алма-Ате.

Работы по поискам трансурановых элементов в природе были начаты в нашей стране в начале 50-х годов по инициативе и под руководством профессора В. В. Чердынцева на кафедре экспериментальной физики Казахстанского университета, а затем продолжены в лаборатории абсолютного возраста Геологического института АН СССР.

Сначала в нескольких природных препаратах урана была обнаружена избыточная α-активность в области энергий 4,4-4,6 МэВ. Эта активность достигала 40% от активности урана-235. Из известных радиоэлементов в области энергий 4,4 и 4,6 МэВ располагается излучение урана-235 и искусственных урана-236 и плутония-244. Эффект приписали избыточному содержанию урана-235. Затем избыточную α-активность в этой области обнаружили в древнем гадолините сотрудники Института геохимии и аналитической химии АН СССР под руководством Ю. А. Суркова. Авторы связали ее с накоплением урана-235 как продукта распада кюрия-247: ²⁴⁷Cm ^α→ ²⁴³Pu ^β→ ²⁴³Аm ^α→ ²³⁹Np ^β→ ²³⁹Pu ^α→ ²³⁵U. Далее оказалось, что избыточная активность, описанная в эти:: работах, не принадлежит ни урану, а также ни одному из известных радиоэлементов с Z ≤ 94.

В 1967 году в лаборатории В. В. Чердынцева в ГИН АН СССР излучатель ∼ 4,5 МэВ был выделен в чистом виде практически без присутствия прочих радиоактивных элементов методом возгонки летучих окислов (рис. 5).

Рис. 5. α - спектрограмма излучателя с энергией ∼ 4,5 МэВ. Препараты получены возгонкой азотнокислых растворов кавказского магнетита: х - проба № 1 (экспозиция 4000 мин); о - проба № 2 (экспозиция 5120 мин)

На основании проведенных исследований удалось установить аналогию химических свойств излучателя ∼ 4,5 МэВ с элементами VIII группы Периодической системы и особенно с осмием. По-видимому, излучатель имеет две устойчивые валентные формы, в высшей степени окисления он образует соединение, по химическим свойствам аналогичное четырехокиси осмия, в низшей степени окисления его химические свойства близки урану. Возможно, он является химическим аналогом осмия с Z = 108. Наибольшее относительное содержание изотопа было найдено в ультраосновных породах Урала в районах обогащения осмием при постоянном присутствии плутония-239. Эти результаты подтвердили впоследствии исследования немецких ученых из Института геохимии в г. Бамберге (ФРГ), которые обнаружили α-активный изотоп энергией 4,3-4,6 МэВ во фракциях, выделенных из природного осмистого иридия, где ему также сопутствует плутоний.

Появление "оруженосца", плутония-239, у нашего странствующего рыцаря отмечено еще в первых работах В. В. Чердынцева.

Активность плутония-239 обычно составляла около 1% от активности урана, т. е. отношение ²³⁹Pu/²³⁸U было много выше, чем в урановых минералах, где плутоний-239 образуется при взаимодействии естественного нейтронного потока с ядрами урана-238 по реакции: ²³⁸U + n = ²³⁹U + γ; ²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu. При полном использовании всех нейтронов деления ядрами урана-238 отношение плутония к урану в древних минералах не может быть более ²³⁹Pu/²³⁸U = 7,5·10^-12 (по массе). В действительности это отношение оказалось несколько выше, что позволило Д. Пеппарду высказаться за наличие второго механизма образования плутония-239 в земной коре: в результате распада неизвестного радиоактивного семейства, имеющего другого отличного от урана долгоживущего родоначальника, а также включающего один и более изотопов америция или кюрия, или обоих вместе. Этот вывод позднее подтвердили В. Дэвис и Д. Мьюхертер, не обнаружив в урановой руде эквивалентных плутонию количеств урана-236, которой должен возникать при взаимодействии нейтронов с ядрами урана-235 аналогично образованию плутония-239 по реакции (n, γ) с ураном-238.

Конечно, изучать уже известный элемент куда легче, чем искать неоткрытый. Поэтому В. В. Чердынцев устроил слежку за "оруженосцем", надеясь заманить в засаду "рыцаря".

Советские исследователи нашли плутоний в продуктах вулканических извержений на Камчатке, Кавказе, в Италии, Индонезии (рис. 6).

Рис. 6. α - спектрограмма препарата плутония и урана железомарганцевых отложений подводного вулкана Бану-Вуху (Индонезия)

Обнаружен плутоний в марганцевых конкрециях океана и в каменном метеорите Нортон-Каунти, упавшем в 1948 году.

В процессе этих исследований был установлен факт выноса радиоактивных элементов (плутония, урана, тория, радия) в результате вулканической деятельности. Оказалось, что степень переноса плутония даже превышает степень поступления урана (рис. 7).

Рис. 7. α - спектрограмма препарата плутония и урана образца лимонита с Камчатки

Не так давно, в 1974 году уже упомянутая группа исследователей из ФРГ сообщила новые результаты своих исследований плутония-239 в вулканических образцах Японии, Филиппин, Италии, Гавайских островов рис. 8). Авторы работы указывают, что полученные ими цифры согласуются с данными В. В. Чердынцева.

Рис. 8. α - спектрфракции пробы базальта вулкана о-Шима (Япония)

Немецкие исследователи отвергают влияние техногенной составляющей и считают, что присутствие аномальных концентраций плутония-239 в вулканических продуктах служит подтверждением предполагаемого В. В. Чердынцевым "родства" плутония-239 с трансурановым изотопом ∼ 4,5 МэВ.

Таким образом, с "оруженосцем" как будто ясно. С господином и по совместительству предком - еще нет.

В своих лучших традициях он вновь представился очередному коллективу ученых. На этот раз туманный образ как будто разглядели американские исследователи в плеохроических ореолах в слюдах с острова Мадагаскар. Это было в 1976 году. Затем он снова исчез.