Приводятся основные сведения о трансурановых элементах.
Причины нестабильности трансурановых элементов. Последним стабильным элементом в периодической системе элементов, который существует в природе, является уран. Известно несколько изотопов урана. В природе встречается главным образом изотоп ${}^{238}\mathrm{U}$ в смеси с небольшим количеством ${}^{235}\mathrm{U}$. Изотоп ${}^{235}\mathrm{U}$ служит горючим в ядерных котлах.
Более тяжелые элементы существовать устойчиво не могут. Это объясняется тем, что силы кулоновского отталкивания протонов в ядре не могут быть уравновешены ядерными силами притяжения и ядро оказывается неустойчивым. Перевес сил кулоновского отталкивания протонов в ядре над силами ядерного притяжения между нуклонами ядра наступает потому, что кулоновские силы являются дальнодействующими. Каждый протон практически взаимодействует со всеми другими протонами ядра, благодаря чему энергия взаимодействия растет пропорционально квадрату числа протонов в ядре $(\sim N_p^2$ ). Учитывая, что число протонов в тяжелых ядрах примерно пропорционально числу нейтронов, заключаем, что кулоновская энергия взаимодействия прямо пропорциональна квадрату числа частиц в ядре: $\sim N^2$. С другой стороны, силы ядерного притяжения являотся короткодействующими, их действие проявляется лишь на расстояниях порядка ${10}^{-15}\mathrm{c}\mathrm{м}$, т.е. посредством ядерных сил между собой могут взаимодействовать лишь соседние ядерные частицы. А это означает, что энергия ядерного взаимодействия возрастает пропорционально первой степени числа частиц $N$ в ядре, а не квадрату числа частиц, как в случае кулоновской энергии взаимодействия. Следовательно, энергия ядерного взаимодействия возрастает с числом частиц в ядре медленнее, чем энергия кулоновского взаимодействия. При малом числе ча-
Менделеев
Дмитрий Ивгиович
(1834-1907)
Русский химик, ученый и педагог, прогрессивный общественный деятель. Открыл периодический закон химических элементов, предложил способ фракционного разделения нефти, изобрел вид бездымного пороха. Автор фундаментальных работ по химии, физике, метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, экономике и др.
стиц энергия ядерного взаимодействия значительно больше энергии кулоновского взаимодействия, потому что ядерные силы значительно больше кулоновских сил. Но при увеличении числа частиц наступает такой момент, когда ядерные силы притяжения уже не в состоянии хотя бы уравновесить кулоновские силы отталкивания, и ядро становится нестабильным. Этим и обусловливается наличие конца периодической системы элементов.
Характеристика полученных трансурановых элементов. Однако ряд нестабильных элементов периодической системы, лежащих после урана, может быть получен искусственно. Эти элементы называются трансурановыми. Они относятся к ряду актинидов (см. § 55). Лишь три элемента из этого ряда, а именно: торий $(Z=90)$, протактиний $(Z=91)$ и уран ( $Z=$ $=92$ ) — существуют стабильно в природе. В ряду актинидов происходит заполнение глубоко лежащих $5f$-состояний, в то время как состояния $6s$, $6p,7s$ и частично $6d$ заполнены. Нетрудно видеть, что в ряду актинидов повторяется ситуация, которая существует в ряду лантанидов, когда происходит заполнение $4f$-состояний.
К числу трансурановых элементов, полученных искусственным путем, относятся следующие: нептуний $(Z=93)$, плутоний $(Z=94)$, америций $(Z=95)$, кюрий $(Z=96)$, берклий $(Z=97)$, калифорний $(Z=98)$, эйнштейний $(Z=99)$, фермий $(Z=100)$, менделевий ( $Z=101)$, нобелий $(Z=102)$, лоуренсий $(Z=103)$. Первые трансурановые элементы — нептуний и плутоний — получены в 1940 г. Нобелий был открыт в 1958 г., лоуренсий-в 1961 г. Большинство из трансурановых элементов найдено в лаборатории, которой руководил Г. Сиборг.

Мы приведем лишь некоторые данные о трансурановых элементах, так как подробное описание их свойств выходит за рамки книги.

Первый из трансурановых элементов — нептуний $\mathrm{Np}(Z=93)$ — получен в 1940 г. при облучении урана дейтронами, ускоренными в циклотроне. В результате захвата ураном нейтрона, который первоначально входит в состав дейтрона, образуется изотоп урана ${}^{239}\mathrm{U}$. Затем этот изотоп урана с периодом полураспада 23 мин испускает электрон и превращается в нептуний ${}^{239}\mathrm{Np}$. Период полураспада ${}^{239}\mathrm{Np}$ равен 2,3 дня. Известны изотопы нептуния от ${}^{231}\mathrm{Np}$ до ${}^{240}\mathrm{Np}$. Периоды полураспада изотопов нептуния варьируются в широких пределах, от 7,3 мин до $2,2\cdot {10}^6$ лет. Название «нептуний» исходит из аналогии с названием планеты Нептун, которая в Солнечной системе следует за планетой Уран. Получены весовые количества нептуния.

Следующий трансурановый элемент — плутоний $\mathrm{Pu}(Z=94)$ — получен в том же 1940 г. из нептуния в результате испускания последним электрона с периодом полураспада 2,3 дня. Известны изотопы плутония от ${}^{232}\mathrm{Pu}$ до ${}^{246}\mathrm{Pu}$. Периоды полураспада изотопов плутония заключены в пределах от 20 мин до $4,9\cdot {10}^{10}$ лет. В частности, период полураспада ${}^{239}\mathrm{Pu}$ составляет 24360 лет, а его время жизни
** Последним стабильным элементом, который существует в природе, является уран. Невозможность стабильного существования более тяжелых эпементов объясняется тем, что силы кулоновского отталкивания протонов в ядре не могут быть уравновешены ядерными силами притяжения и ядро становится неустойчивым. Перевес сил кулоновского отталкивания протонов в ядре над силами ядерного притяжения между нуклонами ядра обусловливается дальнодействующим характером кулоновских сил.
относительно спонтанного деления равно $5.5\cdot {10}^{15}$ лет. Название произошло от аналогии с порядком планет в Солнечной системе (после Нептуна следует Плутон).
Америций $\mathrm{Am}(Z=95)$ открыт в 1944 г. Изотоп плутония ${}^{241}\mathrm{Pu}$ в результате испускания электрона с периодом полураспада 13 лет превращается в изотоп ${}^{241}\mathrm{Am}$. Этот изотоп имеет период полураспада 470 лет. Известны изотопы америция от ${}^{237}\mathrm{Am}$ до ${}^{246}\mathrm{Am}$ с периодами полураспада, варьирующими от 25 мин до примерно 8000 лет. В ряду лантанидов этому элементу соответствует европий, названный в честь Европы. Элемент с $Z=95$ назван америцием в честь Америки. Америций получен в граммовых количествах.
Кюрий $\mathrm{Cm}(Z=96)$ открыт в 1944 г. среди продуктов облучения $239\mathrm{Pu}$ ионами гелия с энергией 32 МэВ. Известны изотопы кюрия от ${}^{238}\mathrm{Cm}$ до ${}^{249}\mathrm{Cm}$ с периодами полураспада от нескольких часов до десятков миллионов лет. Название было дано этому элементу в честь Пьера и Марии Кюри, выдающихся исследователей в области естественной радиоактивности. Кюрий получен в миллиграммовых количествах.
Берклий Вк ( $Z=97$ ) найден в 1949 г. в результате облучения мишени из ${}^{241}\mathrm{Am}$ ионами гелия. Известны изотопы берклия от ${}^{243}\mathrm{Bk}$ до ${}^{250}\mathrm{Bk}$ с периодами полураспада от $\approx 3$ ч до 7000 лет. Название пошло от города Беркли, где находится лаборатория, в которой были получены многие трансурановые элементы. Берклий получен в количестве десятых долей микрограмма.
Калифорний $\mathrm{Cf}(Z=98)$ обнаружен в 1950 г. в результате облучения нескольких миллиграммов ${}^{242}\mathrm{Cm}$ ионами гелия с энергией 35 МэВ. Известны изотопы калифорния от ${}^{244}\mathrm{Cf}$ до ${}^{254}\mathrm{Cf}$ с периодами полураспада от 25 мин до нескольких сотен лет. Калифорний получен в количестве сотых долей микрограмма. Назван в честь штата Калифорния и Калифорнийского университета, где был открыт.

Эйнштейний $\mathrm{Es}(Z=99)$ был найден в 1952 г. Одновременно с ним был открыт фермий $\mathrm{Fm}(Z=100)$. Они были обнаружены при анализе образцов, содержащих тяжелые элементы, после термоядерного взрыва. Известны изотопы эйнштейния от ${}^{246}\mathrm{Es}$ до ${}^{256}\mathrm{Es}$ с временами полураспада от нескольких минут до примерно 300 дней. В весовых количествах получен не был. Обнаружены лишь индикаторные количества этого элемента. Назван в честь А. Эйнштейна.

Фермий $\mathrm{Fm}(Z=100)$ имеет изотопы от ${}^{250}\mathrm{Fm}$ до ${}^{256}\mathrm{Fm}$ с периодами полураспада от получаса до $\approx 30$ ч. Получены лишь индикаторные количества этого элемента. Назван в честь Э. Ферми.

Менделевий $\mathrm{Md}(Z=101)$ открыт в 1955 г. в результате облучения мишеней, содержащих очень малые количества ${}^{25}\mathrm{Es}$, ионами гелия с энергией 41 МэВ. В экспериментах было получено только 17 атомов менделевия с периодом полураспада около 3,5 ч. Массовые числа изотопов менделевия лежат в пределах от 251 до 261 , а периоды полураспада-в пределах от нескольких секунд до часа. В последующем было обнаружено несколько сотен атомов менделевия. Назван в честь Д.И. Менделеева.

Нобелий № $(Z=102)$ получен в 1958 г. в результате облучения мишени, содержащей ${}^{246}\mathrm{Cm}$, ионами углерода ${}^{12}\mathrm{C}$. Образующийся при этом изотоп нобелия ${}^{254}$ ㅇ с периодом полураспада порядка 3 с превращается в ${}^{250}\mathrm{Fm}$. Назван в честь А. Нобеля.
Лоуренсий $\mathrm{Lr}(Z=103)$ открыт в 1961 г. Назван в честь Э. Лоуренса, изобретателя циклотрона, потому что с помощью частиц, ускоренных в циклотроне, было найдено большинство трансурановых элементов. Лоуренсием заканчивается ряд актинидов. Названия двух последних трансурановых элеменов (нобелий и лоуренсий) не являются общепринятыми.
Причины чрезвычайно малых времен жизни очень тяжелых трансурановых элементов. Более тяжелые трансурановые элементы получаются в результате ядерных реакций слияния и деления, в которых участвуют тяжелые ядра. При бомбардировке мишеней из плутония, кюрия и калифорния ионами углерода, кислорода и неона образуются сильно возбужденные составные ядра, для «остывания» которых необходимо испускание нескольких нейтронов. Однако вероятность деления таких составных ядер оказывается во много раз больше вероятности испускания нейтронов, в результате чего лишь ничтожная часть составных ядер $({10}^{-8}-{10}^{-10})$ превращается в трансурановые элементы. Бомбардировкой мишени из ядер свинца ионами аргона, титана и хрома также удалось найти несколько трансурановых элментов. Все они имеют очень короткие времена жизни и получены в чрезвычайно малых количествах. К настоящему времени имеются трансурановые элементы до $Z=109$ включительно. Их общепринятого наименования пока нет.
57. Реитгеновские спектры
Описываются основные экспериментальные закономерности рентгеновских спектров и дается их теоретическое истолкование
Рентгеновское излучение. Физические свойства рентгеновского излучения рассмотрены в § 6. В частности, по результатам дифракции рентгеновского излучения на кристаллах можно измерить длину волны, если известна структура кристалла, а если известна длина волны, то можно определить структуру. Длина волны рентгеновского излучения заключена примерно в пределах от ${10}^{-3}$ до $10\mathrm{Hm}$, а энергия квантов излучения -от $100$ эВ до 1 МэВ.

Рентгеновские спектры бывают двух видов: сплошные и линейчатые. Сплошные спектры возникают при торможении быстрых электронов в веществе антикатода и являются обычным тормозным излучением электронов. Строение сплошного спектра не зависит от материала антикатода. Линейчатый спектр состоит из отдельных линий излучения. Он зависит от материала антикатода и полностью характеризуется им. Каждый элемент обладает своим, характерным для него линейчатым спектром. Поэтому линейчатые рентгеновские спектры называются также характеристическими.

Особениости ренттеновских спектров. Между рентгеновскими линейными спектрами и оптическими линейчатыми спектрами существует три коренных различия. Во-первых, частота рентгеновского излучения в тысячи раз больше, чем частота оптического излучения. Это означает, что энергия рентгеновского кванта в тысячи раз больше энергии оптического кванта. Во-вторых, рентгеновские спектры различных элементов имеют одинаковую структуру, в то время как структура оптических спектров различных элементов существенно различается. В-третьих, оптические спектры поглощения состоят из отдельных линий, совпадающих с линиями излучения главной серии соответствующего элемента. Рентгеновские спектры
89
Рентгеновские спектры поглощения
поглощения не похожи на рентгеновские спектры испускания: они состоят из нескольких полос с резким длинноволновым краем (рис. 89).
Объясиение особениостей рентгеновских спектров. Все эти особенности рентгеновских спектров объясняются механизмом их испускания, который находится в полном согласии со строением электронных оболочек, изложенным в предыдущих параграфах. Электрон, падающий на материал антикатода, сталкиваясь с атомами антикатода, может выбить электрон с одной из внутренних оболочек атома. В результате этого получается атом, у которого отсутствует электрон на одной из внутренних оболочек. Следовательно, электроны более внешних оболочек могут переходить на освободившееся место. В результате этого испускается квант, который и является квантом рентгеновского излучения.
Энергия электрона в кулоновском поле ядра с зарядом $Ze$
$E_n=-\frac{Rh}{n^2}{Z}^2$.
Энергию электрона на одной из внутренних оболочек атома можно представить в виде
$E_n=-\frac{R\hslash }{n^2}{(Z-a_n)}^2$,

где $a_n$ учитывает экранировку ( $a_n\ll Z$ ) поля ядра внутренними электронами и возмущения со стороны других электронов. При переходе электрона на освободившееся место на внутренней оболочке с внешней оболочки излучается квант, частота которого
$$\omega =\frac{E_{n_2}-E_{n_1}}{\hslash }=\frac{R}{n_1^2}{(Z-a_{n_1})}^2-\frac{R}{n_2^2}{(Z-a_{n_2})}^{2.}$$

Поскольку $Z$ для тяжелых атомов велико, энергия термов (57.2) также велика по сравнению с энергией оптических термов. Следовательно, и частоты излучения в соответствии с формулой (57.3) велики по сравнению с оптическими частотами. Этим объясняется большая энергия рентгеновских квантов.

Закон Мозли. Поскольку внутренние оболочки атомов имеют одинаковое строение, поправки $a_n$ в формуле (57.2) для данной оболочки (для данного $n$ ) должны быть одинаковыми. Отсюда следует, что
все тяжелые атомы должны иметь одинаково построенные рентгеновские спектры, лишь у более тяжелых атомов спектр смещается в сторону больших частот.

Это полностью подтверждается экспериментом и доказывает, что внутренние оболочки атомов имеют
** Рентгеновские спектры различных элементов имеют одинаковую структуру, в то время как структура оптических спектров различна.
Оптические спектры поглощения состоят из отдельных линий, совпадающих с линиями излучения главной серии соответствующего элемента, а рентгеновские спектры поглощения не похожи на рентгеновские спектры испускания и состоят из нескольких полос с резким длинноволновым краем.
Закономерности рентгеновских спектров свидетельствуют об одинаковости строения внутренних обопочек атома и отсутствии какой-либо периодичности в их строении.
одинаковое строение, как это и предполагалось при объяснении периодической системы элементов. Общий вид рентгеновского терма может быть представлен следующим образом:
$T(n)=\frac{R(Z-a{)}^2}{n^2}$.
Тогда
$\sqrt{\frac{T}{R}}=\frac{1}{n}(Z-a)$.
Это равенство выражает закон Мозли, открытый экспериментально. Закон Мозли показывает, что
корни квадратные из ренггеновских термов зависят линейно от зарядового числа $Z$ элементов.
Если электрон выбит из $K$-оболочки ( $n=1$ ), то при переходе на освободившееся место электронов с других оболочек излучается рентгеновская $K$-серия. При переходе электронов на освободившееся место в $L$-оболочке $(n=2)$ излучается $L$-серия и т.д. Таким образом, экспериментально наблюдаемая одинаковость структуры рентгеновских спектров и закон Мозли подтверждают представления, употребляемые при интерпретации периодической системы элементов.
Особенность рентгеновских спектров поглощения также объясняется фактом связи испускания рентгеновского излучения с внутренними оболочками атома. В результате поглощения рентгеновского кванта атомом может произойти вырывание электрона с одной из внутренних оболочек атома, т.е. процесс фотоионизации. Каждая из полос поглощения соответствует вырыванию электрона из соответствующей оболочки атома. Полоса $K$ (рис. 89) образуется в результате выбивания электрона из самой внутренней оболочки атома- $K$-оболочки, полоса $L$-из второй оболочки и т.д. Резкий длинноволновой край каждой полосы соответствует началу процесса фотоионизации, т.е. вырыванию электрона из соответствующей оболочки без сообщения ему дополнительной кинетической энергии. Длинноволновая часть полосы поглощения соответствует актам фотоионизации с сообщением электрону избыточной кинетической энергии. Структуры рентгеновских спектров поглощения тяжелых элементов аналогичны друг другу и подтверждают одинаковость строения внутренних оболочек атомов тяжелых элементов.

На рис. 89 видно, что каждая из полос поглощения имеет тонкую структуру: в $K$-полосе есть один максимум, в $L$-полосе — три максимума, в $M$-полосе — пять максимумов. Это объясняется тонкой структурой рентгеновских термов.

Дублетный характер рентгеновских спектров. Каждый рентгеновский терм соответствует состоянию оболочки, из которой удален один из электронов. Число энергетических состояний, соответствующих одному удаленному электрону, можно найти с помощью следующего рассуждения. У замкнутой оболочки полный орбитальный момент $L_L$, полный спиновый момент $L_S$ и полный механический момент $L_J$ равны нулю. Если из этой оболочки удален электрон с некоторым орбитальным моментом $L_l$, спиновым моментом $L_s$ и полным моментом $L_j$, то оставшаяся конфигурация будет обладать полным орбитальным, спиновым и механическим моментами, численно равными соответствующим моментам удаленного электрона. Поэтому
энергетические состояния замкнутой оболочки без одного электрона имеют такую же мультиплетность, как и
90
Схема рентгеновских уровней и квантовых переходов
энергетические состояния одного электрона. Но термы одного электрона дублетны. Следовательно, и рентгеновские термы должны быть дублетными.
В $K$-оболочке имеется $n=1,l=0$, $s=1/2,j=1/2$ для каждого из электронов. Если один из электронов вырван, то у оставшейся оболочки (одного электрона) $L=0,S=1/2,J=1/2$, т.е. состояние ${}^2{S}_{1/2}$, которое принадлежит дублетному семейству состояний, хотя, будучи $S$-состоянием, не приводит к энергетическому расщеплению уровней (рис. 90). Поэтому в $K$-полосе поглощения есть лишь один максимум.
Электронная конфигурация $L$-оболочки имеет вид $2s^{2}2p^6$. В этой оболочке в $p$-состоянии находятся два электрона с $j=1/2$ и четыре электрона с $j=3/2$. Если вырывается один из электронов в $2s_{1/2}$-состоянии, то возникает состояние ${}^2{S}_{1/2}$. Если вырывается один из электронов в $2p_{1/2}$-состоянии, то возникает состояние ${}^2{P}_{1/2}$, а при выбивании одного из электронов в $2p_{3/2}$-состоянии возникает состояние ${}^2{P}_{3/2}$. Таким образом, с $L$-оболочкой связано три энергетических состояния (рис. 90). Обычно эти уровни обозначают $L_1,L_{\text{II }},L_{\text{III }}$. Они дают три максимума поглощения в $L$-полосе.

Аналогично, $M$-состояния распадаются на пять рентгеновских подуровней: $M_{\mathrm{I}},M_{\mathrm{II}},M_{\mathrm{II}},M_{\mathrm{IV}},M_{\mathrm{v}}$. Они дают пять максимумов поглощения в $M$-полосе.

Линии испускания в рентгеновских спектрах получаются в результате переходов между рентгеновскими уровнями с учетом обычных правил отбора:
$\mathrm{\Delta }L=\pm 1,\mathrm{\Delta }J=0,\pm 1$.
Линии дублета $K$-серии, образующие-
ся в результате переходов с уровней $L$-оболочки на уровень $K$-оболочки, обозначают $K_{{\alpha }_1}$ и $K_{{\alpha }_2}$. Линии дублета $K$-серии, получающиеся при переходе с уровней $M$-оболочки на уровень К-оболочки, обозначают $K_{{\beta }_1}$ и $K_{{\beta }_2}$. Аналогично возникают и остальные линии излучения в рентгеновском спектре (рис. 90).
Следовательно, закономерности рентгеновских спектров находятся в хорошем согласии с представлениями об одинаковости строения внутренних оболочек атома и отсутствии какой-либо периодичности в их строении. Лишь внешние оболочки атомов периодически повторяются, что и обусловливает периодическое ‘повторение химических свойств элементов.