1 ноября 1952 года группа американских ученых, работавших на армию США, включила странное трехэтажное сооружение под кодовым названием «Айви Майк». Это была первая в мире водородная бомба , новое поколение ядерного оружия, которое было в 700 раз мощнее атомных бомб, сброшенных на Японию.
Испытание бомбы произошло на крошечном атолле Эниветок на Маршалловых островах в южной части Тихого океана. Когда Айви Майк был взорван, он выпустил 10,4 мегатонны взрывной энергии , что примерно эквивалентно 10,4 миллионам палочек в тротиловом эквиваленте. Для сравнения, бомба, сброшенная на Хиросиму , произвела всего 15 килотонн (15 000 палочек в тротиловом эквиваленте).
Взрыв полностью испарил атолл Эниветок и образовал грибовидное облако шириной 3 мили (4,8 км). Рабочие в защитных костюмах собрали радиоактивные осадки с соседнего острова и отправили их обратно в лабораторию Беркли в Калифорнии (ныне Национальная лаборатория Лоуренса Беркли) для анализа. Там группа исследователей Манхэттенского проекта во главе с Альбертом Гиорсо выделила всего 200 атомов нового элемента, содержащего 99 протонов и 99 электронов.
В 1955 году исследователи объявили о своем открытии миру и назвали его в честь своего научного героя: эйнштейний.
Большой и нестабильный
Эйнштейний занимает 99-й атомный номер в периодической таблице вместе с другими очень тяжелыми и радиоактивными элементами, такими как калифорний и берклий. Некоторые радиоактивные элементы, особенно уран, существуют в значительных количествах в земной коре (2,8 частей на миллион, урана под землей больше, чем золота ). Но даже более тяжелые элементы, включая эйнштейний, можно создать только искусственно, взорвав водородную бомбу или столкнув вместе субатомные частицы в реакторе.
Что делает элемент радиоактивным? В случае с эйнштейнием и его соседями в нижней части периодической таблицы, это просто размер их атомов, объясняет Джозеф Глайч, химик-фармацевт, который много работал с другими радиоактивными элементами, используемыми для медицинской визуализации.
«Когда элементы достигают определенного размера, ядро атома становится настолько большим, что распадается», - говорит Глайч. «Происходит то, что он выплевывает нейтроны и / или протоны и электроны и распадается до более низкого элементарного состояния».
Когда радиоактивные элементы распадаются, они отбрасывают скопления субатомных частиц, которые принимают форму альфа-частиц, бета-частиц, гамма-лучей и другого излучения. Некоторые виды излучения относительно безвредны, в то время как другие могут нанести ущерб человеческим клеткам и ДНК.
Короткий срок годности
При распаде радиоактивных элементов они также образуют разные изотопы с разным атомным весом. Атомный вес элемента рассчитывается путем добавления количества нейтронов в ядре к количеству протонов. Например, эйнштейний, собранный в южной части Тихого океана в 1952 году, был изотопом под названием эйнштейний-253, который имеет 99 протонов и 154 нейтрона.
Но изотопы не вечны. Каждый из них имеет различный « период полураспада », который представляет собой расчетное время, в течение которого половина материала полностью распадается на новый изотоп или более низкий элемент. Эйнштейний-253 имеет период полураспада всего 20,5 дней . С другой стороны, уран-238, который является наиболее распространенным изотопом урана, встречающимся в природе, имеет период полураспада 4,46 миллиарда лет.
Одна из трудностей при синтезе тяжелых радиоактивных элементов, таких как эйнштейний, в лаборатории (и под лабораторией мы подразумеваем узкоспециализированные ядерные реакторы) заключается в том, что большие элементы начинают очень быстро распадаться.
«По мере того, как вы создаете все больше и больше элементов и изотопов, становится все труднее удерживать их достаточно долго, чтобы их можно было увидеть», - говорит Глайх.
Большой прорыв в малом масштабе
Вот почему в последнее время в мире химии было столько ажиотажа, когда группа ученых успешно удержала образец короткоживущего эйнштейния достаточно долго, чтобы измерить некоторые химические свойства этого ультра-редкого элемента.
Ученые во главе с Ребеккой Арбергель из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли терпеливо ждали крошечного образца эйнштейния-254, произведенного Национальной лабораторией Ок-Ридж в Теннесси. Образец весил 250 нанограммов, или 250 миллиардных долей грамма, и имел период полураспада 276 дней. Когда в 2020 году разразилась пандемия COVID-19, исследование было отложено на несколько месяцев, в течение которых каждые 30 дней ухудшалось 7 процентов выборки.
Прорыв Абергеля произошел с созданием молекулярного «когтя», который мог удерживать один атом эйнштейния-254 на месте достаточно долго, чтобы измерить такие вещи, как длина его молекулярных связей и длина волны, на которой он излучает свет. Оба этих измерения имеют решающее значение для понимания того, как эйнштейний и его тяжелые родственники могут потенциально использоваться для таких вещей, как лечение рака.
Теперь это круто
Включая эйнштейний, ученый-ядерщик Альберт Гиорсо открыл рекордные 12 элементов в периодической таблице в ходе своей новаторской работы в области радиационного анализа с 1950-х по 1970-е годы.
