Резерфордий

Резерфордий — искусственно синтезированный химический элемент с атомным номером 104, относящийся к переходным металлам. Обозначается символом Rf. В периодической таблице располагается в 7-м периоде, в 4-й группе (по устаревшей классификации — побочная подгруппа IV группы). Является первым элементом так называемого «периода сверхтяжелых элементов» (начиная с 104-го) и одним из трансурановых элементов. Все изотопы резерфордия радиоактивны; наиболее стабильный из известных, ²⁶⁷Rf, имеет период полураспада около 1,3 часа.

История открытия

Открытие резерфордия стало предметом длительного научного и политического спора между учеными СССР и США, продолжавшегося с середины 1960-х до конца 1990-х годов.

Синтез в СССР

Первое сообщение о синтезе элемента 104 было сделано в 1964 году группой советских физиков под руководством Георгия Николаевича Флёрова в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Ученые бомбардировали мишень из плутония-242 ионами неона-22, ускоренными на циклотроне У-300. В результате реакции было зарегистрировано образование ядер с массовым числом 260 и периодом полураспада около 0,1 секунды. Советские исследователи предложили назвать новый элемент курчатовием (символ Ku) в честь физика Игоря Васильевича Курчатова.

Синтез в США

В 1969 году группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Альберта Гиорсо повторила эксперименты и синтезировала элемент 104 другим методом — бомбардировкой калифорния-249 ионами углерода-12. Они получили изотоп ²⁵⁷Rf с периодом полураспада около 4 секунд и предложили название резерфордий (Rf) в честь новозеландского физика Эрнеста Резерфорда.

Разрешение конфликта

Спор о приоритете открытия и названии элемента длился более двух десятилетий. Обе стороны предоставляли доказательства, но международное научное сообщество не могло прийти к единому мнению. В 1992 году комиссия Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Международного союза теоретической и прикладной физики (IUPAP) признала работы обеих групп, но отдала приоритет за открытие элемента 104 советским ученым. Тем не менее, в 1997 году IUPAC утвердил название «резерфордий» как компромиссное, признав также вклад американской стороны. Название «курчатовий» было отвергнуто. В России и некоторых странах бывшего СССР длительное время использовалось название «курчатовий», однако в настоящее время официальное название «резерфордий» признано повсеместно.

Получение

Резерфордий не встречается в природе. Все его изотопы получают искусственно в ходе ядерных реакций. Основные методы синтеза:

• Реакции слияния (горячий синтез): бомбардировка мишеней из тяжелых элементов (плутоний, америций, кюрий, калифорний) ускоренными ионами более легких элементов (углерод, азот, неон). Этот метод использовался в первых экспериментах.
• Реакции холодного слияния: бомбардировка мишеней из свинца или висмута ионами титана или хрома. Этот метод позволяет получать более тяжелые изотопы с меньшим возбуждением ядра.

Синтез резерфордия требует мощных ускорителей частиц и высокочувствительных детекторов, способных регистрировать короткоживущие ядра по их радиоактивному распаду. Наработка элемента идет в количествах, исчисляемых единичными атомами.

Изотопы

Известно около 16 изотопов резерфордия с массовыми числами от 253 до 268. Все они радиоактивны. Основные характеристики некоторых изотопов:

Наиболее стабильным изотопом является ²⁶⁷Rf с периодом полураспада около 1,3 часа. Изотопы с массовыми числами 261, 263 и 265 также имеют относительно большие периоды полураспада (от нескольких минут до часа).

Физические и химические свойства

Из-за чрезвычайно малых количеств, в которых получают резерфордий, и его высокой радиоактивности, многие физические и химические свойства изучены только теоретически или в экспериментах с единичными атомами.

Физические свойства

• Агрегатное состояние: предположительно твердое тело.
• Плотность: расчетная плотность составляет около 23 г/см³, что делает его одним из самых плотных известных элементов.
• Температура плавления: оценивается в районе 2100 °C.
• Кристаллическая решетка: предполагается, что при нормальных условиях резерфордий имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру, как и его более легкий аналог — гафний.

Химические свойства

По химическим свойствам резерфордий является аналогом гафния и, следовательно, циркония. Он относится к 4-й группе периодической таблицы. Экспериментально подтверждено, что резерфордий образует летучие хлориды (RfCl₄) и бромиды (RfBr₄), что характерно для элементов этой группы. Наиболее стабильная степень окисления — +4. В водных растворах резерфордий ведет себя как типичный ион d-элемента, образуя комплексные ионы, например, [RfCl₆]²⁻. Изучение химии резерфордия затруднено из-за его короткого времени жизни и необходимости работать с единичными атомами, что требует применения методов быстрой газофазной и жидкостной хроматографии.

Применение

В настоящее время резерфордий не имеет практического применения за пределами научных исследований. Все эксперименты с ним направлены на изучение свойств сверхтяжелых элементов, проверку теоретических моделей ядерной физики и химии, а также на поиск границ стабильности атомных ядер («остров стабильности»). Изучение резерфордия и его аналогов помогает уточнять периодическую систему элементов и понимать закономерности, управляющие строением материи.

Интересные факты

• Резерфордий — первый элемент, синтезированный после завершения актиноидного ряда (элементы 90-103). Он открывает ряд переходных 6d-металлов.
• Название «курчатовий» в честь И.В. Курчатова использовалось в советской и российской научной литературе до 1997 года. В некоторых старых публикациях и учебниках его можно встретить до сих пор.
• Из-за крайне малого времени жизни и малого количества атомов, резерфордий является одним из наименее изученных элементов периодической таблицы.
• Спор о названии элемента 104 был одним из самых продолжительных и острых в истории химии, отражая политическое соперничество времен Холодной войны.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4: Полимерные — Трипсин. — С. 208-209.
2. Флёров Г.Н., Ильинов А.С. О синтезе элемента 104 // Успехи физических наук. — 1965. — Т. 85, вып. 4. — С. 679-682.
3. Ghiorso, A., et al. Element 104 // Physical Review Letters. — 1969. — Vol. 22, No. 24. — P. 1317-1320.
4. Greenwood, N.N., Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. — P. 1298-1300.
5. Hoffman, D.C., Ghiorso, A., Seaborg, G.T. The Transuranium People: The Inside Story. — London: Imperial College Press, 2000. — P. 403-421.
6. IUPAC. Names and Symbols of Transfermium Elements (IUPAC Recommendations 1997) // Pure and Applied Chemistry. — 1997. — Vol. 69, No. 12. — P. 2471-2474.
7. Oganessian, Yu.Ts., et al. Synthesis of the isotopes of element 104 in the ²⁴⁸Cm + ²⁶Mg reaction // Physical Review C. — 2001. — Vol. 63, No. 4. — 044603.