При длительном облучении U²³⁸ в ядерном реакторе потоком нейтронов с высокой интенсивностью можно· получить изотопы всех трансурановых элементов вплоть до фермия (2 = 100). Схема такого процесса приведена на рис. 30. Видно, что ядро U²³⁸, захватив нейтрон, превращается в изотоп U²³⁹; путем β-распада он превращается в изотоп Νρ²³⁹, который таким же образом переходит в изотоп Ри²³⁹; последний благодаря сравнительно большому периоду полураспада (Т = 24 400 лет) захватывает нейтрон и цепочка (п, γ) — реакций и Р^_распадов продолжается вплоть до фермия. Дальше цепь превращений прерывается, поскольку у фермия нет долгоживущих изотопов.

Рис. 30. Схема синтеза изотопов трансурановых элементов в ядерном реакторе.

Этот способ наиболее эффективен для получения многих трансурановых элементов. Так, например, плутоний в настоящее время получается в больших количествах. Этот элемент — один из главных продуктов атомной промышленности и изучен значительно лучше многих давно известных химических элементов. Другие трансурановые элементы получены в гораздо меньших количествах.

На основании многочисленных данных о ядерных реакциях, приводящих к синтезу новых искусственных элементов, можно сделать вывод о наиболее эффективных способах синтеза всех химических элементов. Из вышесказанного следует, что самым эффективным способом является метод последовательного присоединения нейтронов по (n, γ) — реакциям. Синтез элементов может быть осуществлен и за счет (α, γ) — и (р, γ) — реакций. Однако вероятность их протекания при малых энергиях бомбардирующих частиц чрезвычайно мала;

Таблица 9

Искусственные элементы

при энергиях, значительно превышающих потенциальный барьер ядер, возрастает сечение конкурирующих реакций типа (α, п) и (р, п). По реакциям типа (α, хп), где х=1 или 2, также могут быть синтезированы изотопы многих элементов. Сечения их достаточно высоки, но вследствие того что потоки альфа-частиц в циклотронах значительно меньше потоков нейтронов в реакторах, таким путем не удается получать весомые количества элементов.

Некоторые изотопы трансурановых элементов могут быть синтезированы только в реакциях с многозарядными ионами. Степень эффективности получения таким путем изотопов более легких элементов еще окончательно не установлена. По-видимому, она такая же, как и в реакциях с альфа-частицами. Преимущество реакций с многозарядными ионами состоит в возможности получения значительно более тяжелых изотопов по сравнению с облучаемым ядром.

Накопленные в опытах сведения о разнообразных превращениях ядер и о методах искусственного синтеза химических элементов позволили с совершенно новой точки зрения подойти к решению проблемы происхождения химических элементов. Закономерности ядерных реакций, приводящих к синтезу элементов, послужили теоретической основой для изучения вопроса об их образовании в природных условиях.

В настоящее время данные, полученные по искусственному превращению элементов, свидетельствуют о том, что атомы всех химических элементов, найденных на Земле, могли образоваться в результате протекания всевозможных ядерных реакций. Однако оставался нерешенным один из основных вопросов естествознания: когда и где образовались химические элементы в природных условиях? Очевидно, что в условиях, которые были на Земле со времени ее образования, синтез элементов не мог протекать. Поэтому, естественно, возник вопрос о поисках других космических тел, существующих сейчас или существовавших до образования Вселенной, в которых могли бы протекать процессы синтеза химических элементов.

Мысли об образовании элементов в других космических телах возникли еще в конце XVIII в. у некоторых естествоиспытателей. Основанием для них послужили данные о распространенности химических элементов в земной коре, метеоритах и атмосфере Солнца. Уже первые сведения об этих величинах показали чрезвычайную неравномерность в распространении отдельных элементов. Этот факт, как мы увидим дальше, лег в основу всех теорий о происхождении элементов.

Английский физик У. Крукс, выступая в 1886 г. в Королевском институте в Лондоне, высказал предположение, что все химические элементы образовались в космических телах из одного первичного вещества — «протила». Особенно следует отметить гениальные предвидения революционера Николая Александровича Морозова, который, находясь в заточении в Шлиссельбургской крепости, в 1903 г. писал: «Можно ли заключить., что каждый из известных нам до сих пор семидесяти восьми видов материи так же вечен, как и она сама: что газы нашей атмосферы, металлы земной коры и все вообще химические элементы, наблюдаемые нами в небесных светилах, не произошли и не происходят где-нибудь теперь, среди туманных скоплений, носящихся в бездонной глубине небесных пространств? Можно ли отсюда заключить, что атомы основных веществ, заключающиеся в нас и в окружающих нас телах, не распадаются никогда на более первоначальные частички, при каких-либо иных космических условиях, вроде тех небесных пожаров, которые обнаруживаются время от времени при спектральном исследовании внезапно вспыхивающих звезд? Конечно, нет».

После осуществления первой искусственной ядерной реакции ученые стали все чаще и чаще обращаться к другим космическим телам, пытаясь разгадать их тайну и в первую очередь найти ответ на вопрос — откуда звезды, подобные Солнцу, черпают свою энергию, которую они в течение многих миллиардов лет непрерывно и неизменно испускают в мировое пространство? До открытия ядерных реакций, сопровождающихся выделением огромного количества тепла, люди не знали таких источников энергии, которые могли бы объяснить светимость звезд. Ядерные реакции явились первым таким источником. Уже через четыре года после первого искусственного ядерного превращения крупный шведский химик С. Аррениус писал о том, что источником энергии Солнца могут являться ядерные реакции синтеза гелия из водорода.

Позднее, в 1929 г., Э. Аткинсон и Ф. Хоутерманс пришли к заключению, что вследствие высокой температуры в центре звезд протоны могут приобретать значительную кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера самых легких ядер. Эти взгляды теоретически были обоснованы Г. Бете. Он показал, что при образовании ядра гелия из четырех ядер водорода выделяется колоссальная энергия, достаточная для поддержания температуры Солнца и возмещения постоянного излучения энергии в течение десятков миллиардов лет.

С начала двадцатых и до конца сороковых годов вопрос о происхождении элементов стал обсуждаться главным образом физиками, которые предлагали различные гипотезы образования элементов. Все они исходили из предположения, что химические элементы образовались в результате всевозможных ядерных реакций, протекавших в больших масштабах в какой-то один определенный момент, предшествующий образованию ЗЕезд. Имеющиеся к тому времени сведения о светимости звезд не позволяли установить, в каких космических объектах могли протекать ядерные процессы, приводящие к синтезу тяжелых ядер. Поэтому был сделан вывод о том, что более тяжелые элементы, чем гелий, в настоящее время в звездах не образуются.

Существовавшие до 1950 г. теории образования химических элементов можно подразделить на две основные группы — теории образования атомных ядер в условиях термодинамического равновесия и неравновесные теории. Впервые основные положения равновесной теории были Еысказаны Г. И. Покровским в 1931 г. и затем получили дальнейшее развитие в работах В. В. Чердынцева, В. Хойля и других. В этой теории предполагается существование в какой-то дозвездный период вещества с чрезвычайно высокой температурой (порядка 10¹⁰ градусов) и плотностью (около 10¹⁴ г/см³ для среды из заряженных частиц и в десять раз меньшей для среды из нейтронов). Предполагается, что в исходном веществе в определенный момент его существования ядерные реакции достигают равновесия, при котором процесс синтеза атомных ядер уравновешивается их распадом. Затем такое вещество должно очень быстро перейти в качественно новое состояние — в условия сравнительно низких температур и давления, при которых не могут протекать ядерные реакции. При таком «замораживании» равновесной системы последняя сохраняет относительное содержание атомных ядер, которое было достигнуто в момент равновесия. Распространенности, рассчитанные по этой теории, в общем вполне удовлетворительно совпадают с наблюдаемыми средними распространенностями изотопов в космосе только в области легких элементов. Основной недостаток всех равновесных теорий заключается в том, что до сих пор не представляется возможным на основании наших знаний о ядерных реакциях объяснить причину замораживания равновесных реакций.