1 ноября 1952 года группа американских ученых, работающих на вооруженные силы США, запустила странное трехэтажное строение 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 состоялось на крошечном атолле Эниветок на Маршалловых островах в южной части Тихого океана. Когда Айви Майк был взорван, он выпустил 10,4 мегатонны взрывной мощности, что примерно эквивалентно 10,4 миллионам тонн тротила. Бомба, сброшенная на Хиросиму, для сравнения, произвела всего 15 килотонн (15 000 тонн тротила).
Взрыв полностью испарил атолл Эниветок и образовал грибовидное облако в 3 милях (4.8 километров) в ширину. Рабочие в защитных костюмах собрали радиоактивные материалы с соседнего острова и отправили их обратно в лабораторию Беркли в Калифорнии (ныне Национальная лаборатория Лоуренса Беркли) для анализа. Там группа исследователей Манхэттенского проекта под руководством Альберта Гиорсо выделила всего 200 атомов совершенно нового элемента, содержащего 99 протонов и 99 электронов.
В 1955 году исследователи объявили миру о своем открытии и назвали его в честь своего научного героя: эйнштейний.
Большой и нестабильный
Эйнштейний занимает 99-е место в таблице Менделеева в компании других очень тяжелых и радиоактивных элементов, таких как калифорний и берклий. Некоторые радиоактивные элементы, особенно уран, присутствуют в земной коре в значительных количествах (при 2,8 миллионных долях урана под землей больше, чем золота). Но даже более тяжелые элементы, включая эйнштейний, можно создать только искусственно, взорвав водородную бомбу или столкновением субатомных частиц в реакторе.
Что делает элемент радиоактивным? В случае с эйнштейнием и его соседями в нижней части таблицы Менделеева все дело в размере их атомов, объясняет Джозеф Глайх, химик-фармацевт, много работавший с другими радиоактивными элементами, используемыми для медицинской визуализации.
«Когда элементы достигают определенного размера, ядро атома становится настолько большим, что распадается», - говорит Глайч. «Что происходит, так это то, что он выплевывает нейтроны и/или протоны и электроны и распадается до более низкого элементарного состояния».
По мере распада радиоактивные элементы испускают 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 клеткам и ДНК человека.
Короткий срок годности
По мере распада радиоактивные элементы также образуют разные изотопы с разным атомным весом. Атомный вес элемента рассчитывается путем прибавления количества нейтронов в ядре к количеству протонов. Например, эйнштейний, собранный в южной части Тихого океана в 1952 году, представлял собой изотоп под названием эйнштейний-253, который имеет 99 протонов и 154 нейтрона..
Но изотопы не вечны. У каждого из них разный «период полураспада», который представляет собой предполагаемое время, за которое половина вещества распадается на новый изотоп или низший элемент. Эйнштейний-253 имеет период полураспада всего 20,5 дней. С другой стороны, уран-238, наиболее распространенный изотоп урана 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 крупные элементы начинают распадаться очень быстро.
«По мере того, как вы создаете все более и более крупные элементы и изотопы, становится все труднее удерживать их достаточно долго, чтобы увидеть», - говорит Глайч.
Большой прорыв в малых масштабах
Вот почему в последнее время в мире химии было так много волнений, когда группа ученых успешно удерживала образец короткоживущего эйнштейния достаточно долго, чтобы измерить некоторые химические свойства этого ультраредкого элемента.
Ученые под руководством Ребекки Арбергель из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли терпеливо ждали крошечный образец эйнштейния-254, произведенный 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 приостановлено на несколько месяцев, в течение которых каждые 30 дней деградировало 7 процентов образцов.
Прорыв Абергеля произошел с созданием молекулярной «клешни», которая могла удерживать один атом эйнштейния-254 на месте достаточно долго, чтобы измерять такие вещи, как длина его молекулярных связей и длина волны, на которой он излучает свет. Оба эти измерения имеют решающее значение для понимания того, как эйнштейний и его тяжелые родственники потенциально могут быть использованы для таких вещей, как лечение рака.
Вот это круто
Включая эйнштейний, ученый-ядерщик Альберт Гиорсо открыл рекордные 12 элементов периодической таблицы благодаря своей новаторской работе в области радиационного анализа с 1950-х по 1970-е годы.
Часто задаваемые вопросы
Почему эйнштейний был назван в честь Альберта Эйнштейна?
Эйнштейний назван в честь Альберта Эйнштейна, потому что это элемент с наибольшим атомным номером, который может образоваться при взрыве термоядерной бомбы.