Синтетический элемент — один из 24 известных химических элементов , которые не встречаются в природе на Земле : они были созданы человеком путем манипуляции фундаментальными частицами в ядерном реакторе , ускорителе частиц или взрывом атомной бомбы ; поэтому их называют «синтетическими», «искусственными» или «рукотворными». Синтетические элементы — это элементы с атомными номерами 95–118, как показано фиолетовым цветом в прилагаемой периодической таблице : [1] эти 24 элемента были впервые созданы между 1944 и 2010 годами. Механизм создания синтетического элемента заключается в том, чтобы заставить дополнительные протоны войти в ядро элемента с атомным номером ниже 95. Все известные (см.: Остров стабильности ) синтетические элементы нестабильны, но они распадаются с очень разной скоростью; периоды полураспада их самых долгоживущих изотопов варьируются от микросекунд до миллионов лет.
Еще пять элементов, которые были впервые созданы искусственно, строго говоря, не являются синтетическими , поскольку позднее они были обнаружены в природе в следовых количествах: 43 Tc , 61 Pm , 85 At , 93 Np и 94 Pu , хотя иногда их классифицируют как синтетические наряду с исключительно искусственными элементами. [2] Первый, технеций, был создан в 1937 году. [3] Плутоний (Pu, атомный номер 94), впервые синтезированный в 1940 году, является еще одним таким элементом. Это элемент с наибольшим числом протонов (атомный номер), встречающийся в природе, но он делает это в таких крошечных количествах, что его гораздо практичнее синтезировать. Плутоний известен в основном своим использованием в атомных бомбах и ядерных реакторах. [4]
Ни один элемент с атомным номером больше 99 не имеет применения за пределами научных исследований, поскольку у них чрезвычайно короткий период полураспада, и поэтому они никогда не производились в больших количествах.
Все элементы с атомным номером больше 94 распадаются достаточно быстро на более легкие элементы, так что любые их атомы , которые могли существовать во время формирования Земли (около 4,6 миллиарда лет назад), уже давно распались. [5] [6] Синтетические элементы, которые сейчас присутствуют на Земле, являются продуктом атомных бомб или экспериментов, в которых задействованы ядерные реакторы или ускорители частиц , посредством ядерного синтеза или поглощения нейтронов . [7]
Атомная масса для природных элементов основана на средневзвешенном распространении природных изотопов в земной коре и атмосфере . Для синтетических элементов не существует «естественного изотопного распространенности». Поэтому для синтетических элементов общее число нуклонов ( протонов плюс нейтронов ) наиболее стабильного изотопа , т. е . изотопа с самым длительным периодом полураспада , указано в скобках как атомная масса.
Первым элементом, который был синтезирован, а не обнаружен в природе, был технеций в 1937 году. [8] Это открытие заполнило пробел в периодической таблице , и тот факт, что технеций не имеет стабильных изотопов, объясняет его естественное отсутствие на Земле (и пробел). [9] С самым долгоживущим изотопом технеция, 97 Tc, имеющим период полураспада 4,21 миллиона лет , [10] технеций не остается от образования Земли. [11] [12] Только незначительные следы технеция встречаются естественным образом в земной коре — как продукт спонтанного деления 238 U или от захвата нейтронов в молибдене — но технеций естественным образом присутствует в красных гигантских звездах. [13] [ 14] [15] [16]
Первым полностью синтетическим элементом был кюрий , синтезированный в 1944 году Гленном Т. Сиборгом , Ральфом А. Джеймсом и Альбертом Гиорсо путем бомбардировки плутония альфа-частицами . [ 17] [18]
Вскоре последовал синтез америция , берклия и калифорния . Эйнштейний и фермий были открыты группой ученых под руководством Альберта Гиорсо в 1952 году при изучении состава радиоактивных остатков от взрыва первой водородной бомбы. [19] Синтезированными изотопами были эйнштейний-253 с периодом полураспада 20,5 дней и фермий-255 с периодом полураспада около 20 часов. Затем последовало создание менделевия , нобелия и лоуренсия .
В разгар Холодной войны группы из Советского Союза и Соединенных Штатов независимо друг от друга создали резерфордий и дубний . Наименование и заслуга в синтезе этих элементов оставались нерешенными в течение многих лет , но в конечном итоге общая заслуга была признана ИЮПАК / ИЮПАП в 1992 году. В 1997 году ИЮПАК решил дать дубнию его нынешнее название в честь города Дубна , где работала российская группа, поскольку выбранные американцами названия уже использовались для многих существующих синтетических элементов, в то время как название резерфордий (выбранное американской группой) было принято для элемента 104.
Тем временем американская группа создала сиборгий , а следующие шесть элементов были созданы немецкой группой: борий , хассий , мейтнерий , дармштадтий , рентгений и коперниций . Элемент 113, нихоний , был создан японской группой; последние пять известных элементов, флеровий , московий , ливерморий , теннессин и оганесон , были созданы российско-американским сотрудничеством и завершают седьмую строку периодической таблицы.
Следующие элементы не встречаются в природе на Земле. Все они являются трансурановыми элементами и имеют атомные номера 95 и выше.
Все элементы с атомными номерами от 1 до 94 встречаются в природе, по крайней мере, в следовых количествах, но следующие элементы часто получают путем синтеза.
Технеций, прометий, астат, нептуний и плутоний были открыты путем синтеза еще до того, как были обнаружены в природе.