Фермий — синтетический химический элемент ; он имеет символ Fm и атомный номер 100. Это актинид и самый тяжелый элемент, который может быть образован нейтронной бомбардировкой более легких элементов, и, следовательно, последний элемент, который может быть получен в макроскопических количествах, хотя чистый металлический фермий еще не получен. [5] Всего известно 20 изотопов, причем 257 Fm является самым долгоживущим с периодом полураспада 100,5 дней.
Фермий был обнаружен в обломках первого взрыва водородной бомбы в 1952 году и назван в честь Энрико Ферми , одного из пионеров ядерной физики . Его химия типична для поздних актинидов, с преобладанием степени окисления +3 , но также и доступной степенью окисления +2. Из-за небольших количеств производимого фермия и всех его изотопов, имеющих относительно короткие периоды полураспада, в настоящее время он не находит применения за пределами фундаментальных научных исследований.
Фермий был впервые обнаружен в осадках после ядерного испытания « Айви Майк » (1 ноября 1952 г.), первого успешного испытания водородной бомбы. [6] [7] [8] Первоначальный анализ обломков от взрыва показал образование нового изотопа плутония ,244
94Пу
: это могло образоваться только в результате поглощения шести нейтронов ядром урана-238 с последующими двумя β − распадами . В то время поглощение нейтронов тяжелым ядром считалось редким процессом, но идентификация244
94Пу
возникла возможность того, что ядра урана могли поглотить еще больше нейтронов, что привело к образованию новых элементов. [8]
Элемент 99 ( эйнштейний ) был быстро обнаружен на фильтровальной бумаге, которую пронесли через облака после взрыва (та же самая техника отбора проб, которая использовалась для обнаружения244
94Пу
). [8] Затем он был идентифицирован в декабре 1952 года Альбертом Гиорсо и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли . [6] [7] [8] Они открыли изотоп 253 Es ( период полураспада 20,5 дней), который был получен путем захвата 15 нейтронов ядрами урана-238 , которые затем претерпели семь последовательных бета-распадов :
Однако некоторые атомы 238 U могли захватить другое количество нейтронов (скорее всего, 16 или 17).
Открытие фермия ( Z = 100) потребовало больше материала, так как ожидалось, что выход будет по крайней мере на порядок ниже, чем у элемента 99, и поэтому загрязненный коралл с атолла Эниветок (где проходило испытание) был отправлен в радиационную лабораторию Калифорнийского университета в Беркли, Калифорния , для обработки и анализа. Примерно через два месяца после испытания был выделен новый компонент, испускающий высокоэнергетические α-частицы (7,1 МэВ) с периодом полураспада около суток. При таком коротком периоде полураспада он мог возникнуть только в результате β − распада изотопа эйнштейния, и поэтому должен был быть изотопом нового элемента 100: он был быстро идентифицирован как 255 Fm ( t = 20,07(7) часов ). [8]
Открытие новых элементов и новые данные о захвате нейтронов изначально держались в секрете по приказу американских военных до 1955 года из-за напряженности Холодной войны . [8] [9] [10] Тем не менее, команда Беркли смогла подготовить элементы 99 и 100 гражданскими средствами, путем нейтронной бомбардировки плутония-239 , и опубликовала эту работу в 1954 году с оговоркой, что это не первые исследования, проведенные с элементами. [11] [12] Исследования «Айви Майк» были рассекречены и опубликованы в 1955 году. [9]
Группа из Беркли беспокоилась, что другая группа может открыть более легкие изотопы элемента 100 с помощью методов ионной бомбардировки до того, как они смогут опубликовать свои секретные исследования, [8] и это оказалось правдой. Группа из Нобелевского института физики в Стокгольме независимо открыла элемент, создав изотоп, который позже был подтвержден как 250 Fm ( t 1/2 = 30 минут) путем бомбардировки238
92У
мишень с ионами кислорода-16 , и опубликовали свою работу в мае 1954 года. [13] Тем не менее, приоритет команды Беркли был общепризнан, а вместе с ним и прерогатива назвать новый элемент в честь Энрико Ферми , [14] разработчика первого искусственного самоподдерживающегося ядерного реактора. Ферми был еще жив, когда было предложено название, но умер к тому времени, когда оно стало официальным. [15]
В базе данных N UBASE 2016 [16] перечислено 20 изотопов фермия с атомными массами от 241 до 260, [b] из которых 257 Fm является самым долгоживущим с периодом полураспада 100,5 дней. 253 Fm имеет период полураспада 3 дня, в то время как 251 Fm — 5,3 часа, 252 Fm — 25,4 часа, 254 Fm — 3,2 часа, 255 Fm — 20,1 часа и 256 Fm — 2,6 часа. Все остальные имеют периоды полураспада от 30 минут до менее миллисекунды. [17] Продукт захвата нейтронов фермием-257, 258 Fm, подвергается спонтанному делению с периодом полураспада всего 370(14) микросекунд; 259 Fm и 260 Fm также подвергаются спонтанному делению ( t 1/2 = 1,5(3) с и 4 мс соответственно). [17] Это означает, что захват нейтронов не может быть использован для создания нуклидов с массовым числом больше 257, если только он не осуществляется в ядерном взрыве. Поскольку 257 Fm альфа распадается до 253 Cf, и ни один известный изотоп фермия не подвергается бета-минус распаду до следующего элемента, менделевия , фермий также является последним элементом, который может быть синтезирован путем захвата нейтронов. [5] [18] [19] Из-за этого препятствия в образовании более тяжелых изотопов эти короткоживущие изотопы 258–260 Fm составляют «фермиевый промежуток». [20]
Фермий производится путем бомбардировки более легких актинидов нейтронами в ядерном реакторе. Фермий-257 является самым тяжелым изотопом, который получается путем захвата нейтронов, и может быть произведен только в количествах пикограмм. [c] [21] Основным источником является 85-мегаваттный высокопоточный изотопный реактор (HFIR) в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси , США, который предназначен для производства транскюриевых ( Z > 96) элементов. [22] Изотопы фермия с меньшей массой доступны в больших количествах, хотя эти изотопы ( 254 Fm и 255 Fm) сравнительно короткоживущие. В «типичной кампании по переработке» в Ок-Ридже десятки граммов кюрия облучаются для получения дециграммовых количеств калифорния , миллиграммовых количеств берклия и эйнштейния и пикограммовых количеств фермия. [23] Однако для специальных экспериментов можно приготовить нанограммовые [24] количества фермия. Считается, что количество фермия, произведенное при термоядерных взрывах мощностью 20–200 килотонн, составляет порядка миллиграммов, хотя он смешан с огромным количеством мусора; 4,0 пикограмма 257 Fm были извлечены из 10 килограммов мусора в ходе испытания « Хатч » (16 июля 1969 г.). [25] Эксперимент «Хатч» дал в общей сложности 250 микрограммов 257 Fm.
После производства фермий должен быть отделен от других актинидов и продуктов деления лантаноидов . Обычно это достигается с помощью ионообменной хроматографии , при этом стандартный процесс использует катионообменник, такой как Dowex 50 или T EVA, элюируемый раствором α-гидроксиизобутирата аммония. [5] [26] Более мелкие катионы образуют более стабильные комплексы с анионом α-гидроксиизобутирата и поэтому предпочтительно элюируются из колонки. [5] Также был описан метод быстрой фракционной кристаллизации . [5] [27]
Хотя наиболее стабильным изотопом фермия является 257 Fm с периодом полураспада 100,5 суток, большинство исследований проводится на 255 Fm ( t 1/2 = 20,07(7) часов), поскольку этот изотоп может быть легко выделен по мере необходимости как продукт распада 255 Es ( t 1/2 = 39,8(12) суток). [5]
Анализ обломков 10-мегатонного ядерного испытания Ivy Mike был частью долгосрочного проекта, одной из целей которого было изучение эффективности производства трансурановых элементов при мощных ядерных взрывах. Мотивация этих экспериментов была следующей: синтез таких элементов из урана требует многократного захвата нейтронов. Вероятность таких событий увеличивается с ростом потока нейтронов, а ядерные взрывы являются самыми мощными источниками нейтронов, обеспечивая плотности порядка 10 23 нейтронов/см 2 в течение микросекунды, т.е. около 10 29 нейтронов/(см 2 ·с). Для сравнения, поток реактора HFIR составляет 5 × 1015 нейтронов/(см2 · с). Специальная лаборатория была создана прямо на атолле Эниветок для предварительного анализа мусора, поскольку некоторые изотопы могли распасться к тому времени, как образцы мусора достигли США. Лаборатория получала образцы для анализа как можно скорее с самолетов, оснащенных бумажными фильтрами, которые пролетали над атоллом после испытаний. Хотя надеялись обнаружить новые химические элементы тяжелее фермия, они не были обнаружены после серии мегатонных взрывов, проведенных между 1954 и 1956 годами на атолле. [28]
Атмосферные результаты были дополнены данными подземных испытаний, накопленными в 1960-х годах на испытательном полигоне в Неваде , поскольку надеялись, что мощные взрывы, проводимые в замкнутом пространстве, могут привести к повышению выхода и получению более тяжелых изотопов. Помимо традиционных урановых зарядов, были опробованы комбинации урана с америцием и торием, а также смешанный заряд плутония-нептуния. Они были менее успешными с точки зрения выхода, что было связано с более сильными потерями тяжелых изотопов из-за повышенных скоростей деления в зарядах тяжелых элементов. Изоляция продуктов оказалась довольно проблематичной, поскольку взрывы разносили обломки через плавящиеся и испаряющиеся породы под большой глубиной 300–600 метров, а бурение на такую глубину для извлечения продуктов было и медленным, и неэффективным с точки зрения собранных объемов. [28] [29]
Среди девяти подземных испытаний, проведенных в период с 1962 по 1969 год и имевших кодовые названия Anacostia (5,2 килотонн , 1962), Kennebec (<5 килотонн, 1963), Par (38 килотонн, 1964), Barbel (<20 килотонн, 1964), Tweed (<20 килотонн, 1965), Cyclamen (13 килотонн, 1966), Kankakee (20-200 килотонн, 1966), Vulcan (25 килотонн, 1966) и Hutch (20-200 килотонн, 1969), [30] последнее было самым мощным и имело самый высокий выход трансурановых элементов. В зависимости от атомного массового числа выход показал пилообразное поведение с более низкими значениями для нечетных изотопов из-за их более высоких скоростей деления. [29] Однако главной практической проблемой всего предложения был сбор радиоактивных обломков, рассеянных мощным взрывом. Фильтры самолета адсорбировали всего около 4 × 10−14 от общего количества и сбора тонн кораллов на атолле Эниветок увеличили эту долю всего на два порядка. Извлечение около 500 килограммов подземных пород через 60 дней после взрыва Хатча извлекло только около 10 −7 от общего заряда. Количество трансурановых элементов в этой 500-килограммовой партии было всего в 30 раз больше, чем в 0,4-килограммовой породе, поднятой через 7 дней после испытания. Это наблюдение продемонстрировало крайне нелинейную зависимость выхода трансурановых элементов от количества извлеченной радиоактивной породы. [31] Чтобы ускорить сбор образцов после взрыва, на месте бурили шахты не после, а до испытания, так что взрыв выбрасывал радиоактивный материал из эпицентра через шахты в собирающие объемы вблизи поверхности. Этот метод был опробован в испытаниях Анакостия и Кеннебек и мгновенно предоставил сотни килограммов материала, но с концентрациями актинидов в 3 раза ниже, чем в образцах, полученных после бурения; Хотя такой метод мог бы быть эффективным в научных исследованиях короткоживущих изотопов, он не смог бы улучшить общую эффективность сбора полученных актинидов. [32]
Хотя в обломках ядерных испытаний не удалось обнаружить никаких новых элементов (кроме эйнштейния и фермия), а общий выход трансурановых элементов оказался разочаровывающе низким, эти испытания дали значительно большее количество редких тяжелых изотопов, чем ранее было доступно в лабораториях. Например, 6 × 109 атомов 257 Fm удалось восстановить после взрыва Hutch. Затем они были использованы в исследованиях деления 257 Fm под действием тепловых нейтронов и в открытии нового изотопа фермия 258 Fm. Кроме того, в больших количествах был синтезирован редкий изотоп 250 Cm, который очень трудно производить в ядерных реакторах из его предшественника 249 Cm; период полураспада 249 Cm (64 минуты) слишком короток для многомесячного облучения в реакторе, но очень «долгий» в масштабах времени взрыва. [33]
Из-за короткого периода полураспада всех известных изотопов фермия любой первичный фермий, то есть фермий, присутствовавший на Земле во время ее формирования, к настоящему времени распался. Синтез фермия из встречающихся в природе урана и тория в земной коре требует множественных захватов нейтронов, что крайне маловероятно. Поэтому большая часть фермия производится на Земле в лабораториях, мощных ядерных реакторах или в ходе ядерных испытаний и присутствует всего несколько месяцев после этого. Трансурановые элементы америций -фермий действительно встречались в природе в естественном ядерном реакторе деления в Окло , но больше этого не происходит. [34]
Химия фермия изучалась только в растворе с использованием методов трассировки, и никаких твердых соединений не было получено. При нормальных условиях фермий существует в растворе в виде иона Fm3 + , который имеет число гидратации 16,9 и константу кислотной диссоциации 1,6 × 10−4 (pKa = 3,8 ). [35] [36] Fm3 + образует комплексы с широким спектром органических лигандов с жесткими донорными атомами , такими как кислород, и эти комплексы обычно более стабильны, чем комплексы предыдущих актинидов. [5] Он также образует анионные комплексы с лигандами, такими как хлорид или нитрат , и, опять же, эти комплексы кажутся более стабильными, чем комплексы, образованные эйнштейнием или калифорнием . [37] Считается, что связь в комплексах более поздних актинидов носит в основном ионный характер: ожидается, что ион Fm 3+ будет меньше, чем предшествующие ионы An 3+ из-за более высокого эффективного заряда ядра фермия, и, следовательно, можно ожидать, что фермий будет образовывать более короткие и прочные связи металл-лиганд. [5]
Фермий(III) может быть довольно легко восстановлен до фермия(II), [38] например, с помощью хлорида самария(II) , с которым фермий(II) соосаждается. [39] [40] В осадке было получено соединение хлорида фермия(II) (FmCl2 ) , хотя оно не было очищено или изучено в изоляции. [41] По оценкам, электродный потенциал аналогичен потенциалу пары иттербия (III)/(II), или около -1,15 В по отношению к стандартному водородному электроду , [42] значение, которое согласуется с теоретическими расчетами. [43] Пара Fm2 + /Fm0 имеет электродный потенциал -2,37(10) В на основе полярографических измерений. [44]
Хотя мало кто контактирует с фермием, Международная комиссия по радиологической защите установила годовые пределы воздействия для двух наиболее стабильных изотопов. Для фермия-253 предел приема внутрь был установлен на уровне 10 7 беккерелей (1 Бк равен одному распаду в секунду), а предел вдыхания — на уровне 10 5 Бк; для фермия-257 — на уровне 10 5 Бк и 4000 Бк соответственно. [45]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь ){{cite journal}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь )