Трансурановые элементы — это элементы с атомным номером выше 92 (урана). Их получение связано с явлениями ядерной физики, в первую очередь с реакциями захвата нейтронов и реакциями с заряженными частицами. Основным условием синтеза является преодоление кулоновского барьера между ядром мишени и частицей-реагентом. С увеличением атомного числа ядра рост кулоновского отталкивания требует применения частиц с высокой кинетической энергией, что делает синтез элементов сверхурана сложной задачей.
1. Нейтронное облучение: Исторически первым методом синтеза плутония и некоторых трансурановых элементов было облучение урана тепловыми нейтронами в ядерном реакторе. Поглощение нейтронов ядром урана приводит к образованию изотопов с более высоким атомным номером через β‑распад:
[ {}^{238} + n ^{239} {}^{239} {}^{239}]
Преимущество метода — высокая эффективность для лёгких трансуранов, недостаток — ограниченность применяемых изотопов и невозможность получения элементов с атомным номером выше примерно 100.
2. Реакции с легкими и тяжелыми ионами: Для синтеза элементов за пределами плутония используется бомбардировка тяжелых мишеней ускоренными ионами. Классическая схема реакции:
[ {}^{A}{Z} + {}^{A’}{Z’} ^{A+A’}{Z+Z’} ^{A+A’-x}{Z+Z’} + xn]
где (x) — количество испущенных нейтронов. Выбор мишени и иона критичен для успешного синтеза: для элементов 104–118 применяются мишени из актиноидов и ионы кальция-48, что сочетает высокую вероятность сечения реакции и относительную стабильность исходных ядер.
3. Спектроскопические методы контроля продуктов: Синтез трансуранов требует точного определения образования новых изотопов. Применяются α‑спектроскопия, γ‑спектроскопия и методы корреляции α-распада с последующим радиохимическим выделением. Важным аспектом является очень короткое время жизни некоторых изотопов — от миллисекунд до минут — что требует мгновенной регистрации и выделения продуктов реакции.
После синтеза происходит выделение малых количеств нового элемента из мишени и продуктов реакции. Методы включают:
Выход синтезированных трансурановых элементов крайне мал — единицы атомов за эксперимент. Для увеличения эффективности используются:
Трансурановые элементы находят ограниченное, но специфическое применение:
Синтез трансурановых элементов представляет собой сложную междисциплинарную задачу, объединяющую ядерную физику, радиохимию и аналитическую химию, требующую высокой точности, автоматизации и координации экспериментов на атомном уровне.