Америций

Америций — химический элемент с атомным номером 95. Принадлежит к 3-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе III группы, или к группе IIIB), находится в седьмом периоде таблицы. Относится к семейству актиноидов. В природе отсутствует, массовое число наиболее стабильного из известных изотопов равно 243(его атомная масса равна 243,06138(2) а. е. м.). Обозначается символом Am (от лат. Americium). Четвёртый синтезированный трансплутониевый элемент.

История

Элемент был получен искусственно в 1944 году в Металлургической лаборатории Чикагского университета Гленном Сиборгом с сотрудниками, причем открытие было засекречено. Интересно, что об открытии америция и кюрия Сиборг впервые публично объявил на детской радиопередаче Quiz Kids, когда один из слушателей спросил его, какие трансурановые элементы были открыты во время войны. Официальное сообщение об открытии на совещании Американского химического общества последовало только через пять дней после радиопередачи, 11 ноября 1945 года.

Ныне существующий америций сконцентрирован в атмосфере в районах, используемых для испытаний ядерного оружия, проведенных между 1945 и 1980 годами, а также в местах ядерных инцидентов, таких как чернобыльская катастрофа. Например, анализ обломков на полигоне, на котором происходили испытания первой водородной бомбы США (1 ноября 1952 г., атолл Эниветак) выявил высокие концентрации различных актинидов, включая америций; но из-за военной тайны эти данные были опубликованы только в 1956 году. В Тринитите, стеклообразном веществе, образовавшемся на месте испытания ядерной бомбы на базе в Тринити возле Аламогордо (штат Нью-Мексико) 16 июля 1945 года были обнаружены следы америция-241. Повышенные уровни америция были также обнаружены в 1968 году в Гренландии на месте крушения американского бомбардировщика Boeing B-52, который нёс четыре водородные бомбы.

Физические свойства

Америций — металл серебристо-белого цвета, тягучий и ковкий. Светится в темноте за счёт собственного α-излучения. Больше всего он похож на металлы редкоземельного семейства. Имеет две аллотропные формы. В низкотемпературной форме (плотность 13,67 г/см³) обладает двойной плотно упакованной гексагональной структурой, которая при 1074 °C преобразуется в гранецентрированную кубическую. Температура плавления — 1175 °C. Температура кипения — 2607°С.

Химические свойства

Происхождение названия

Электронная оболочка америция

Внешняя электронная оболочка нового элемента (5f) оказалась аналогичной европию (4f). Поэтому элемент назвали в честь Америки, как европий — в честь Европы.

Получение

²⁴¹Am сейчас получают в промышленном количестве при распаде ²⁴¹Pu: Pu-241 -> (13,2 года, бета-распад) -> Am-241, а ²⁴³Am при распаде ²⁴³Pu.

²⁴¹Pu образуется во всех ядерных реакторах при захвате нейтрона ураном-238.

1. ²³⁸U + n → ²³⁹U
2. ²³⁹U β-распад → ²³⁹Np
3. ²³⁹Np β-распад → ²³⁹Pu
4. ²³⁹Pu + n → ²⁴⁰Pu
5. ²⁴⁰Pu + n → ²⁴¹Pu
6. ²⁴¹Pu β-распад (13,2 года) → ²⁴¹Am (период полураспада 432,2 года)
7. ²⁴¹Pu + n → ²⁴²Pu
8. ²⁴²Pu + n → ²⁴³Pu
9. ²⁴³Pu + n → ²⁴³Am (период полураспада 4,956(3) ч. бета-распад)

Так как ²⁴¹Pu обычно присутствует в только что выработанном оружейном плутонии, с распадом ²⁴¹Pu в веществе накапливается ²⁴¹Am. В связи с этим он играет важную роль в старении плутониевого оружия. Свежеизготовленный оружейный плутоний содержит 0,5-1,0 % ²⁴¹Pu, реакторный плутоний имеет от 5-15 % до 25 % ²⁴¹Pu. Через несколько десятилетий почти весь ²⁴¹Pu распадётся в ²⁴¹Am. Энергетика альфа-распада ²⁴¹Am и относительно короткое время жизни создают высокую удельную радиоактивность и тепловой выход (106 Вт/кг, для примера у ²⁴¹Pu тепловой выход 3,4 Вт/кг). Большая часть альфа- и гамма-активности старого оружейного плутония обусловливается ²⁴¹Am.

Применение

Детектор дыма

Самый долгоживущий изотоп америция, ²⁴³Am, имеет период полураспада 7,37 тыс. лет и используется для радиохимических исследований и накопления более отдалённых трансуранов, вплоть до фермия.

Значительно многообразнее применение самого первого обнаруженного изотопа америция — ²⁴¹Am. Он имеет период полураспада 433,2 года. Этот изотоп, распадаясь, испускает альфа-частицы и мягкие (60 кэВ) гамма-лучи (для примера: энергия жестких гамма-квантов, испускаемых кобальтом-60, — более 1 МэВ: 1,173 и 1,332 МэВ). Защита от мягкого излучения Am-241 сравнительно проста и немассивна: вполне достаточно сантиметрового слоя свинца. В промышленности используются различные контрольно-измерительные и исследовательские приборы с америцием-241, в частности, для непрерывного измерения толщины стальной (от 0,5 до 3 мм) и алюминиевой (до 50 мм) ленты, а также листового стекла. Аппаратуру с америцием-241 используют и для снятия электростатических зарядов в промышленности с пластмасс, синтетических плёнок и бумаги. Он находится и внутри некоторых детекторов дыма (~0,26 микрограмма на детектор).

Ядерный изомер америций-242m обладает высоким сечением деления тепловыми нейтронами (6000 барн), большим количеством выделяемых нейтронов на одно деление (3,6) и относительно большим периодом полураспада (141 год), что делает его подходящим топливом для сверхкомпактных ядерных реакторов (критическая масса — 3,78 кг, меньше только у некоторых изотопов калифорния). Предполагается, например, использовать его для ядерных реакторов на межпланетных космических кораблях. Однако получение этого изотопа в граммовых количествах пока только обсуждается (предполагается получать его из ²⁴¹Am, который содержится в ОЯТ в количестве порядка килограмма на тонну).

Биологическая роль

Америций — высокотоксичный элемент. Значение ПДК для америция в воздухе — около 1⋅10⁻⁴ Бк/л, в воде водоёмов — около 70-80 Бк/л.