Калифорний
| Калифорний | |
|---|---|
| Радиоактивный металл серебристо-белого цвета | |
 | |
| Название, символ, номер | Калифорний / Californium (Cf), 98 |
| Атомная масса (молярная масса) | 251,0796 а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Rn] 5f 10 7s 2 |
| Радиус атома | 295 пм |
| Электроотрицательность | 1,3 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | Cf ← Cf 3+ : −1,93 В Cf ← Cf 2+ : −2,1 В |
| Степени окисления | +2, +3, +4 |
| Плотность (при н. у.) | 15,1 г/см³ |
| Температура плавления | 1173,15 К (900 °С, 1652 °F) |
| Температура кипения | оценочно 1743 K (1470 °C) |
| Молярная теплоёмкость | 29 Дж/(K·моль) |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a = 3,38, c = 11,03 |
| Отношение c/a | 3,26 |
| Номер CAS | 7440-71-3 |
Калифорний — искусственный радиоактивный химический элемент, актиноид, обозначаемый Cf, имеющий атомный номер 98 в периодической системе Менделеева. Известны радиоизотопы с массовыми числами 237—256. Стабильных изотопов не имеет.
Элемент был впервые синтезирован в 1950 году в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (тогда Лаборатория радиации Калифорнийского университета) путём бомбардировки кюрия альфа-частицами (ионами гелия-4). Актиноид, шестой трансурановый элемент, который был когда-либо синтезирован, и имеет вторую по величине атомную массу среди всех элементов, которые были произведены в таких количествах, чтобы их можно было разглядеть невооружённым глазом (после эйнштейния). Элемент был назван в честь штата Калифорния и университета из этого штата.
Содержание
История
Получен искусственно в 1950 году американскими физиками С. Томпсоном, К. Стритом, А. Гиорсо и Г. Сиборгом в Калифорнийском университете в Беркли при облучении 242 Cm ускоренными α-частицами.
Первые твёрдые соединения калифорния — 249 Cf2O3 и 249 CfOCl получены в 1958 году.
Происхождение названия
Назван в честь Калифорнийского университета в Беркли, где и был получен. Как писали авторы, этим названием они хотели указать, что открыть новый элемент им было так же трудно, как век назад пионерам Америки достичь Калифорнии.
Получение
Калифорний производят в двух местах: НИИАР в Димитровграде (Россия), Окриджской национальной лаборатории в США.
Для производства одного грамма калифорния плутоний или кюрий подвергают длительному нейтронному облучению в ядерном реакторе, от 8 месяцев до 1,5 лет. Затем из получившихся продуктов облучения химическим путём выделяют калифорний.
Металлический калифорний получают путём восстановления фторида калифорния CfF3 литием:
CfF3 + 3Li ⟶ Cf + 3LiF
или оксида калифорния Cf2O3 кальцием:
От других актиноидов калифорний отделяют экстракционными и хроматографическими методами.
Физические и химические свойства
Калифорний представляет собой серебристо-белый актинидный металл с температурой плавления 900 ± 30° C и предполагаемой температурой кипения 1470 °C. Чистый металл податлив и легко режется лезвием. Металлический калифорний начинает испаряться при температуре выше 300 °C под вакуумом. Образует сплавы с лантаноидными металлами, но о них мало что известно.
Калифорний — чрезвычайно летучий металл. Существует в двух полиморфных модификациях. Ниже 600 °C устойчива α-модификация с гексагональной решёткой (параметры а = 0,339 нм, с = 1,101 нм), выше 600 °C — β-модификация с кубической гранецентрированной решёткой. Температура плавления металла 900 °C, температура кипения 1227 °C.
По химическим свойствам калифорний подобен актиноидам. Синтезированы галогениды калифорния — CfX3 (X — атом галогена), оксигалогениды — CfOX. Для получения диоксида калифорния CfO2 оксид Cf2O3 окисляют при нагревании кислородом под давлением 10 МПа. В растворах Cf 4+ получают, действуя на соединения Cf 3+ сильными окислителями. Синтезирован твёрдый дийодид калифорния CfI2. Из водных растворов Cf 3+ восстанавливается до Cf 2+ электрохимически.
Изотопы
Известно 17 изотопов калифорния, наиболее стабильными из которых являются 251 Cf с периодом полураспада T1/2 = 900 лет, 249 Cf (T1/2 = 351 год), 250 Cf (T1/2 = 13,08 года) и 252 Cf (T1/2 = 2,645 года). Последний изотоп имеет высокий коэффициент размножения нейтронов (выше 3) и критическую массу около 5 кг (для металлического шара). Грамм 252 Cf испускает около 3⋅10 12 нейтронов в секунду. 251 Cf упоминается в книге Чингиза Абдуллаева «Символы распада» как элемент миниатюрной ядерной бомбы — «ядерного чемоданчика». Встречающиеся иногда оценки критической массы, составляющие порядка 10 г, относятся к водным растворам солей калифорния.
Применение
Наибольшее применение нашёл изотоп 252 Cf. Он используется как мощный источник нейтронов в нейтронно-активационном анализе, в лучевой терапии опухолей. Кроме того, изотоп 252 Cf используется в экспериментах по изучению спонтанного деления ядер. Калифорний является чрезвычайно дорогим металлом. Цена 1 грамма изотопа 252 Cf составляет около 4 млн долларов США, и она вполне оправдана, так как ежегодно получают 40—60 миллиграммов.
Продукты распада ядер калифорния-252 ( 252 Cf) с энергией порядка 80—100 МэВ используют для бомбардировки и ионизации пробы в спектрометрии (см. Плазменная десорбционная ионизация). При делении ядра 252 Cf возникают движущиеся в противоположных направлениях частицы. Одна из частиц попадает в триггерный детектор и сигнализирует о начале отсчёта времени. Другая частица попадает на матрицу пробы, выбивая ионы, которые направляются во времяпролётный масс-спектрометр.
Изотоп 249 Cf применяют в научных исследованиях. При работе с ним не требуется защита от нейтронного излучения.
Физиологическое действие
Радионуклид 252 Cf высокотоксичен. ПДК в воде открытых водоёмов 1,33⋅10 −4 Бк/л.
Вы не задумывались, почему «калифорний-252» стоит так дорого? (3 фото)
Ядерная реакция.
Ядерная реакция это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.
Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.
По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:
1.
Драгоценные металлы вовсе не являются такими дорогими, если сравнивать их с некоторыми искусственно полученными металлами. Например, радиоактивный элемент Калифорний-252 стоит неимоверных 27 миллионов долларов за 1 грамм (дороже только антиматерия, которая оценивается в 60 триллионов долларов за 1 грамм). Ежегодно в мире производят лишь 40 миллиграмм этого материала, поэтому мировой запас Калифорния составляет ничтожных 8 грамм. Регулярно Калифорний производят в Окриджской национальной лаборатории в США и в Димитровграде Ульяновской области. Далее предлагаем взглянуть на процесс производства почти самого дорогого в мире материала.
2.
В 80 километрах от Ульяновска, на реке Черемшан, находится город Димитровград с населением около 100 000 человек. Его главное предприятие – Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР), который был создан в 1956 году по иницитиве Курчатова. Изначально он был опытной станцией для испытаний ядерных реакторов, но в настоящее время спектр направлений деятельности значительно расширился. Сейчас в НИИАР испытывают различные материалы, чтобы определить, как они себя ведут в условиях продолжительного радиактивного излучения, создают радионуклидные источники и препараты, которые применяют в медицине и исследованиях, решают технические вопросы экологически чистых технологий и просто ведут научную деятельность. В НИИАР работает около 3500 сотрудников и 6 реакторов.
Известны 20 изотопов, наиболее ценным из них является калифорний-252 с периодом полураспада в 2,6 года.
Температура плавления металла 900 градусов Цельсия, температура кипения оценивается в 1300-1500 градусов Цельсия. Калифорний радиоактивен, является мощным источником нейтронов и токсичен. Ежегодно производят не больше нескольких сот миллиграммов 252-го изотопа.
P.S.
И лечит и колечит. Но, при этом не доступен, обычному «Смертному».
Калифорний назван в честь Калифорнийского университета в Беркли, где в 1950 году его получила группа ученых под руководством обладателя Нобелевской премии по химии и участника Манхэттенского проекта Гленна Сиборга.
Создатель калифорния и один из основоположников ядерной химии Гленн Сиборг причастен к открытию десяти новых элементов таблицы Менделеева, один из которых в его честь получил название сиборгий.
С калифорнием работают только Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде и Национальная лаборатория Оук-Ридж в США.
Калифорний относится к числу самых дорогих веществ в мире. По некоторым оценкам, один грамм этого вещества стоит 26 миллионов долларов.
Калифорний – это химический элемент, полученный искусственным путем. В металлическом виде он мало отличается от большинства драгоценных и менее ценных металлов и обладает белым цветом и сильным серебристым блеском. На этом их сходство заканчивается, дальше – одни различия.
История калифорния-252
Название нового элемента ученые связали с именем места, где он «родился». Они также шутили, что его получение было сопряжено с такими трудностями, которые можно сравнить с возможностью первооткрывателей Америки достичь побережья штата Калифорния.
Свойства калифорния-252
Калифорний-252 наиболее изученный изотоп. Он имеет плотность 15,1 г/куб.см. Температура его плавления составляет 900 °С, а кипения – 1227 °С. Изотоп-252 обладает невообразимым зарядом энергии, высвобождающейся при делении атомов. Всего лишь один грамм этого элемента за секунду способен выпустить 2,4 биллиарда нейтронов, а невидимые невооруженным глазом 0,000001 грамма изотопа за тот же период времени «выдают» больше 2 миллионов нейтронов.
Представить силу энергии этого изотопа поможет лишь следующее сравнение: мощность одного грамма калифорния-252 равняется мощности ядерного реактора среднего размера или мощности 200 килограммов радия, если бы такое количество существовало на планете.
Изотоп-252 обладает высокой токсичностью. Его предельное количество в помещении составляет 0,0000041 Бк/л., а в водоемах – 0,000133 Бк/л.
Добыча и получение калифорния-252
Известно, что калифорний не является природным веществом. Изотоп-252 производится в лабораториях Соединенных Штатов – в городе Оук Ридж, и в промышленном центре России. Его добывают из продуктов, получаемых вследствие облучения радиоактивного плутония либо кюрия мельчайшими частицами – нейтронами.
Этот производственный процесс происходит в ядерных реакторах за защитной оболочкой, которая предохраняет персонал от опасного облучения.
Преобразование исходного радиоактивного металла (плутония, кюрия) в калифорний состоит из нескольких этапов. На этом пути каждый из них распадаясь, превращается в промежуточное вещество – активный изотоп другого металла, который также распадается и «рождает» новый изотоп. Вся линейка распадов выглядит следующим образом: Плутоний-Америций-Кюрий-Берклий-Калифорний. Здесь калифорний-252 является конечным результатом цепочки. Это вещество невозможно превратить в более тяжелый изотоп, так как его ядро слабо откликается на воздействие нейтронами.
На пути преобразования плутония в калифорний из 100% ядер распадается 99,7%. Лишь 0,3% ядер удерживается от распада и проходит до конца весь этап. На получение одного грамма калифорния-252 затрачивается 10 килограммов плутония-239. Выделение изотопа происходит методом экстракции, экстракционной хроматографии либо вследствие ионного обмена. Чтобы придать ему металлический вид, производится восстановительная реакция.
Ежегодное количество добываемого калифорния-252 составляет 40-80 микрограмм, что соответствует 40-80 миллионным долям грамма. По состоянию на 1975 год суммарное производство и продажа изотопа составила 63 миллиграмма. Сегодня ядерные физики работают над тем, чтобы вывести годовой выпуск этого «концентрата» энергии на миллиграммовый уровень.
По оценкам специалистов мировой запас калифорния составляет не более 5 граммов. Масштабы производства и способы получения напрямую влияют на его стоимость. Калифорний-252 – самый дорогой в мире промышленный металл. Стоимость его одного грамма в разные годы варьировала от 6,5 до 27 миллионов долларов.
Применение калифорния-252
Несмотря на столь высокую цену, существует множество отраслей, где калифорний-252 является активным участником рабочего процесса. Виной тому – впечатляющие свойства изотопа.
Прежде всего, он незаменимый элемент для многих исследований в области деления ядер и изучения космического пространства – дальних планет и звезд, и более близкой «соседки» Луны.
Калифорний-252, обладающий способностью излучать поток нейтронов, применяется при поиске и добыче полезных ископаемых. Такой миниатюрный источник позволяет обнаруживать серебро и золото. Он также является помощником в определении глубинных слоев, несущих воду и нефть. Способности изотопа используются в работе нейтронных датчиков, определяющих степень влажности.
Нейтронная радиография помогает проверять целостность и обнаруживать повреждения в ядерных реакторах, деталях авиационно-космической техники, и в других системах и изделиях. С этой целью ученые разработали нейтронную камеру, где в качестве источника излучения выступает калифорний-252. Подобные портативные приборы незаменимы в поисках особо упакованных наркотиков, которые не могут быть обнаружены рентгеновскими лучами. Излучающие свойства 252 изотопа применяются в металлургической, нефтеперерабатывающей, угольной и химической промышленности.
Еще одной сферой применения для этого металла является медицина. Здесь он выступает в роли целителя, уничтожающего своими лучами нездоровые ткани организма. Крупица калифорния, расположенная в кончике тоненькой иглы, при введении в ткани разрушает все атипичные клетки. Ввиду низкой скорости пробега нейтронов здоровые участки тела не подвергаются облучению. Нейтронная радиохирургия – это современный и уже опробованный метод лечения онкологических недугов.
Сегодня калифорний-252 исключительно редкий металл. Но у него большое будущее. Каждый работающий реактор способен со временем накапливать сырье, которое может стать исходным для его производства. Это и плутоний, и кюрий, и другие более легкие изотопы калифорния, которые в конечном итоге превращаются в калифорний-252.
Самый дорогой металл
Когда речь заходит о самом дорогом металле на нашей планете, многие представляют себе платину, родий или титан. На самом же деле, это далеко от правды.
Самым дорогим металлом, полученным химическим путем, является металл под названием Калифорний. Сходством со многими драгоценными металлами у Калифорния является белый цвет и серебристый отблеск, не более того.
Увидеть Калифорний воочию не удастся- вес исчисляется атомами.
Немного истории
Этот необычный металл открыл в 50х годах 20 века Гленн Сиборг. Изначально, невидимый (лишь несколько атомов) Калифорний получили в реакторах, в которых под воздействием нейтронов осуществляли расщепление радиоактивных элементов. Логично, что и полученный металл тоже является радиоактивным и возник он в результате четко направленной ядерной реакции.
Через 8 лет удалось получить химическое соединение Калифорния в более твердом состоянии.
Что же представляет из себя Калифорний?
Критическая масса — в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими.
Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей нейтронов может сильно уменьшить критическую массу.
252 изотоп Калифорния создают в лабораторных условиях, а точнее в защищенных ядерных реакторах, расщепляя продукты облученные радиоактивным плутонием, кюрием или нейтронами.
Калифорний-252 поддать распаду нереально. В результате преобразования, только 0,3% ядер плутония не распадается, поэтому для получения 1 грамма Калифорния требуется 10 кг плутония.
За год в мире получают до 100 микрограмм такого «концентрата энергии», как калифорний-252, а по некоторым оценкам, на нашей планете, его запас не превышает 5 грамм.
Калифорний-252 – самый дорогостоящий и научно важный металл. Его стоимость доходила до 27 миллионов долларов за 1 грамм.
Вопреки высокой стоимости, есть такие отрасли, в которых этот изотоп, а точнее его свойства являются во много раз ценней стоимости.
Где используют Калифорний?
Его активно применяют:
Кроме того, его излучение используют в таких сферах, как:
Применение в медицине
Несмотря на токсичность, его применяют в медицине, как источник целительного излучения, убивающего зараженные и больные ткани тела.
При введении малейшего его количества в ткани тела, разрушаются все атипичные клетки, при этом здоровые клетки облучению не поддаются.
Благодаря этим открытиям нейтронная радиохирургия стала реальным и опробованным способом лечения распространенных заболевания.
Самый дорогой металл на планете: сколько стоит, как получают и где используют?
Какой металл является самым дорогим на планете и когда его открыли?
Среди всех металлов есть настоящий рекордсмен, как по цене, так и по трудности добычи. Им является калифорний-252. На нашей планете имеется не более 10 грамм этого металла в чистом виде! Калифорний-252 был открыт и впервые получен в 50-х годах прошлого века, когда между США и СССР шла гонка технологий, а своим названием он обязан американским учёным.
Как получают Калифорний-252?
Металл получают путём бомбардировки кюрия и плутония потоками нейтронов. Процесс протекает в ядерном реакторе, а за время облучения происходят сложные ядерные трансформации элементов (плутоний-америций-кюрий-берклий-калифорний). Чтобы получить всего 1 грамм калифорния-252 нужно потратить около 10 килограммов радиоактивного плутония.
После завершения ядерных реакций, калифорний-252 получается не в чистом виде. Его сложные оксиды и соли необходимо восстановить до металла. Период полураспада элемента составляет чуть больше 2 лет. Это значит, что через этот срок останется лишь половина активных ядер.
Сколько стоит самый дорогой металл и где его производят?
Вышеописанный процесс невероятно сложно реализовать, а потому металл очень дорогой. Цена всего 1 грамма этого металла может доходить до 30 миллионов долларов! Получают калифорний-252 всего в двух местах на планете: в США (Окриджская национальная лаборатория) и в России (Димитровград, Научно-исследовательский институт атомных реакторов).
Где используют Калифорний-252?
Высокая цена калифорния-252 оправдана его уникальными свойствами. Изотоп спонтанно испускает мощнейший поток нейтронов. Это сопоставимо с таким же количеством излучения урана, который находится в рабочем реакторе. Металл может быть использован для первичного запуска ядерных реакторов, для исследования свойств материи и для широкого спектра физических исследований.
Калифорний-252 может быть применён для лечения онкологии. Мельчайший образец металла, испускающий медленные нейтроны, способен разрушать поражённые клетки. Также нейтронный анализ используют в неразрушающей диагностике предметов старины, для определения их возраста и подлинности.
Если статья была интересна, пожалуйста, поддержите лайком!
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые материалы.
