Введение
химический элемент
Калифорний – синтетический химический элемент с символом Cf и атомным номером 98. Он был впервые синтезирован в 1950 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (ранее Калифорнийская радиационная лаборатория университета) путем бомбардировки курия альфа-частицами (ионами гелия-4). Это актинидный элемент, шестой синтезированный трансурановый элемент, обладающий второй по величине атомной массой среди всех элементов, произведенных в количествах, достаточных для видимости невооруженным глазом (после эйнштейния). Он назван в честь университета и штата Калифорния в США. При нормальном давлении существуют две кристаллические формы: одна – выше, другая – ниже. Третья форма существует при высоком давлении. Калифорний медленно тускнеет на воздухе при комнатной температуре. Соединения калифорния преимущественно находятся в степени окисления +3. Самым стабильным из двадцати известных изотопов калифорния является калифорний-251 с периодом полураспада 898 лет. Этот относительно короткий период полураспада означает, что элемент не встречается в значительных количествах в земной коре. 252Cf с периодом полураспада около 2,645 лет является наиболее распространенным используемым изотопом и производится в Национальной лаборатории Ок-Ридж в США и Научно-исследовательском институте атомных реакторов в России. Калифорний – один из немногих трансурановых элементов, имеющих практическое применение. Большинство этих применений основаны на способности определенных изотопов калифорния испускать нейтроны. Например, калифорний может использоваться для запуска ядерных реакторов, а также в качестве источника нейтронов при изучении материалов методами нейтронной дифракции и нейтронной спектроскопии. Он также применяется в ядерном синтезе более тяжелых элементов; оганесон (элемент 118) был синтезирован путем бомбардировки атомов калифорния-249 ионами кальция-48. Пользователи калифорния должны учитывать вопросы радиационной безопасности и способность элемента нарушать образование красных кровяных телец в результате биоаккумуляции в костной ткани.
Физические свойства
Калифорний — серебристо-белый актинидный металл с температурой плавления и расчетной температурой кипения. Чистый металл ковкий и легко разрезается бритвенным лезвием. Металлический калифорний начинает испаряться при воздействии вакуума при температуре выше . Ниже калифорний проявляет либо ферромагнитные, либо ферримагнитные свойства (действует как магнит), в диапазоне от 48 до 66 К он становится антиферромагнитным (находясь в промежуточном состоянии), а выше — парамагнитным (внешние магнитные поля способны намагничивать его). Он образует сплавы с лантаноидами, однако мало что известно о свойствах получаемых материалов. При стандартном атмосферном давлении элемент существует в двух кристаллических формах: двойной гексагональной плотноупакованной форме, обозначенной как альфа (α), и гранецентрированной кубической форме, обозначенной как бета (β). Форма α стабильна при температурах ниже 600–800 °C и имеет плотность 15,10 г/см³, а форма β стабильна при температурах выше 600–800 °C и имеет плотность 8,74 г/см³. При давлении 48 ГПа β-форма переходит в орторомбическую кристаллическую систему из-за делокализации 5f-электронов атома, что позволяет им участвовать в образовании связей. Объемный модуль упругости характеризует сопротивление материала равномерному сжатию. Объемный модуль калифорния составляет 50, что сопоставимо со значениями для трехвалентных лантаноидов, но меньше, чем у более распространенных металлов, таких как алюминий (70 ГПа).
Возникновение
Следы калифорния можно обнаружить вблизи предприятий, использующих этот элемент для геологоразведки и в медицинских целях. Элемент довольно плохо растворим в воде, но хорошо удерживается обычной почвой, и его концентрация в почве может быть в 500 раз выше, чем в воде, окружающей частицы почвы. Ядерные осадки от атмосферных испытаний ядерного оружия до 1980 года внесли небольшой вклад в содержание калифорния в окружающей среде. Калифорний не является основным радионуклидом на объектах наследия Министерства энергетики США, поскольку он не производился в больших количествах. Однако последующие исследования не выявили спектров калифорния, и в настоящее время считается, что кривые блеска сверхновых обусловлены распадом никеля-56. Трансурановые элементы от америция до фермия, включая калифорний, естественным образом встречались в природном ядерном реакторе в Окло, но в настоящее время там не обнаруживаются. Спектральные линии калифорния, вместе с линиями нескольких других непервичных элементов, были обнаружены в Звезде Прибыльского в 2008 году.
Приложения
Калифорний-252 имеет ряд специализированных применений как мощный источник нейтронов; он производит 139 миллионов нейтронов на микрограмм в минуту. Нейтроны калифорния используются для лечения определенных видов рака шейки матки и головного мозга, когда другие методы лучевой терапии неэффективны. Он применяется в образовательных целях с 1969 года, когда Технологический институт Джорджии получил в долг 119 мкг 252Cf из Саванна-Ривер. Он также используется с онлайн-анализаторами элементарного состава угля и анализаторами объемных материалов в угольной и цементной промышленности. Проникающая способность нейтронов делает калифорний полезным в детекторах, таких как сканеры топливных стержней; нейтронная радиография самолетов и компонентов вооружений для обнаружения коррозии, некачественных сварных швов, трещин и задержавшейся влаги; а также в портативных металлодетекторах. Нейтронные влагомеры используют 252Cf для поиска слоев воды и нефти в нефтяных скважинах, в качестве портативного нейтронного источника для геологоразведки золота и серебра с проведением анализа на месте, и для обнаружения движения подземных вод. Основными областями применения 252Cf в 1982 году были запуск реакторов (48,3%), сканирование топливных стержней (25,3%) и активационный анализ (19,4%). К 1994 году большая часть 252Cf использовалась в нейтронной радиографии (77,4%), при этом сканирование топливных стержней (12,1%) и запуск реакторов (6,9%) оставались важными, но второстепенными областями применения. В 2021 году быстрые нейтроны от 252Cf были использованы для беспроводной передачи данных. 251Cf имеет очень малую расчетную критическую массу, около , высокую летальность и относительно короткий период токсичного облучения окружающей среды. Низкая критическая масса калифорния привела к некоторым преувеличенным утверждениям о возможных применениях этого элемента. В октябре 2006 года исследователи объявили об идентификации трех атомов оганесона (элемент 118) в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, Россия, в результате бомбардировки 249Cf ядрами кальция-48, что сделало его самым тяжелым элементом, когда-либо синтезированным. Мишень содержала около 10 мг 249Cf, нанесенных на титановую фольгу площадью 32 см². Калифорний также использовался для получения других трансурановых элементов; например, лоуренсий был впервые синтезирован в 1961 году путем бомбардировки калифорния ядрами бора.
Меры предосторожности
Калифорний, накапливающийся в костной ткани, излучает радиацию, нарушающую способность организма формировать красные кровяные тельца. Этот элемент не выполняет никакой естественной биологической функции в организмах из-за его высокой радиоактивности и низкой концентрации в окружающей среде. Калифорний может попадать в организм с загрязненной пищей или водой, а также при вдыхании воздуха, содержащего частицы этого элемента. Попав в организм, лишь 0,05% калифорния достигает кровотока. Примерно 65% этого калифорния откладывается в скелете, 25% – в печени, а остальное распределяется по другим органам или выводится, главным образом, с мочой. Половина калифорния, отложившегося в скелете и печени, выводится за 50 и 20 лет соответственно. Калифорний в скелете адгезирует к костной поверхности, прежде чем медленно распространяться по кости. Наибольшую опасность элемент представляет при попадании внутрь организма. Кроме того, калифорний-249 и калифорний-251 могут вызывать повреждение тканей при внешнем воздействии посредством гамма-излучения. Ионизирующее излучение, испускаемое калифорнием в костях и печени, может приводить к развитию рака.