Kalifornijs

Kalifornijs
98	2; 8; 28; 32; 18; 8; 2
	Cf; [251] g/mol
	[Rn]5f107s2
Oksidēšanas pakāpes	+2, +3, +4
Elektronegativitāte	1,3
Blīvums	15 100 kg/m3
Kušanas temperatūra	1173 K (900 °C)

Kalifornijs ir mākslīgi radīts radioaktīvs aktinīdu grupas ķīmiskais elements ar simbolu Cf un atomskaitli 98. Tas ir sudrabaini balts metāls, kas periodiskajā tabulā atrodas starp berkliju un einšteiniju. Kalifornijs pirmo reizi iegūts 1950. gada februārī Kalifornijas Universitātē, Bērkli pilsētā, bombardējot kirija izotopus ar alfa daļiņām.^[1] Elementa nosaukums cēlies no Kalifornijas štata nosaukuma un universitātes, kur tas tika atklāts. Kalifornijam ir relatīvi maza aprēķinātā kritiskā masa (aptuveni 5 kg), kas teorētiski ļautu to izmantot maza izmēra kodolieroču izgatavošanā,^[2] taču šādam pielietojumam tā augstā radioaktivitāte un īsais pussabrukšanas periods padara to nepraktisku. Nelielos daudzumos to izmanto kodolreaktoros un kā spēcīgu pārvietojamu neitronu avotu, īpaši kodolrūpniecībā, medicīnā un materiālu analīzē.

Vēsture

Kalifornijs tika atklāts 1950. gada februārī Kalifornijas Universitātē, Bērkli pilsētā, Amerikas Savienotajās Valstīs.^[1] To sintezēja zinātnieku grupa, kuru vadīja Stenlijs Tompsons (Stanley G. Thompson), Alberts Giorso (Albert Ghiorso) un Glenns Sīborgs (Glenn T. Seaborg), bombardējot kirija (²⁴²Cm) izotopus ar alfa daļiņām (hēlija kodoliem) 60 collu ciklotronā.^[1] Reakcijas rezultātā izveidojās kalifornija-245 izotops, kas vēlāk tika identificēts kā jauns ķīmiskais elements. Elementa nosaukums ‘kalifornijs’ (californium) cēlies no Kalifornijas štata un Kalifornijas Universitātes nosaukuma, kur tas tika atklāts. Tas ir otrais elements, kura nosaukums ir saistīts ar kādu ģeogrāfisko vietu ASV (pirmais bija berklijs, kas nosaukts Bērkli pilsētas vārdā). Zinātnieki izvēlējās šo nosaukumu, lai godinātu universitāti, kas devusi būtisku ieguldījumu transurānu elementu atklāšanā un kodolķīmijas attīstībā.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Kalifornijs ir sudrabaini balts metāls, kas normālos apstākļos atrodas cietā agregātstāvoklī. Tas ir mīksts un kaļams, līdzīgi kā citi aktinīdi. Gaisā tas pakāpeniski apklājas ar oksīda slāni, kas samazina tā spīdumu.

Kalifornija blīvums ir aptuveni 15,1 g/cm³,^[3] kas ir līdzīgs dažu citu aktinīdu blīvumam. Tā kušanas temperatūra ir 900 °C.^[3] Daži avoti norāda, ka viršanas temperatūra nav eksperimentāli precīzi noteikta,^[3]^[4] jo elements sadalās augstā temperatūrā, kamēr citi avoti viršanas temperatūru min aptuveni 1470 °C.^[5] Šīs pretrunas var rasties no grūtībām precīzi izmērīt kalifornija viršanas temperatūru tā augstās radioaktivitātes un ierobežotā daudzuma dēļ.

Kalifornijs ir ļoti reaktīvs metāls, kas ātri oksidējas gaisā un reaģē ar skābekli, mitrumu un skābēm. Tas veido savienojumus ar dažādiem nemetāliem, piemēram, kalifornija oksīdu (Cf₂O₃) un kalifornija fluorīdu (CfF₃). Šim elementam ir dažādas oksidēšanās pakāpes, bet visstabilākā ir +3, kas raksturīgi arī citiem aktinīdiem. Kalifornijs veido ūdenī šķīstošus sāļus, piemēram, kalifornija hlorīdu (CfCl₃), kas ķīmiskos pētījumos var būt izmantojami.

Izotopi

Kalifornijs ir izteikti radioaktīvs elements, un tam ir zināmi vairāk nekā 20 izotopi, kuru masas skaitlis svārstās no 237 līdz 256. No tiem stabilākais ir kalifornijs-251, kura pussabrukšanas periods ir 898 gadi, taču visbiežāk izmantotais ir kalifornijs-252, kura pussabrukšanas periods ir 2,645 gadi. Kalifornijs-252 izstaro lielu daudzumu neitronu, tāpēc to izmanto kā neitronu avotu dažādās rūpniecības un medicīnas nozarēs, piemēram, to izmanto ātrās gamma neitronu aktivācijas analīzē (PGNAA), lai analizētu akmeņogles, cementu un minerālus, kā arī sprāgstvielu, mīnu un neeksplodējušas munīcijas noteikšanai un identifikācijai.^[6] Turklāt kalifornijs-252 tiek izmantots kā neitronu avots naftas urbumu izpētē, lai noteiktu urbumu potenciālo produktivitāti.^[7]

Izotopa ²⁴⁹Cf pussabrukšanas periods ir 351 gads, bet ²⁵⁰Cf — 13,08 gadi.^[8] Pārējo izotopu pussabrukšanas periods ir stipri mazāks.

Zemāk kā piemērs parādīta kalifornija izotopa ²⁵¹Cf sabrukšana. Tas vispirms alfa sabrukšanas rezultātā kļūst par kiriju (Cm), bet pēc tam kirijs atkārtoti alfa sabrukšanas rezultātā kļūst par plutoniju (Pu). Visbeidzot plutonijs bēta sabrukšanas rezultātā pārvēršas par amerīciju (Am).

\mathrm {^{251}_{\ 98}Cf\ {\xrightarrow[{898\ y}]{\alpha }}\ _{\ 96}^{247}Cm\ {\xrightarrow[{15{,}6\cdot 10^{6}\ y}]{\alpha }}\ _{\ 94}^{243}Pu\ {\xrightarrow[{4{,}956\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{243}Am}

Norādīti pussabrukšanas periodi: y — gadi, h — stundas.

Savukārt sabrūkot izotopam ²⁵²Cf, 96,908 % ir alfa sabrukšana, bet atlikušie 3,092 % ir spontāna skaldīšanās.^[9]

Iegūšana un sintēze

Kalifornijs ir mākslīgi sintezēts elements, un dabā tas nav sastopams.^[1] Tā iegūšana ir sarežģīts un ilgstošs process, kas prasa vairāku kodolreakciju virkni. Kaliforniju iegūst kodolsintēzes reakcijās, bombardējot kirija izotopus (Cm-242 vai Cm-244) ar alfa daļiņām (hēlija kodoliem) augstas enerģijas daļiņu paātrinātājos vai kodolreaktoros ilgstoši pakļaujot kiriju neitronu apstarojumam.

Kodolsintēzes process notiek šādi. Sākumā kirijs-242 vai kirijs-244 tiek ievietots augstas neitronu plūsmas reaktorā, kur tas pakāpeniski uztver neitronus un pārvēršas par smagākiem kirija izotopiem.^[4]^[7]^[10] Bēta sabrukšanas rezultātā iegūtie kirija izotopi pārvēršas berklijā (Bk-249), kas pēc tam uztver vēl vienu neitronu un sabrūk par kaliforniju-249. Turpmākajā neitronu absorbcijā kalifornijs-249 tālāk uztvert neitronus, veidojot citus kalifornija izotopus, piemēram, kaliforniju-252, kas ir praktiski nozīmīgākais izotops.

Tā kā kalifornija sintēze ir ārkārtīgi sarežģīta un laikietilpīga, to iegūst tikai dažās specializētās kodolpētniecības laboratorijās. Lielākais kalifornija ražotājs pasaulē ir Oukridžas Nacionālā laboratorija (Oak Ridge National Laboratory), kur kaliforniju sintezē augstas plūsmas izotopu reaktorā (HFIR).^[7]

Pēc sintēzes kalifornijs tiek ķīmiski attīrīts, izmantojot jonu apmaiņas hromatogrāfiju vai šķīdinātāju ekstrakciju, lai atdalītu to no citiem aktinīdiem un radioaktīvajiem piemaisījumiem.^[11] Tā kā iegūtie kalifornija daudzumi ir ļoti mazi (tikai daži miligrami gadā), attīrīšanas process ir rūpīgi kontrolēts un laikietilpīgs.

Atsauces

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 «Californium» (angļu). Encyclopedia Britannica. Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ «I. Key Nuclear Explosive Materials». isis-online.org (angļu). Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 «Californium». periodic-table.rsc.org (angļu). Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ ^4,0 ^4,1 G.P. Thomas. «Californium (Cf) - Discovery, Occurrence, Production, Properties and Applications of Californium» (angļu). AZO Materials. Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ «Californium». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (angļu). Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ "Production, distribution and applications of californium-252 neutron sources" (en). Appl Radiat Isot 53 (4-5): 785-92. 2000 Oct-Nov. doi:10.1016/s0969-8043(00)00214-1.
↑ ^7,0 ^7,1 ^7,2 «ORNL begins implementation of new californium-252 production contract» (angļu). Oak Ridge National Laboratory. Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ «Isotopes of the Element Californium» (angļu). Jefferson Lab. Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ Donald A. Hicks, John Ise, Jr., Robert V. Pyle (1 June, 1955). "Spontaneous-Fission Neutrons of Californium-252 and Curium-244". Physical Review 98 (5): 1521-1523. doi:10.1103/PhysRev.98.1521.
↑ «Complete Guide to Californium» (angļu). Frontier Technology. Skatīts: 2025. gada 9. februārī.
↑ Burns, Jonathan D.; Van Cleve, Shelley M.; Smith, Edward Hamilton; Boll, Rose Ann (30 novembris 2014). "Californium purification and electrodeposition". Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. doi:10.1007/s10967-014-3815-5.