«Кюрий — неуловимый элемент. Это один из самых тяжелых из известных элементов, но он не встречается в природе, потому что все его изотопы радиоактивны и быстро распадаются в геологической временной шкале», — сказал ведущий автор исследования Франсуа Тиссо, Калифорния.
PhD’15, теперь WO Кросби, научный сотрудник Массачусетского технологического института.И все же Тиссо и его соавторы, Николас Дауфас и Лоуренс Гроссман из Калифорнийского университета в Чикаго, нашли доказательства наличия кюрия в необычном керамическом включении, которое они назвали «Любопытная Мари», взятом из углеродистого метеорита. Курий вошел в состав включения, когда он конденсировался из газового облака, которое сформировало Солнце в начале истории Солнечной системы.
И Curious Marie, и curium названы в честь Марии Кюри, новаторская работа которой заложила основу теории радиоактивности. Кюрий был открыт только в 1944 году Гленном Сиборгом и его сотрудниками из Калифорнийского университета в Беркли, которые, бомбардируя атомы плутония альфа-частицами (атомами гелия), синтезировали новый, очень радиоактивный элемент.Чтобы химически и однозначно идентифицировать этот новый элемент, Сиборг и его сотрудники изучили энергию частиц, испускаемых во время его распада в Металлургической лаборатории в Калифорнийском университете в Чикаго (которая позже стала Аргоннской национальной лабораторией).
Изотопом, который они синтезировали, был очень нестабильный кюрий-242, который распадается за период полураспада 162 дня.Сегодня на Земле кюрий существует только тогда, когда он производится в лабораториях или как побочный продукт ядерных взрывов. Однако курий мог присутствовать в начале истории Солнечной системы как продукт массивных звездных взрывов, произошедших до рождения Солнечной системы.«Возможное присутствие кюрия в ранней солнечной системе давно волновало космохимиков, потому что они часто могут использовать радиоактивные элементы в качестве хронометров для определения относительного возраста метеоритов и планет», — сказал соавтор исследования Николас Дауфас, профессор Луи Блока из Калифорнийского университета в Чикаго. в геофизических науках.
Действительно, самый долгоживущий изотоп кюрия (247Cm) со временем распадается на изотоп урана (235U). Следовательно, минерал или скала, образовавшаяся в начале Солнечной системы, когда существовало 247 см, включали бы больше 247 см, чем аналогичный минерал или порода, которые образовались позже, после того, как 247 см распались.
Если бы ученые проанализировали эти два гипотетических минерала сегодня, они бы обнаружили, что более старый минерал содержит больше 235U (продукт распада 247Cm), чем более молодой минерал.«Идея достаточно проста, но на протяжении почти 35 лет ученые спорят о наличии 247Cm в ранней Солнечной системе», — сказал Тиссо.Ранние исследования 1980-х годов обнаружили большие избытки 235U во всех проанализированных метеоритных включениях и пришли к выводу, что кюрий был в большом количестве, когда образовалась Солнечная система.
Более точные эксперименты, проведенные Джеймсом Ченом и выпускником Калифорнийского университета Джеральдом Вассербургом, SB’51, SM’52, PhD’54, в Калифорнийском технологическом институте показали, что эти ранние результаты были ложными и что если кюрий присутствовал в ранней солнечной системе , его численность была настолько низкой, что современные приборы не смогли бы его обнаружить.Ученым пришлось подождать, пока не будет разработан новый, более производительный масс-спектрометр, чтобы в 2010 году успешно идентифицировать крошечные избытки 235U, которые могли быть дымящимся пистолетом для присутствия 247Cm в ранней Солнечной системе.«Это был важный шаг вперед, но проблема в том, что эти эксцессы были настолько малы, что их могли произвести другие процессы», — отмечает Тиссо.
Модели предсказывают, что кюрий, если он присутствовал, был в небольшом количестве в ранней Солнечной системе. Следовательно, избыток 235U, образующийся при распаде 247Cm, нельзя увидеть в минералах или включениях, которые содержат большие или даже средние количества природного урана.
Таким образом, одна из проблем заключалась в том, чтобы найти минерал или включение, которое могло включать много кюрия, но мало урана.С помощью соавтора исследования Лоуренса Гроссмана, почетного профессора геофизических наук Калифорнийского университета в Чикаго, команда смогла идентифицировать и определить конкретный вид метеоритных включений, богатых кальцием и алюминием. Известно, что эти CAI (включения, богатые кальцием, алюминием) имеют низкое содержание урана и, вероятно, имеют высокое содержание кюрия.
Одно из этих включений — Любопытная Мари — содержало крайне низкое количество урана,«Именно в этом образце мы смогли устранить беспрецедентное превышение 235U», — сказал Tissot. «Все природные образцы имеют схожий изотопный состав урана, но уран в Curious Marie содержит на шесть процентов больше 235U, и это открытие можно объяснить только живыми 247Cm в ранней Солнечной системе».Благодаря этому образцу исследовательская группа смогла рассчитать количество кюрия, присутствующего в ранней солнечной системе, и сравнить его с количеством других тяжелых радиоактивных элементов, таких как йод-129 и плутоний-244.
Они обнаружили, что все эти изотопы могли быть произведены вместе с помощью одного процесса в звездах.«Это особенно важно, потому что это указывает на то, что по мере того, как последовательные поколения звезд умирают и выбрасывают созданные ими элементы в галактику, самые тяжелые элементы производятся вместе, в то время как предыдущие исследования предполагали, что это не так», — объяснил Дауфас.
Обнаружение природного кюрия в метеоритах Тиссо и сотрудниками замыкает петлю, открытую 70 лет назад открытием искусственного курия, и обеспечивает новое ограничение, которое разработчики моделей теперь могут включить в сложные модели звездного нуклеосинтеза и галактической химической эволюции. далее понять, как такие элементы, как золото, были созданы в звездах.