РАДИОХИМИЯ, 2022, том 64, № 4, с. 370-376

УДК 546.798.28:546.59

СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ

АМЕРИЦИЯ С ЗОЛОТОМ

Научно-исследовательский институт атомных реакторов,

433510, Димитровград Ульяновской обл., Западное шоссе, д. 9

*e-mail: taticher@mail.ru

Поступила в редакцию 02.09.2021, после доработки 06.12.2021, принята к публикации 13.12.2021

Впервые получены образцы сплавов ²⁴¹Am с золотом. Сплавы получали методом конденсации паров

металлического америция на плоскую подложку из золота. Приведены результаты рентгенографического

анализа фазового состава полученных сплавов. Обнаружены ранее не известные интерметаллические

соединения Am с Au: AmAu₆ (тетрагональная решетка, пространственная группа P4₂/ncm), AmAu

(орторомбическая решетка, пространственная группа Pnma), AmAu (гранецентрированная кубическая

решетка). Рассчитаны параметры этих кристаллических решеток. Исследовано влияние α-распада

²⁴¹Am на кристаллические структуры интерметаллидов.

Ключевые слова: америций-241, золото, интерметаллиды, метод конденсации паров,

рентгенографический метод, α- распад, кристаллическая решетка.

DOI: 10.31857/S0033831122040049, EDN: FRMEZF

Практическое использование америция, как и

щей перегонкой металлического америция с кон-

других ТПЭ, сдерживается, в частности, малой изу-

денсацией его паров на подложку из золота.

ченностью его способности к сплавообразованию с

Процесс проводили в высоком вакууме, условия

другими металлами. Химическая инертность и тех-

получения образцов указаны в табл. 1. Аппаратура

нологичность, свойственные благородным метал-

и способ получения металлического америция,

лам, позволяют рассматривать их как перспектив-

устройство для его испарения и конденсации опи-

ные материалы, на основе сплавов которых могут

саны в работах [3, 4].

быть созданы удобные в эксплуатации источники

Содержание ²⁴¹Am в образцах определяли α- и

ионизирующих излучений.

γ-спектрометрическим методами сравнением с эта-

Данная работа является продолжением мно-

лоном.

голетнего цикла работ по исследованию спла-

Образцы сплавов исследовали рентгенов-

вов и соединений ТПЭ с другими элементами

ским дифрактометрическим методом (дифрак-

Периодической системы. В ней приведены первые

тометр ДРОН-3М) при комнатной температу-

данные по получению образцов сплавов ²⁴¹Am с зо-

ре. Использовали отфильтрованное (Ni-фильтр)

лотом и результатам их исследования рентгеногра-

немонохроматизированное

излучение

CuK_α.

фическим методом.

Рентгенограммы записывали по точкам с шагом

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Таблица 1. Условия получения образцов Am-Au

Условия

Масса Am в образце,

Используемый в эксперименте металлический

Образец

получения

мг

Am (период полураспада 433.2 года) получали ме-

Т, °С

τ, мин^а

тодом лантанотермического восстановления ок-

1400

0.140

сида ²⁴¹Am с одновременной конденсацией паров

1100

2.5

0.053

америция на плоскую подложку из тантала [1, 2].

1250

0.079

Образцы сплавов Au с ²⁴¹Am получали последую- а_{τ - время выдержки образца при заданной температуре.}

370

СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ АМЕРИЦИЯ С ЗОЛОТОМ

371

I, имп/с

Для образца 1 были записаны рентгенограммы

1500

исходной подложки из золота и рентгенограммы

1000

образца после напыления Am через 1, 7 и 75 сут

500

(рис. 1). Рентгенограмма подложки содержала

обычный набор рефлексов ГЦК решетки золота

1500

AA AA

(а = 4.08 Å), однако интенсивности ряда рефлексов

1000

AA AA

были сильно искажены, по-видимому, вследствие

500

текстурированности образца.

ÅÅ

Рентгенограмма свежеприготовленного образ-

1500

ца 1 содержала свыше 40 рефлексов различной ин-

1000

тенсивности, из которых 9 рефлексов были уверен-

500

AA AA

но отнесены к ГЦК решетке золота. Следует отме-

100

тить, что после термической обработки в процессе

2θ, град

напыления Am рефлексы металлического Au при-

Рис. 1. Рентгенограммы образца 1: 1 - исходная зо-

обрели обычную интенсивность, характерную для

лотая фольга, 2 - через 1 сут после напыления Am,

мелкодисперсного нетекстурированного образца.

3 - после 75 сут выдержки. Au - рефлексы фазы

В дальнейшем наблюдение динамики изменения

золота, АА - фаза содержащая, Am-Au.

углового положения и интенсивности остальных

0.02°, экспозицией 2 с и записью в цифровой форме

рефлексов позволило сделать вывод, что большая

(имп/с). Начальную обработку рентгенограмм про-

их часть (30 рефлексов) принадлежат фазе, содер-

водили с использованием специального программ-

жащей Au и Am. За 75 дней выдержки при комнат-

ного комплекса. Угловое положение рефлексов

ной температуре число рефлексов этой фазы умень-

корректировали по рефлексам кубической решетки

шилось примерно в четыре раза (рис. 1). При этом

алмаза, наносимого тонким слоем на поверхность

большинство рефлексов, имевших первоначально

образца при каждой съемке.

высокую интенсивность, стали слабыми, а их угло-

Для расчета параметров кристаллических ре-

вое положение изменилось в сторону уменьшения

углов рассеяния 2θ. Это свидетельствует о распуха-

шеток (ПКР) фаз, идентифицированных на рент-

нии кристаллической решетки фазы и ее постепен-

генограммах, использовали аналитический способ

ной рентгеноаморфизации. Последняя возможна

экстраполяционного нахождения точных значений

только при наличии в составе фазы источника ради-

ПКР, основанный на методе наименьших квадра-

ационных повреждений (нуклида ²⁴¹Am).

тов, и математическую модель множественной ре-

Высокотемпературный режим получения образ-

грессии.

цов и высокая скорость охлаждения зачастую при-

Для идентификации кристаллических решеток

водит к образованию неравновесных фаз. При по-

и соответствующих им фаз (соединений) исполь-

следующей выдержке и/или отжиге такие фазы пе-

зовали картотеку ASTM [5] и компьютерный банк

реходят в более термодинамически устойчивые со-

данных по кристаллическим структурам неоргани-

единения. После длительного хранения (~300 сут)

ческих материалов.

образец 1 отожгли в вакууме в течение 30 мин при

температуре 800°С. На полученной рентгенограмме

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

(в дальнейшем будем ее называть рентгенограммой

Расшифровку всех рентгенограмм начинали с

образца 1), зафиксировали 37 рефлексов (табл. 2).

выделения рефлексов ГЦК решетки металличе-

Наиболее интенсивные рефлексы принадлежали

ского золота. Расчетный параметр решетки данной

ГЦК решетке Au (а = 4.08(1) Å). Угловое положение

структуры соответствует в пределах ошибки лите-

остальных рефлексов сильно отличалось от исход-

ратурному значению a = 4.079(1) Å [5]. Такой ре-

ной рентгенограммы, замечено появление новых

зультат свидетельствует о нерастворимости амери-

рефлексов. Следовательно, длительная выдержка

ция в ГЦК решетке золота.

данного образца при комнатной температуре и его

РАДИОХИМИЯ том 64 № 4 2022

372

РЯБИНИН и др.

Таблица 2. Расшифровка рентгенограммы образца 1^а

hkl

θ_эксп, град

d, Å

θ_расч, град

max

AmAu₆

AmAu

Am₂O₃

30.90

2.891

0.05

203

30.81

31.66

2.824

0.19

302

310 н

31.68

32.85

2.724

0.18

312

32.86

33.74

2.654

0.12

213

33.70

34.36

2.608

2.09

211

34.39

36.79

2.441

0.48

411

36.79

37.05

2.424

1.33

004

36.99

38.20

2.354

100

111

38.20

39.28

2.292

1.10

402

301 н

39.28

40.26

2.238

2.32

412

40.26

41.05

2.197

0.21

204

40.99

41.93

2.153

0.21

323

313-н

41.92

44.37

2.040

0.81

200

44.40

46.40

1.955

0.09

333

220 н

46.44

47.54

1.911

0.07

432

47.53

59.28

1.557

0.13

622

59.31

61.28

1.511

0.13

613

023 н

61.29

63.41

1.466

0.15

306 н

006

63.41

64.11

1.451

0.15

543

131 н

64.13

64.59

1.442

0.50

220

64.59

66.09

1.413

0.08

721

230 н

620 н

66.09

68.42

1.370

0.10

722

114 н

68.44

68.91

1.361

0.49

416

204 н

68.90

69.58

1.350

0.09

715

69.58

70.25

1.339

0.07

553

70.28

70.90

1.328

0.06

426

70.92

72.47

1.303

0.16

214

72.40

77.58

1.230

5.77

311

77.58

80.10

1.197

0.10

743

80.07

81.75

1.177

8.78

222

81.73

85.09

1.139

0.17

911 н

602 н

330

85.06

87.00

1.119

0.04

636 н

115 н

11.1.2

87.00

110.81

0.936

0.43

331

110.82

115.26

0.912

0.70

420

115.26

^аЗдесь и далее: все значения 2θ_эксп приведены в пересчете на излучение CuK_α1 ( = 1.5405 Å). Все значения 2θ_расч приведены по

результатам расчета ПКР на ПЭВМ. I_max - интенсивность рефлексов на рентгенограммах. Буквой «н» обозначено наложение

рефлекса данной решетки на более интенсивный рефлекс другой решетки. d - межплоскостное расстояние.

РАДИОХИМИЯ том 64 № 4 2022

СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ АМЕРИЦИЯ С ЗОЛОТОМ

373

Таблица 3. Расчетные параметры кристаллических решеток, обнаруженных на рентгенограммах полученных

образцов системы Am-Au^а

Параметры решетки

Образец

Фаза

Решетка

t, сут

a, Å

в, Å

с, Å

β, град

V, Å³

ГЦК

4.0786(7)

1.5

AmAu₆

Тетр

10.3894(7)

9.7036(7)

1047.4(2)

0.2

(P4₂/ncm)

AmAu

Ортр

7.402(2)

4.564(1)

5.826(1)

196.8(1)

0.5

(Pnma)

Am₂O₃

Мнкл

14.378(4)

3.521(1)

8.927(1)

100.19(1)

444.8(3)

0.4

(C2/m)

ГЦК

4.0778(5)

0.9

AmAu

ГЦК

4.784(2)

7.2

Am₂O₃

Мнкл

14.54(7)

3.562(6)

9.01(2)

100.24(7)

459.2(4.1)

3.2

(C2/m)

ГЦК

4.079(1)

7.5

197

4.078(2)

5.7

ДГПУ

3.465(1)

11.253(2)

117.0(1)

2.2

197

3.474(1)

11.258(2)

117.7(1)

3.0

Am₂O₃

Мнкл

14.42(1)

3.510(2)

8.900(3)

100.37(4)

443.1(7)

7.3

(C2/m)

197

14.431(6)

3.506(2)

8.908(2)

100.37(3)

443.3(6)

1.6

AmAu

ГЦК

4.786(3)

5.4

197

^а В столбце «Решетка» в скобках указана пространственная группа. Сокращения: ГЦК - гранецентрированная кубическая, Тетр -

тетрагональная, Ортр - орторомбическая, Мнкл - моноклинная, ДГПУ - двойная гексагональная плотноупакованная. τ - время

выдержки образца при комнатной температуре. n - число рефлексов в расчетном наборе. V - объем элементарной ячейки кри-

сталлической решетки. F - обобщенный критерий, показывающий степень соответствия экспериментальных данных расчетной

модели: чем меньше F, тем выше степень соответствия.

последующий отжиг привели к перекристаллиза-

по аналогии с известными интерметаллическими

ции образца.

соединениями РЗЭ (рис. 2), и орторомбическую

Идентификацию предполагаемых интерметал-

структуру пространственной группы Pnma, интер-

лидов Am-Au проводили методом, ставшим тра-

претированную как AmAu по аналогии с извест-

диционным при идентификации новых соедине-

ными интерметаллическими соединениями РЗЭ

ний ТПЭ с другими элементами Периодической

(рис. 3). Параметры кристаллических решеток фаз,

системы, а именно, сравнением наборов межпло-

обнаруженных в образце 1, представлены в табл. 3.

скостных расстояний и интенсивностей рефлексов

Помимо выше указанных решеток, на рентгено-

известных соединений лантанидов и актинидов с

грамме присутствуют рефлексы моноклинной ре-

данными, полученными на рентгенограмме иссле-

шетки В-формы Am₂O₃, объем которой соответству-

дуемого образца, при этом учитывая разницу ме-

ют литературному значению (V =

444.1(2) Å³ [3])

таллических радиусов лантанидов и америция. В

(табл. 3).

системе лантаниды-Au известно 27 структурных

Рефлексы, зафиксированные на исходной рент-

типов интерметаллидов, в основном это сложные,

низкой симметрии (некубические) структуры [5]. В

генограмме образца 2, имели очень слабые интен-

результате такого анализа образца 1 удалось выя-

сивности. Удалось зафиксировать 25 рефлексов,

вить тетрагональную структуру пространственной

принадлежащих: ГЦК решетке Au, ГЦК решет-

группы P4₂/ncm, интерпретированную как AmAu₆

ке с параметром ~4.874(2) Å и моноклинной ре-

РАДИОХИМИЯ том 64 № 4 2022

374

РЯБИНИН и др.

8.0

10.5

Sm Nd Ce

a, Å

Ho Tb

7.5

c, Å

10.3

7.0

6.5

10.1

Sm Nd Ce

6.0

c, Å

9.9

5.5

Ho Tb

5.0

9.7

a, Å

Sm Nd Ce

b, Å

4.5

9.5

4.0

1.70

1.74

1.76

1.78

1.80

1.82

1.70

1.75

1.80

1.85

1.90

1.95

Металлический радиус, Å

Рис. 2. К идентификации интерметаллида AmAu6 по дан-

Рис. 3. К идентификации интерметаллида AmAu по дан-

ным для Sm, Gd, Tb, Ho.

ным для La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb.

шетке пространственной группы C2/m Am₂O₃.

рентгенограмме через ~255 сут никаких рефлек-

Объем элементарной ячейки моноклинной решет-

сов, кроме рефлексов ГЦК решетки Au и отдельных

ки полуторного оксида америция В-формы Am₂O₃

рефлексов полуторного оксида америция, не обна-

(табл. 3) несколько превышает справочное значе-

ружено. Расшифровка исходной рентгенограммы

ние 444.1(2) Å³ [5]. Это можно объяснить малым

образца 2 представлена в табл. 4.

количеством рефлексов, недостаточным для расчета

На основании полученных результатов сделано

параметров моноклинной решетки. На повторной предположение, что ГЦК фаза с параметром a =

Таблица 4. Расшифровка исходной рентгенограммы образца 2

hkl

θ_эксп, град

d, Å

I_max,%

θ_расч, град

AmAu

Am₂O₃

31.56

2.832

1.09

310

31.59

32.42

2.759

0.18

111

112-н

32.40

36.72

2.445

0.40

37.54

2.394

6.44

200

37.58

37.96

2.368

4.09

600

37.95

38.12

2.359

9.15

111

38.14

39.83

2.261

2.46

43.09

2.097

0.36

44.34

2.041

100

200

44.34

51.51

1.773

0.11

020

51.51

52.47

1.742

0.40

404

52.47

53.63

1.707

0.36

220 н

405

53.63

57.63

1.598

0.22

62.01

1.495

0.76

64.55

1.442

11.65

220

311 н

64.54

68.84

1.363

0.18

77.56

1.230

11.25

311

77.56

78.73

1.214

0.18

80.21

1.196

0.33

400

80.19

81.68

1.178

1.77

222

81.68

86.07

1.129

0.29

98.11

1.020

9.95

400

98.11

110.82

0.936

10.78

331

110.82

113.55

0.921

0.22

511

113.55

115.25

0.912

1.70

420

115.25

РАДИОХИМИЯ том 64 № 4 2022

СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ АМЕРИЦИЯ С ЗОЛОТОМ

375

Таблица 5. Расшифровка исходной рентгенограммы образца 3

θ_эксп,

hkl

max

d, нм

θ_расч, град

град

имп/с

Am₂O₃

AmAu

22.34

3.976

0.12

202

- н

22.46

26.38

3.376

127

0.33

26.13

28.62

3.116

973

2.55

111

28.65

28.87

3.090

582

1.52

401

28.95

29.88

2.987

591

1.55

100 н

402

- н

30.08

30.84

2.897

0.20

101

003 н

30.81

31.78

2.813

38192

100

004

310 н

31.78

32.37

2.764

241

0.63

111

32.45

33.83

2.648

248

0.65

102

33.83

34.45

2.601

0.08

36.45

2.463

0.06

37.68

2.385

3259

8.53

200 н

37.72

38.28

2.349

815

2.13

111

103 н

600 н

38.22

39.51

2.279

0.03

39.90

2.258

0.13

40.20

2.241

0.19

40.16

41.78

2.160

0.02

41.83

44.09

2.052

178

0.47

104

44.09

44.38

2.039

673

1.76

200

44.41

45.59

1.988

172

0.45

45.77

50.67

1.800

0.04

105

801

- н

50.66

52.82

1.732

0.05

110

52.79

53.75

1.704

0.08

53.78

54.22

1.690

0.03

603 н

220 н

54.19

55.61

1.651

155

0.41

513

55.72

59.32

1.557

157

0.41

59.21

59.81

1.545

0.25

712

59.84

62.18

1.492

225

0.59

62.13

64.17

1.450

0.03

202

64.19

64.59

1.442

145

0.38

220

311 н

64.60

66.14

1.412

114

0.30

65.95

66.43

1.406

7031

18.41

008

620 н

66.40

69.68

1.348

260

0.68

715

69.77

71.11

1.325

0.04

204 н

71.10

77.57

1.230

0.25

311

424 н

77.57

82.00

1.174

0.08

81.94

89.14

1.098

0.03

207 н

331 н

89.08

90.46

1.085

0.03

213

226 н

90.46

93.77

1.055

0.07

93.82

95.86

1.038

0.05

95.89

97.26

1.026

0.04

208

1401

-н

97.28

98.13

1.020

0.12

400

98.12

101.38

0.996

0.03

408 н

101.39

107.77

0.953

1347

3.53

107.64

РАДИОХИМИЯ том 64 № 4 2022

376

РЯБИНИН и др.

Таблица 5. (Продолжение)

θ_эксп,

I_max

hkl

d, нм

θ_расч, град

град

имп/с

Am₂O₃

AmAu

110.47

0.938

1300

3.40

0 0 12

110.44

114.14

0.918

0.04

114.18

115.24

0.912

0.08

420

115.24

4.874(2) Å в результате α-распада ²⁴¹Am рентгено-

Выявленная структура металлического Am

аморфизуется. Поиск структурного аналога по из-

(ДГПУ решетка) имеет ярко выраженную тексту-

вестным базам данных для ГЦК-фазы с близким по

ру, связанную с усилением рефлексов типа 00l, а

значению параметром среди лантанидов и актини-

именно 004, 008, 0.0.12. В интервале 1-197 сут си-

дов с золотом не принес положительного результа-

туация не изменилась, текстура ДГПУ решетки по

та. Расширив область поиска структурного аналога,

оси (00l) сохранилась. Расчетные параметры ДГПУ

обнаружили аналогичную ГЦК решетку ThAg [5]

решетки металлического Am в пределах расчетной

с параметром а = 4.80 Å в системе лантаниды, ак-

ошибки соответствуют теоретическому значению и

тиниды-Ag, которую и выбрали в качестве аналога

за 197 сут существенно не изменились.

для идентификации интерметаллида AmAu. Золото,

серебро, медь являются элементами первой группы

В дальнейшем наблюдение динамики измене-

Периодической системы. При анализе известных

ния углового положения и интенсивности осталь-

соединений лантанидов и актинидов с этими эле-

ных рефлексов позволило сделать вывод, что они

ментами замечено сходство в структурных типах,

относятся к фазе, содержащей Au и Am. В резуль-

атомном соотношении и параметрах кристалличе-

тате анализа известных соединений лантанидов и

ской решетки, из этого сделано предположение о

первых актинидов с золотом удалось выявить ГЦК

возможности существования интерметаллида сте-

решетку, интерпретированную как AmAu (аналог

хиометрического состава AmAu, имеющего ГЦК

ГЦК решетки ThAg [5]).

решетку.

Расчетные параметры кристаллических реше-

ток, обнаруженных на исходной рентгенограмме

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

образца 2, представлены в табл. 3.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта ин-

Рентгенограммы образца 3 записывали через 1

тересов.

и 197 сут после его получения. На исходной рент-

генограмме зафиксировано 48 рефлексов (табл. 5),

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

из них в полном объеме представлена ГЦК решетка

Au, наиболее интенсивные рефлексы принадлежат

1. Johnson K.W.R., Leary J.A. Preparation of Americium

ДГПУ решетке металлического Am, многочислен-

Metal. Los Alamos Scientific Laboratory of the

ные рефлексы соответствуют моноклинной решет-

University of California, 1964. Vol. 2992.

Wade W.Z., Wolf T. J. Inorg. Nucl. Chem. 1967. Vol. 29,

ке В-формы Am₂O_3. Расчетные параметры обнару-

N 10. P. 2577-2587.

женных кристаллических решеток соответствуют

Радченко В. М. и др. указать всех // Радиохимия.

в пределах ошибки литературным значениям [5].

2006. Т. 48, №. 4. С. 294-296.

Кроме того, удалось зафиксировать рефлексы ГЦК

Радченко В.М., Рябинин М.А., Топоров Ю.Г.

решетки, интерпретированной как AmAu. На по-

Металловедение трансплутониевых металлов.

вторной рентгенографической съемке зафиксиро-

Димитровград: НИИАР, 2009. 200 с.

вано 37 рефлексов, замечено уменьшение интен-

X-Ray Diffraction Data Cards. Philadelphia: Joint

сивности отдельных рефлексов, а также смещение

Committee on Powder Diffraction Standards, Am. Soc.

значений θ в сторону меньших углов.

for Testing Materials (ASTM), 1999 and other years.

РАДИОХИМИЯ том 64 № 4 2022