Элементиада

Вакулка А.А.
(«ХиЖ», 2014, №10)

Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает.

Д.И.Менделеев


Элементиада.JPGМенделеев, располагая элементы в соответствии с атомными весами, сделал свое открытие, не ведая об истинной природе периодичности. Строение атома и его ядра было установлено намного позже и показало, что периодичность на самом деле связана с зарядом. С тех пор изменилось не только понимание периодичности, но и количество элементов в Периодической системе. Казалось бы, Периодической системе элементов Менделеева не должно быть предела. Так это или нет, пока неизвестно. Можно лишь с уверенностью утверждать, что если предел существует, то он еще не достигнут.


Элемент, атом, изотоп

Элемент — это фундаментальная с точки зрения химии, то есть не разложимая химическими методами на составные части, основа всех окружающих нас веществ. Атом же состоит из других частиц — положительно заряженных протонов p+ и не имеющих заряда нейтронов n0. Заряд ядра (сорт атомов) и, стало быть, его место в Периодической системе зависят от того, сколько в нем протонов. Масса покоя нейтрона почти такая же, как и протона, следовательно, в ядре атома одного и того же элемента должно быть фиксированное число протонов, но может быть различное число нейтронов, что сказывается на его массе. Атомы, различающиеся числом нейтронов, называются изотопами, которые бывают стабильными и нестабильными в зависимости от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре. Стабильны обычно ядра, в которых нейтронов и протонов поровну, а чем сильнее их соотношение отличается от единицы в ту или другую сторону, тем меньше стабильность. Вследствие распада ядро нестабильного атома превращается в ядро или ядра других стабильных или нестабильных элементов.

Радиоактивный распад принято характеризовать периодом полураспада t1/2. Суть этой величины в том, что она представляет собой время, за которое от простого вещества радиоактивного элемента остается ровно половина. Также для нашего рассказа важно запомнить, что изотоп элемента обозначают, добавляя к его названию число, соответствующее относительной массе ядра. Например, уран-238, железо-57 или медь-64. Рассказ же пойдет о тех элементах, которые в природе отсутствуют в заметном количестве из-за своего малого времени жизни и синтезированы стараниями человека.


Первые трансураны

История синтетических элементов началась не с получения сверхтяжелого ядра, а со среднего по массе элемента, существование которого предсказывал еще Д.И.Менделеев. В 1936 году Карло Перрье и Эмилио Сегре, изучая в университете Палермо облученный в циклотроне молибден (а его дал Сегре сам Эрнест Лоуренс — изобретатель циклотрона и основатель названной в его честь лаборатории в Беркли), получили первый в мире синтетический элемент — технеций Tc (от греческогоτεχνητός — искусственный). Название отражает тот факт, что элемент был получен искусственным путем, а не выделен химически из природных соединений. Синтез технеция открыл новую эру в физике и химии, когда наука начала сама создавать объекты для изучения.

К сожалению, чем дальше продвигалась наука в получении новых элементов, тем менее стабильными они оказывались. Всё это элементы с порядковым номером больше 92 (трансурановые элементы), и их объединяет общее качество: ни один из трансурановых элементов не имеет стабильных изотопов. Однако это совсем не означает, что среди нестабильных изотопов трансурановых элементов нет долгоживущих. Например, уран-238 имеет период полураспада 4,468 млрд. лет, а уран-235 — 0,704 млрд. лет; эти изотопы можно найти в природе в значительных количествах.

Следующий за ураном элемент — нептуний Np. Его в 1940 году получили американцы Эдвин Макмиллан и Филипп Абельсон, бомбардируя в радиационной лаборатории Калифорнийского технологического института в Беркли уран-238 нейтронами: тот становился ураном-239 и потом, за счет быстрого превращения одного из нейтронов в протон, — нептунием-239 с периодом полураспада 2,36 дня.

Конечно, за такой короткий срок очень трудно изучить химию нового элемента. Именно по этой причине физические и химические свойства некоторых трансурановых элементов изучены фрагментарно. Нептуний еще не самый трудный случай. Такие специфические условия работы с новыми элементами открыли перед учеными новый вид химии — малых количеств и быстрых экспериментов. В этом химия некоторых трансурановых элементов напоминает химию радикалов и интермедиатов (см. «Химию и жизнь», 2012, № 8 и 2013, № 8).

Кстати, название «нептуний» несколько раз пробовали использовать для других элементов: ниобия Nb и германия Ge. В первом случае ниобий ошибочно приняли за новый элемент, а во втором — Клеменс Винклер, не желая подражать неудачному опыту с ниобием, изменил название открытого им элемента с «нептуния» на «германий». В общем-то «германий» — лучшее решение, чем «нептуний», так как родина Винклера — Германия, а не Нептун. В свою очередь, нептуний больше подходит 93-му элементу, поскольку он следует сразу за ураном, как и в Солнечной системе, где за Ураном тоже следует Нептун.

В том же 1940 году группе физиков из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Гленна Сиборга удалось получить следующий за нептунием элемент — плутоний Pu. В этом случае уран бомбардировали ядрами тяжелого водорода — дейтерия с одним протоном и одним нейтроном в ядре. Попав в ядро урана-238, дейтрон выбивал из него два нейтрона и превращал в нептуний-238, а тот через пару дней, испустив электрон, становился плутонием-238. Этот элемент, как нетрудно догадаться, назван в честь планеты, следующей за Нептуном.

Интересно, что первые попытки получения трансуранового элемента были предприняты еще до Макмиллана группой итальянских ученых во главе с Энрико Ферми. Они тоже облучали уран нейтронами. Неудача группы Ферми заключалась в том, что ученым не удалось доказать присутствие нового элемента в облученном образце. Но идея облучать уран нейтронами в надежде создать трансураны принадлежит именно Ферми, и, в сущности, вся эта история есть следствие его работ.

Плутоний стал первым искусственным трансураном, получаемым в промышленных количествах, — его долгоживущий 239-й изотоп способен к поддержанию цепной реакции, он-то и пошел на изготовление одной из первых атомных бомб. При взрыве бомбы расходуется отнюдь не весь плутоний — до двух третей ядерного заряда разлетается в окружающем пространстве. Поэтому после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, а особенно после испытаний ядерного оружия в воздухе, поверхность нашей планеты обогащена плутонием-239 (считается, что за все время его рассеяно около 5 тонн), который неизбежно включается в биогеохимические циклы. Рассеивается плутоний по планете и после серьезных аварий на атомных объектах.


Нейтронные и гелиевые снаряды

Синтез новых элементов — занятие не для бедных. Поэтому изначально прогресс в заполнении пустых клеток Периодической системы после урана обеспечивали всего два научных центра: Калифорнийский университет в Беркли и Объединенный институт ядерных исследований ОИЯИ в Дубне, а с семидесятых годов также Центр исследования тяжелых ионов имени Гельмгольца в немецком Дармштадте. Трансурановые элементы — в значительной степени результат конкуренции сверхдержав СССР и США и соответственно Беркли и Дубны. Если в США наиболее значимой фигурой был Гленн Сиборг, то в СССР — Г.Н.Флеров, а в РФ — его ученик Ю.Ц.Оганесян.

Успех с плутонием Сиборг закрепил в 1944 году синтезом следующего за ним элемента под номером 95, который получил название америций — Am. Опыты проходили в металлургической лаборатории Чикагского университета, и не случайно. В этом университете Энрико Ферми собрал так называемую чикагскую поленницу — первый рукотворный ядерный реактор, а в лаборатории исследовали радиоактивные материалы в рамках проекта по созданию атомной бомбы. Облучение плутония нейтронами и привело к образованию америция-241. Возможно, название «америций» было выбрано в противовес «европию» — лантаноиду, стоящему как раз над 95-м элементом.

Этот элемент сильно радиоактивен — он светится в темноте из-за собственного альфа-излучения и неизбежно образуется при горении топлива атомных электростанций: уран-238 при захвате нейтрона после череды распадов и новых захватов превращается в плутоний-241, а тот становится америцием-241 с периодом полураспада 433 года. Он неизбежно загрязняет почву в местах атомных катастроф. В частности, теперь, по мере снижения активности радиоактивных иода, цезия и стронция, именно америций некоторые специалисты считают наиболее опасным элементом из всего шлейфа Чернобыльской катастрофы.

Америций-242 с периодом полураспада 141 год отлично поддерживает цепную реакцию, а его критическая масса — всего 3,75 кг. Поэтому америциевая бомба была бы достаточно портативной. К счастью, количество сырья — америция-241 — очень невелико: килограмм на тонну отработанного топлива. Впрочем, это не мешает использовать америций в различных приборах в качестве источника альфа-частиц. Пример такого прибора — датчик дыма: в нем америций (доли микрограмма) ионизирует воздух и возникает ток: частицы дыма экранируют излучение и датчик срабатывает.

Использование нейтронов для синтеза новых элементов не случайно третий раз упоминается в нашем рассказе. Дело в том, что у нейтрона нет заряда, и поэтому в отличие от протонов его взаимодействию с ядром не препятствует электростатическое отталкивание электронной оболочкой атома. Ядро охотно поглощает нейтрон, становится тяжелее и теряет стабильность — по существу, это изотоп облучаемого элемента с атомным весом, большим на единицу. Далее, ядро может, к примеру, претерпев β-распад (испустив электрон), перейти в ядро с порядковым номером выше на единицу, чем у исходного ядра. Так были получены нептуний и америций:


238U(n, γ)→239U(β-)→239Np(β-)→239Pu;

239Pu(2n)→241Pu(β-)→241Am.


Однако возможно облучение ядер и более тяжелыми частицами, чем нейтроны. Плутоний-238 как продукт обстрела урана-238 дейтронами — первый пример. Следующий за америцием искусственный элемент кюрий Cm был синтезирован в 1944 году. Полученный с помощью дейтронов плутоний-238 облучали альфа-частицами — ядрами гелия-4. И снова эксперимент был проведен в Чикаго: под руководством Сиборга получили кюрий-242 с периодом полураспада 163 дня. Новый элемент оказался химическим аналогом америция: их было так сложно разделить, что поначалу назвали соответственно делирий (от латинского delirium — безумие) и пандемоний (от греческого παν — всё и δαιµόνιον — бог, дух, демон; пандемониум — место сборища духов).

Интересно, что кюрий отнюдь не бесполезен. Основная область его применения — источники электроэнергии для космической техники. Во-первых, кюрий-242 — чистый альфа-излучатель, а защититься от альфа-лучей проще, чем от гамма-, во-вторых, его мощность колоссальна — 120 ватт запасено в одном грамме металла. Кюрий также используют как источник альфа-частиц для спектрометров на космических станциях и межпланетных экспедициях. А еще он служит при «поджигании» атомных реакторов, поскольку прекрасно поддерживает цепную реакцию. Более того, кюрий-245 обладает критической массой в 59 граммов — из него хотели делать атомные пули, но уж больно мало этого металла, 20 граммов всех изотопов на тонну топлива. В общем, этот элемент так важен, что существуют специальные кюриевые программы по повышению его наработки в реакторах и совершенствованию извлечения из отработанного топлива.

Следующим был берклий Bk. Группа Сиборга получила его в 1949 году: облучение америция-241 альфа-частицами привело к образованию берклия-243 и двух нейтронов. Исследователи тем временем уже переселились в Калифорнию, в Беркли, и проводили опыты в Лоуренсовской национальной лаборатории, созданной при Калифорнийском университете.


Недолгожители

Самый долгоживущий изотоп — берклий-247 — имеет период полураспада всего 1389 лет. Для сравнения: у соседнего кюрия-247 — 15,8 млн. лет! Можно сказать, что берклий начинает собой ряд трансурановых элементов, которые живут недолго, но все же больше, чем считанные мгновения. Так, у следующего за ним калифорния самый долгоживущий изотоп имеет период полураспада 2645 лет, а у эйнштейния — 471,7 дней. Фермий же вообще не получен в достаточных для взвешивания количествах, самый живучий его изотоп распадается наполовину примерно за 100 дней.

Названия этих трансурановых элементов, конечно, не нуждаются в комментариях. Калифорний получили в Калифорнии в 1950 году под руководством все того же Сиборга: облучение кюрия-242 альфа-частицами дает калифорний-245 и один нейтрон. Интересно, что калифорний — самый дорогой из металлов: его в миллиграммовых количествах делают в американском Окридже и российском Димитровграде, а используют как мощнейший источник нейтронов для приборов, для запуска ядерной реакции и лечения рака, когда другие методы не помогают.

А вот с эйнштейнием вышла другая история. Его нашли после первого термоядерного взрыва, проведенного на атолле Эниветок 1 ноября 1952 года. Синтез же этого элемента позволил доказать, что существует такое интересное явление, как множественный захват: оказывается, ядро тяжелого элемента может поглотить несколько нейтронов, прежде чем начнет преобразовываться в ходе ядерных реакций. То есть, можно сразу из урана-238 получить ядро с 253 нуклонами, а не добавлять их по одному, как было при синтезе предыдущих элементов: захватив 15 нейтронов, ядро бывшего урана испускает 6 электронов, становится калифорнием-253, а тот превращается в эйнштейний-253. Если же урану удастся захватить 17 нейтронов сразу, то получится следующий элемент — фермий-255, впервые обнаруженный вместе с эйнштейнием в продуктах того же взрыва. Синтезировать его удалось в 1953 году облучением урана-238 нейтронами. И этот элемент оказался последним, который можно получать таким методом. Его изотопы не выбрасывают электрон, превращаясь в следующий элемент, но предпочитают либо выбрасывать альфа-частицу, возвращаясь назад, к калифорнию, либо вообще делиться, а иногда, выбросив позитрон, они становятся эйнштейнием. Поэтому для дальнейшего синтеза в ход пошли легкие ионы — сначала все те же альфа-частицы, а потом и более тяжелые ядра вроде углерода, бора, кислорода и кальция.

Так, облучая мишень из эйнштейния альфа-частицами, американцы в 1955 году получили 101-й элемент — менделевий. Период полураспада его самого стабильного изотопа — 51 день, но для исследований используют менее долгоживущий менделевий-256 с периодом 1,25 ч, поскольку его проще получать: из одного микрограмма эйнштейния-253 выходит примерно миллион таких атомов.


Теория трансфермия

Подробности получения менделевия Гленн Сиборг привел в своей книге «Элементы Вселенной» (Г.Т.Сиборг, Э.Г.Вэленс. Москва: Наука, 1966). А получил он в первых опытах 1955 года всего 17 атомов нового элемента. Химические свойства менделевия были изучены немного позже. Когда ничего определенно не известно, остается уповать на силу теории. На помощь приходит уникальная особенность Периодического закона — возможность предсказывать свойства еще неизвестных или неизученных элементов на основе свойств известных или изученных элементов. Нечто похожее сделал Сиборг в 1944 году, сформулировав актиноидную теорию, она же теория актиноидного сжатия. Ее трактовка, ныне широко распространенная, связана с недостаточным экранирующим действием f-орбиталей актиноидов и предсказывает стабилизацию меньших по сравнению с остальными актиноидами степеней окисления для трансфермиевых элементов.

Степень окисления — это очень важная характеристика элемента в том или ином его соединении с другими элементами. Как правило, металлы имеют положительное значение степени окисления. Известно, что менделевий может существовать в степенях окисления +1, +2 и +3, из которых наиболее характерна для него последняя. Довольно просто может быть достигнута степень окисления +2. А вот +1 — экзотична для менделевия. Только в 1972 году удалось экспериментально подтвердить существование Md+1. Таким образом формируется некоторое представление о химии искусственных элементов — для многих из них придется ограничиться теоретическими выкладками.

Важную роль в изучении химии трансфермиевых актиноидов сыграла хроматография. Уже на стадии анализа облученной мишени хроматография необходима для разделения полученных изотопов и отделения нового элемента как от уже известных, так и от материала мишени. Тут сразу можно сделать первые выводы о химии полученного элемента. Дело в том, что очередность вымывания того или иного иона зависит от его массы и от химического сродства к субстрату, используемому для наполнения хроматографической колонки. Именно с помощью хроматографии и был обнаружен Md+3. Обнаружен среди других элементов, накопленных в мишени из эйнштейния в процессе ее облучения; при этом менделевий вымывался первым.

Очевидно, что менделевий в степени окисления +3 по своим химическим свойствам должен напоминать фермий, для которого степень окисления +3, как и для менделевия, наиболее характерна. Этим фермий и менделевий напоминают актиний с той лишь разницей, что актиний не проявляет других степеней окисления, кроме +3. Существует также достаточно оснований для того, чтобы предположить высокую химическую активность у металлического менделевия. Если бы удалось собрать достаточное количество этого металла, то можно было бы посмотреть, как его кусочек булькает в соляной или азотной кислоте. К сожалению, некоторые главы современной химии, а тем более физики совсем лишены наглядности. К примеру, в квантовой механике ничего нельзя увидеть и мало что можно представить. Лишь сухой язык математики способен выразить многообразие микромира. Возможно, компьютерное моделирование могло бы помочь представить кусочек металлического менделевия, весело прыгающий в кислоте.

Сиборг же придумал и термин «суперактиноиды»: элементы, у которых должна заполняться g-оболочка. Ни один из суперактиноидов еще не был синтезирован. Скорее всего, суперактиноиды образуют отдельный ряд, наподобие актиноидов и лантаноидов. При этом g-элементы (такое название дал бы суперактиноидам химик) проявят себя как уникальные элементы с ярко выраженными металлическими свойствами и огромным спектром валентных состояний. Координационная химия суперактиноидов должна быть поистине ошеломляющей. Впрочем, может быть, подобно лантану и актинию, ярко выраженным d-элементам, первые представители группы g-элементов будут типичными f-элементами.


Великое противостояние

Синтез менделевия положил конец американской монополии в этом интересном деле: в других странах появились достаточно мощные ускорители для того, чтобы разгонять ионы и бомбардировать ими мишени. Так, в 1957 году в Стокгольме на циклотроне Нобелевского института были выполнены эксперименты по синтезу 102-го элемента. На этот раз ионами углерода-13 обстреливали мишень из кюрия-244. Предполагалось, что реакция идет так:


244Cm + 13C→253No + 4n;

244Cm + 13C→251No + 6n.


Авторы дали новому элементу имя «нобелий». Однако вскоре выяснилось, что они поторопились: ни в Беркли, ни в Москве, в Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова, ни в Дубне, где в Объединенном институте ядерных исследований незадолго до того построили новый циклотрон, шведские данные подтвердить не удалось. В 1958 году новое сообщение пришло от группы Альфреда Гиорсо из Беркли, который обстреливал кюрий-246 ядрами углерода-12, однако и эти данные были опровергнуты в Дубне. Лишь к 1966 году советские физики из группы Г.Н.Флерова получили надежные данные по изотопам 102-го элемента с массовыми числами от 252 до 256. Например, они проводили такую реакцию:


241Pu + 16O→253No + 4n.


Начался долгий спор о приоритетах и праве дать имя новому элементу: Флеров предлагал вариант «жолиотий» в честь Фредерика Жолио-Кюри. Наконец в 1997 году ИЮПАК решил сохранить устоявшееся в литературе первоначальное название «нобелий», но очень долго этот элемент в Периодической таблице писали в скобках, а физики шутили, что нобелий не состоялся и от него осталось только «No» («нет» по-английски). Аналогичная история повторилась со 103-м элементом, когда опыты 1965 года в Дубне опровергли данные, полученные в Беркли в 1961 году (и снова имя элемента писали в скобках, поскольку группа Флерова назвала его резерфордием, а группа Гиорсо — лоуренсием), и со 104-м элементом, когда уже американцы высказали сомнения в достоверности опытов в Дубне 1964 года (этот элемент получил названия «курчатовий» и «резерфордий»). Наводя порядок в номенклатуре, в 1997 году ИЮПАК присвоил элементам названия, данные в Беркли. А ранее, в 1992 году, он же признал приоритет советских ученых в открытии элемента 102 и равный приоритет советских и американских физиков в открытии элементов 103 и 104. Подробности можно найти в журналах «Химия и жизнь», 1973, № 1 и «Физика элементарных частиц и атомного ядра», 1991, № 4.

Начало изучению химических свойств нобелия положено в Беркли в 1988 году. Как и предполагалось, он существует в двух устойчивых степенях окисления +2 и +3. Возможно, +2 для нобелия более устойчивая степень окисления, чем для менделевия и тем более фермия. Тенденция к стабилизации низших степеней окисления при движении слева направо в ряду актиноидов аналогична по своей природе такой же тенденции в ряду лантаноидов и связана с уже упомянутой теорией Сиборга. Возможно, лоуренсий будет иметь уже преимущественно степень окисления +2. Также вполне возможно, что лоуренсий намного легче, чем нобелий и менделевий, поддается восстановлению до степени окисления +1. С другой стороны, нобелий — предпоследний в ряду актиноидов; у него полностью заполнена f-орбиталь, а это означает большую по сравнению с другими актиноидами стабильность электронной конфигурации. К примеру, благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn), имеющие заполненные p-оболочки, проявляют исключительную химическую стабильность, а для некоторых из них (He, Ne и Ar) до сих пор не получено ни одного химического соединения. Но все это рассуждения, а вот факты слишком сложно добыть для таких экзотических элементов, синтезированных в количестве нескольких десятков атомов.


Трансактиноиды

За трансфермиевыми актиноидами следуют трансактиноиды. Название вполне логичное, а вот свойства таких элементов уже не так легко поддаются пониманию: ведь это уже не элементы-близнецы, следующие за актинием и занимающие, по сути, одну клетку в Периодической системе. Первый из них, резерфордий Rf, как и предшествующие ему трансфермиевые элементы, не отличается большой стабильностью — у наиболее живучих изотопов периоды полураспада 10 и 13 часов. Впервые резерфордий синтезировали в ОИЯИ в 1964 году, обстреливая плутоний-242 ядрами неона-22. Следующий за резерфордием — 105-й элемент дубний Db, получили в той же Дубне в 1970 году обстрелом калифорния-249 азотом-15. Окончательное свое название дубний получил в 1997 году (этот элемент, как и его предшественники, успел побывать и ганием в честь Отто Ганна, и нильсборием в честь Нильса Бора). Элемент 106 синтезировали в Беркли в 1974 году: мишень из калифорния-249 обстреливали ядрами кислорода-18; ему дали имя сиборгий.

Очевидно, что трансактиноиды не могут быть выделены в отдельный ряд наподобие лантаноидов или актиноидов. Все трансактиноидные элементы должны быть расположены в соответствующих группах, начиная с четвертой группы переходных элементов (группа титана — Ti, Zr и Hf) и заканчивая двенадцатой группой переходных элементов (группа цинка — Zn, Cd и Hg). Таким образом, можно судить о свойствах трансактиноидов в соответствии с групповыми закономерностями — они так мало живут и получаются в столь малом количестве, что ставить опыты с ними затруднительно. Например, резерфордий должен напоминать по химическим свойствам гафний, то есть быть достаточно инертным по отношению к кислотам. Максимальная степень окисления у резерфордия должна быть +4: он существует преимущественно в своей высшей степени окисления +4 и его довольно трудно восстановить до +2 или +3. Вероятно, резерфордий будет еще более моновалентным элементом, чем расположенные выше него соседи по группе. По крайней мере, тетрахлорид резерфордия (RfCl4) известен и может быть получен при высокотемпературном (300—350оC) хлорировании атомов Rf.

Следующий за резерфордием дубний по химическим свойствам должен напоминать тантал с высшей степенью окисления +5. Возможно, дубний более химически активен, чем тантал, но в отличие от резерфордия он проявляет более широкий спектр возможных промежуточных степеней окисления. Известно, что пентахлорид дубния (DbCl5) при 300оС менее летуч, чем пентахлорид ниобия (NbCl5), и более летуч, чем тетрахлорид гафния (HfCl4). Видимо, некоторые химические свойства все-таки можно предвидеть. Другое дело, так ли оно на самом деле? Сиборгий должен напоминать подгруппу хрома — максимальная степень окисления +6, плотнее вольфрама и, возможно, активнее его.

За сиборгием идут борий (Bh, 107), хассий (Hs, 108, назван в честь средневекового княжества Гессен, по-латыни Hassia, где расположен дармштадтский Центр исследования тяжелых ионов, синтезировавший три атома этого элемента), майтнерий (Mt, 109, назван в честь Лизы Мейтнер), дармштадтий (Ds, 110), рентгений (Rg, 111), коперниций (Cn, 112), флеровий (Fl, 114), ливерморий (Lv, 116). В принципе нет надобности в дальнейшем обсуждении этих элементов. Ясно, что химия этих нестабильных атомов находится на зачаточной стадии развития — живут они в лучшем случае минуты, а то и считанные мгновения.


Острова стабильности и теория оболочечного строения ядра

Изучение стабильности атомных ядер показало, что некоторые ядра особенно стабильны, если число протонов и/или нейтронов в них соответствует избранным числам — 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126; такие ядра физики назвали «магическими». К примеру, изотоп свинец-208 содержит 82 протона и 126 нейтронов и отличается большей устойчивостью. Это говорит о том, что, возможно, атомное ядро похоже на электронную оболочку атома. Можно представить, что атом, как луковица, состоит из многих стационарных оболочек. Однако в отличие от луковицы у атома может быть несколько ороговевших «шкурок». Яркий пример — атомы инертных газов, в которых заполненные до конца p-уровни служат причиной их исключительной стабильности. Предположение, что ядра, где количество нейтронов или протонов достигло определенного значения, могут быть исключительно стабильными, легло в основу гипотезы об островах стабильности. А самыми стабильными должны быть ядра, в которых количества и нейтронов, и протонов одновременно равны одному из вышеуказанных чисел. Например, гелий-4, кислород-16 и кальций-40.

Параллельно с теорией оболочечного строения ядра существует капельная модель. В этой модели ядро представлено как упаковка нуклонов по типу упаковки атомов/молекул в жидкости или кристалле. Эти модели — взаимоисключающие, но теория оболочечного строения ядра более оптимистична; она дает надежду на существование сверхтяжелых и достаточно стабильных элементов с атомными весами и порядковыми номерами, превышающими известные на сегодняшний день элементы.

Добраться до так называемого острова мечтают все физики, занятые созданием новых элементов, а наибольших успехов достигла группа Ю.Ц.Оганесяна, которая продолжает дело Флерова в ОИЯИ: за 1999—2003 годы она впервые синтезировала элементы 111—116 и 118. В 2010 году, обстреливая полученную из Окриджа берклиевую мишень ионами калия, в Дубне получили и 117-й элемент — самое свежее достижение в этой истории, тянущейся более полувека. Подобным же образом, обстреливая «дважды магическим» (20 протонов и 28 нейтронов) кальцием-48 мишени из плутония, америция, кюрия и калифорния, получили флеровий, унунпентий (115), ливерморий (116) и унуноктий (118) соответственно. Попытки синтезировать следующие элементы пока что не получили веских доказательств успеха. В то же время очевидно, что возможности бомбардировки кальцием исчерпаны, ведь сделать мишень из следующих за калифорнием эйнштейния и фермия практическим невозможно — слишком малые количества атомов этих элементов можно синтезировать. Новым снарядом может оказаться дважды магический свинец, но опыты с ним еще в зачаточном состоянии.

В опытах Оганесяна было обнаружено, что флеровий-289 имеет аномально высокое время жизни — 2,7 секунды, в то время как его соседи живут десятки или сотни миллисекунд. Это позволило предположить, что остров стабильности где-то неподалеку, в районе 120—130-х элементов. Впрочем, времена жизни самых стабильных из тех считанных атомов более тяжелых элементов, что были получены (унунтрий-288 — 87 мс, ливерморий-293 — 53 мс, унунсептий-294 — 78 мс и унуноктий-294 — 0,89 мс), не очень-то подтверждают эту мысль. Хотя расчет Оганесяна строится на том, что нужно обеспечить еще больше нейтронов в ядре — довести их до магического числа 184. То есть, например, унуноктий-302 должен быть стабильнее, чем живущий мгновения Uuo-294.

Пытались искать обитателей острова и в природе. Так, Г.Н.Флеров предположил, что они могут присутствовать в космических лучах и соответственно оставлять следы в облученных ими минералах или детекторах. Была предпринята даже специальная исследовательская программа, однако никаких внятных и подтвержденных данных пока не получено.


Релятивистская теория и фейнманиум

Релятивистская механика — механика при скоростях, близких к скорости света. Какое отношение она может иметь к поиску новых элементов? На помощь приходит предположение известного физика Ричарда Фейнмана о том, что элемент с порядковым номером 137 будет крайне интересным по причине нестабильности его электронных оболочек. Дело в том, что внешний s-электрон этого элемента, чтобы удержаться на своей орбитали, должен будет двигаться со скоростью света (если представить, что электроны вообще вращаются на своих стационарных орбиталях). Сегодня почти каждому известно, что скорость света — предельно допустимая скорость, с которой может двигаться любой объект, имеющий массу покоя. Электрон, как массивная частица, достичь ее не может. Таким образом, ядро элемента-137 будет существовать, а вот внешняя электронная оболочка наверняка останется незавершенной, и вообще он может оказаться последним элементом. Наряду с существованием острова стабильности, тайна элемента унтрисептия Uts не единственная из тех, что предстоит разгадать физикам, когда они найдут способы дальнейшего синтеза сверхтяжелых элементов.

Несмотря на огромные усилия трех поколений ученых всего мира, так и не удалось разрешить вопрос о законченности Периодической системы. Видимо, слова Менделеева о том, что время обещает лишь настройки и развитие Периодическому закону, оказались пророческими. Проблема завершенности Периодической системы усложняется рядом других проблем. Например, достоверно не известно, как именно построено атомное ядро. А есть еще релятивистские эффекты электронных оболочек, о которых мы говорили выше... Так что продолжение следует: к апрелю 2011 года были предприняты попытки синтезировать элементы с порядковыми номерами 119, 120, 122, 124, 126 и 127, однако достоверных сведений об этих опытах еще нет.



Связанная статья: "Споры ученых".

Разные разности

07.11.2017 10:00:00
...в США проект гражданской науки Citizen Continental-America Telescopic Eclipse собрал наблюдения затмения Солнца 21 августа с 55 телескопов, что позволило создать высококачественный видеоролик о солнечной короне («Nature», 2017, 548, 7669, 504—505, doi: 10.1038/548504a)... >>
26.10.2017 10:00:00

Не секрет, что во всем мире есть группы людей, которые пытаются судить о человеке не по его талантам, а по той крови, что течет в его жилах. Одно время было популярно измерять форму черепа или носа, но этих измерителей ждал печальный конец. Теперь же появился абсолютный маркер – личный геном.

>>
25.10.2017 10:00:00
Удаленная работа бьет по транспорту — человек не ездит на службу, соответственно, не покупает ни билеты на автобус и метро, ни автомобиль. Сейчас наметилась еще одна жертва цифровой экономики — владельцы офисных помещений: многие работники свободных профессий отказываются от найма офисов и перемещаются в кафе. >>
01.10.2017 10:00:00
...согласно моделированию с учетом общепринятых сценариев выброса парниковых газов, в Южной Азии температура и влажность приблизятся к опасному для здоровья человека пределу, а в некоторых регионах превысят его уже к концу XXI века («Science Advances», 2017, 3, 8, e1603322, doi: 10.1126/sciadv.1603322)... >>
01.09.2017 10:23:00

...возможно, 39—59% площадей кофейных плантаций в Эфиопии из-за климатических изменений станут непригодными для выращивания кофе, однако охрана лесов и перемещение плантаций могут даже увеличить подходящие площади в четыре раза и более («Nature Plants», 2017, 3, 17081, doi: 10.1038/nplants.2017.81)...

>>