Где пределы Периодической системы?

Незадолго до своего 150-летия, которое мы будем отмечать в 2019 году, Периодическая система пополнилась четырьмя химическими элементами. В 2016 году элементы с номерами 113, 115, 117 и 118 получили официальную прописку в Системе — это нихоний, московий, тенессин и оганессон. С ними седьмой ряд Периодической системы заполнился, и она стала выглядеть завершенной. Тем не менее точку ставить рано. Сейчас исследователи пытаются понять, есть ли границы у Периодической системы и сколько химических элементов может еще существовать. Ответы на эти вопросы предлагает профессор Витек Назаревич из Университета Мичигана («Nature Physics», 2018, doi: 10.1038/s41567-018-0163-3).

Устойчивые изотопы показаны черными квадратами, ядра, о существовании которых известно экспериментально, показаны серым. Вверху более детально показана территория сверхтяжелых ядер (Z> 104 и N> 160)

К сверхтяжелым относят элементы с атомным номером больше 104. Несмотря на то что некоторые из них уже получены, все они — часть обширных неведомых земель, которые пытаются покорить и химики, и специалисты по атомной и ядерной физике. Согласно расчетам Назаревича, элементов в таблице может быть 172, то есть до этого элемента (в его ядре будет 172 протона) протоны и нейтроны в ядре свяжут сильные взаимодействия, которые стабилизируют ядро и не дадут ему распасться, но стабилизация продлится лишь доли секунды. Системы, содержащие более 172 протонов, просто не смогут быть стабилизированы сильными взаимодействиями. Получается, что у Периодической системы все же есть граница.

Расчеты Назаревича дают и еще один необычный прогноз. По его мнению, ядра некоторых сверхтяжелых элементов проживут столь короткий промежуток времени, что просто не успеют притянуть к себе электроны, поэтому будут существовать в виде «голых» комбинаций протонов и нейтронов. Если эти теоретические предсказания когда-нибудь удастся подтвердить эмпирически, ученым придется как-то адаптировать понятие «атом» под новые объекты — ведь они уже не будут электронейтральными частицами, состоящими из ядра и связанных с ним отрицательных электронов. Правда, остается загадкой, удастся ли получить такие комбинации протонов и нейтронов и могут ли они образоваться естественным путем.

Исследователи медленно, но верно углубляются в область сверхтяжелых ядер, синтезируя элемент за элементом, однако не всегда представляют себе, как будет выглядеть результат синтеза. Сейчас попытки получить элемент № 119 предпринимают сразу несколько исследовательских центров. Увы, теория строения атомного ядра не в силах предсказать оптимальные условия для синтеза новых ядер, и пока приходится идти путем проб и ошибок. Возможно, элемент № 119, открывающий восьмой ряд Периодической системы, будет получен через пару месяцев, а может быть, процесс затянется на годы.

Не менее интересен вопрос о том, могут ли сверхтяжелые ядра образовываться в космосе. Предполагается, что при слиянии нейтронных звезд (которое протекает с колоссальным выбросом энергии) могут формироваться ядра, содержащие большее число протонов, чем самый тяжелый элемент, полученный в лаборатории, — оганессон. Более того, в космическом пространстве около нейтронных звезд концентрация нейтронов высока, и теоретически возможен самопроизвольный синтез изотопов уже полученных в лабораториях элементов, с бо́льшим количеством нейтронов. Однако ядра сверхтяжелых элементов могут распадаться еще до того, как в их состав войдут нейтроны и образуются более тяжелые изотопы того же оганессона.

Возможно, новые, более точные расчетные модели позволят определить, насколько велики шансы образования сверхтяжелых элементов в космических процессах, и предскажут, как распадаются сверхтяжелые ядра, облегчив физикам-ядерщикам интерпретацию экспериментальных результатов.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 8/2018) на с. 17.