Роман Фишман
«Популярная механика» №11, 2016

«За пределами таблицы Менделеева» («Популярная механика» №11, 2016)

В поисках новых химических элементов ученые давно оставили привычный «материк» школьной Периодической таблицы, прошли радиоактивным полуостровом, пересекли пролив крайне неустойчивых ядер и оказались на долгожданных берегах «острова Стабильности».

Химический материк

Полтора века назад, когда Дмитрий Иванович Менделеев открыл Периодический закон, было известно только 63 элемента. Упорядоченные в таблицу, они легко раскладывались по периодам, каждый из которых открывается активными щелочными металлами и заканчивается (как выяснилось позже) инертными благородными газами. С тех пор таблица Менделеева увеличилась почти вдвое, и с каждым расширением Периодический закон подтверждался снова и снова. Рубидий так же напоминает калий и натрий, как ксенон — криптон и аргон, ниже углерода располагается во многом похожий на него кремний... Сегодня известно, что эти свойства определяются числом электронов, вращающихся вокруг атомного ядра.

Они заполняют «энергетические оболочки» атома одну за другой, как зрители, по порядку занимающие сиденья на своих рядах в театре: тот, кто оказался последним, определит химические свойства всего элемента. Атом с полностью заполненной последней оболочкой (как гелий с его двумя электронами) будет инертным; элемент с одним «лишним» электроном на ней (как натрий) станет активно образовывать химические связи. Число отрицательно заряженных электронов на орбитах связано с количеством положительных протонов в ядре атома, и именно числом протонов отличаются разные элементы.

Радиоактивный распад («Популярная механика» №11, 2016)

Зато нейтронов в ядре одного и того же элемента может быть разное количество, заряда у них нет, и на химические свойства они не влияют. Но в зависимости от числа нейтронов водород может оказаться тяжелее гелия, а масса лития — достигать семи вместо «классических» шести атомных единиц. И если список известных элементов сегодня приближается к отметке в 120, то число ядер (нуклидов) перевалило за 3000. Большинство из них нестабильны и спустя некоторое время распадаются, выбрасывая «лишние» частицы в ходе радиоактивного распада. Еще больше нуклидов неспособны существовать в принципе, моментально разваливаясь на куски. Так материк стабильных ядер окружает целое море неустойчивых сочетаний нейтронов и протонов.

Море Неустойчивости

Судьба ядра зависит от числа нейтронов и протонов в нем. Согласно оболочечной теории строения ядра, выдвинутой еще в 1950-х, частицы в нем распределяются по своим энергетическим уровням так же, как электроны, которые вращаются вокруг ядра. Некоторые количества протонов и нейтронов дают особо устойчивые конфигурации с полностью заполненными протонными или нейтронными оболочками — по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронов еще и 126 частиц. Эти числа называются «магическими», а самые стабильные ядра содержат «дважды магические» количества частиц — например, 82 протона и 126 нейтронов у свинца или по два — в обычном атоме гелия, второго по распространенности элемента во Вселенной.

Последовательный «Химический материк» элементов, которые можно найти на Земле, заканчивается свинцом. За ним следует череда ядер, которые существуют намного меньше возраста нашей планеты. В ее недрах они могут сохраниться разве что в малых количествах, как уран и торий, или вовсе — в следовых, как плутоний. Из породы извлечь его невозможно, и плутоний нарабатывают искусственно, в реакторах, бомбардируя нейтронами урановую мишень. Вообще современные физики обращаются с ядрами атомов, как с деталями конструктора, заставляя их присоединять отдельные нейтроны, протоны или целые ядра. Это и позволяет получать все более и более тяжелые нуклиды, пересекая пролив «моря Неустойчивости».

Цель путешествия подсказана той же оболочечной теорией строения ядра. Это — область сверхтяжелых элементов с подходящим (и очень большим) числом нейтронов и протонов, легендарный «остров Стабильности». Расчеты говорят, что некоторые из местных «жителей» могут существовать уже не доли микросекунд, а на много порядков дольше. «В определенном приближении их можно рассматривать как капельки воды, — объяснил нам академик РАН Юрий Оганесян. — Вплоть до свинца следуют ядра сферические и устойчивые. За ними следует полуостров умеренно стабильных ядер — таких как торий или уран, — который вытягивается отмелью сильно деформированных ядер и обрывается в нестабильное море... Но еще дальше, за проливом, может находиться новая область сферических ядер, сверхтяжелых и устойчивых элементов с номерами 114, 116 и далее». Время жизни некоторых элементов на «острове Стабильности» может длиться уже годы, а то и миллионы лет.

«Остров Стабильности» («Популярная механика» №11, 2016)

Остров Стабильности

Трансурановые элементы с их деформированными ядрами удается создать, бомбардируя нейтронами мишени из урана, тория или плутония. Обстреливая их разогнанными в ускорителе легкими ионами, можно последовательно получить ряд элементов еще тяжелее — но в какой-то момент наступит предел. «Если рассматривать разные реакции — присоединение нейтронов, присоединение ионов — как разные „корабли“, то все они не помогут нам доплыть до „острова Стабильности“, — продолжает Юрий Оганесян. — Для этого потребуется „судно“ и побольше, и другой конструкции. В качестве мишени придется использовать нейтроноизбыточные тяжелые ядра искусственных элементов тяжелее урана, а бомбардировать их потребуется большими, тяжелыми изотопами, содержащими много нейтронов, такими как кальций-48».

Работа над таким «кораблем» оказалась по силам лишь большой международной команде ученых. Инженеры и физики комбината «Электрохимприбор» выделили из природного кальция исключительно редкий 48-й изотоп, содержащийся здесь в количестве менее 0,2%. Мишени из урана, плутония, америция, кюрия, калифорния приготовили в Димитроградском НИИ атомных реакторов, в Ливерморской национальной лаборатории и в Национальной лаборатории в Оук-Ридже в США. Ну а ключевые эксперименты по синтезу новых элементов были проведены академиком Оганесяном в Объединенном институте ядерной физики (ОИЯИ), в лаборатории ядерных реакций имени Флёрова. «Наш ускоритель в Дубне работал по 6–7 тысяч часов в год, разгоняя ионы кальция-48 примерно до 0,1 скорости света, — объясняет ученый. — Эта энергия необходима, чтобы некоторые из них, ударяясь в мишень, преодолели силы кулоновского отталкивания и слились с ядрами ее атомов. Например, 92-й элемент, уран, даст ядро нового элемента с номером 112, плутоний — 114, а калифорний — 118».

«Такие ядра должны быть уже достаточно стабильны и распадаться будут не сразу, а станут последовательно выбрасывать альфа-частицы, ядра гелия. А уж их мы прекрасно умеем регистрировать», — продолжает Оганесян. Сверхтяжелое ядро выбросит альфа-частицу, превратившись в элемент на два атомных номера легче. В свой черед и дочернее ядро потеряет альфа-частицу и превратится во «внучатое» — еще на четыре легче, и так далее, пока процесс последовательного альфа-распада не закончится случайным появлением и моментальным спонтанным делением, гибелью неустойчивого ядра в «море Нестабильности». По этой «генеалогии» альфа-частиц Оганесян и его коллеги проследили всю историю превращения полученных в ускорителе нуклидов и очертили ближний берег «острова Стабильности». После полувекового плавания на него высадились первые люди.

Новая земля

Уже за первое десятилетие XXI века в реакциях слияния актинидов с ускоренными ионами кальция-48 были синтезированы атомы элементов с номерами от 113 и вплоть до 118-го, лежащего на дальнем от «материка» берегу «острова Стабильности». Время их существования уже на порядки больше, чем у соседей: например, элемент 114 сохраняется не миллисекунды, как 110-й, а десятки и даже сотни секунд. «Такие вещества уже доступны для химии, — говорит академик Оганесян. — А значит, мы возвращаемся к самому началу путешествия и теперь можем проверить, соблюдается ли для них Периодический закон Менделеева. Будет ли 112-й элемент аналогом ртути и кадмия, а 114-й — аналогом олова и свинца»? Первые же химические эксперименты с изотопом 112-го элемента (коперниция) показали: видимо, будут.

Альфа-распад одного из изотопов элемента 118 (оганессона) до флеровия (114) и коперниция (112) («Популярная механика» №11, 2016)

Альфа-распад одного из изотопов элемента 118 (оганессона) до флеровия (114) и коперниция (112). Зеленый цвет соответствует доле ядер, подверженных спонтанному распаду

Ядра коперниция, вылетающие из мишени при бомбардировке, ученые направляли в длинную трубку, включающую 36 парных детекторов, частично покрытых золотом. Ртуть легко образует устойчивые интерметаллические соединения с золотом (это свойство используется в древней технике позолоты). Поэтому ртуть и близкие к ней атомы должны оседать на золотой поверхности первых же детекторов, а радон и атомы, близкие к благородным газам, могут добираться до конца трубки. Послушно следуя Периодическому закону, коперниций проявил себя родственником ртути. Но если ртуть стала первым известным жидким металлом, то коперниций, возможно, окажется первым газообразным: температура его кипения ниже комнатной. По словам Юрия Оганесяна, это только блеклое начало, и сверхтяжелые элементы с «острова Стабильности» откроют нам новую, яркую и необычную область химии.

Но пока мы задержались у подножия острова стабильных элементов. Ожидается, что 120-й и следующие за ним ядра могут оказаться по-настоящему устойчивыми и будут существовать уже долгие годы, а то и миллионы лет, образуя стабильные соединения. Однако получить их с помощью того же кальция-48 уже невозможно: не существует достаточно долгоживущих элементов, которые могли бы, соединившись с этими ионами, дать ядра нужной массы. Попытки заменить ионы кальция-48 чем-нибудь более тяжелым пока тоже не принесли результата. Поэтому для новых поисков ученые-мореплаватели подняли голову и присмотрелись к небесам.

Космос и фабрика

Первоначальный состав нашего мира разнообразием не отличался: в Большом взрыве появился лишь водород с небольшими примесями гелия — легчайшие из атомов. Все прочие уважаемые участники таблицы Менделеева появились в реакциях слияния ядер, в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Неустойчивые нуклиды быстро распадались, устойчивые, как кислород-16 или железо-54, накапливались. Неудивительно, что тяжелых нестабильных элементов, таких как америций или коперниций, в природе обнаружить не удается.

Академик РАН Юрий Оганесян («Популярная механика» №11, 2016)

Юрий Оганесян, академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций имени Флёрова ОИЯФ (г. Дубна): «Поиск новых сверхтяжёлых элементов позволяет ответить на один из важнейших вопросов науки: где лежит граница нашего материального мира?»

Но если где-то в самом деле есть «остров Стабильности», то хотя бы в небольших количествах сверхтяжелые элементы должны встречаться на просторах Вселенной, и некоторые ученые ведут их поиски среди частиц космических лучей. По словам академика Оганесяна, этот подход все же не так надежен, как старая добрая бомбардировка. «По-настоящему долгоживущие ядра на „вершине“ острова Стабильности содержат необычно большие количества нейтронов, — рассказывает ученый. — Поэтому нейтроноизбыточный кальций-48 оказался таким удачным ядром для бомбардировки нейтроноизбыточных элементов мишени. Однако изотопы тяжелее кальция-48 нестабильны, и чрезвычайно малы шансы на то, что они в естественных условиях смогут слиться с образованием сверхстабильных ядер».

Поэтому лаборатория в подмосковной Дубне обратилась к использованию более тяжелых ядер, пусть и не столь удачных, как кальций, для обстреливания искусственных элементов мишеней. «Мы сейчас заняты созданием так называемой Фабрики сверхтяжелых элементов, — говорит академик Оганесян. — В ней те же мишени будут бомбардироваться ядрами титана или хрома. Они содержат на два и четыре протона больше, чем кальций, а значит — могут дать нам элементы с массами 120 и больше. Интересно будет посмотреть, окажутся ли они еще на „острове“ или же откроют новый пролив за ним».


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • niki  | 27.01.2017 | 13:35 Ответить
    А найдено ли в космических лучах хоть что-нибудь необычное? Не остров стабильности, но вот хотябы технеций.
    Ответить
  • OSAO  | 27.01.2017 | 18:55 Ответить
    ...откроют нам новую, яркую и необычную область химии.
    @
    Вот здесь бы поподробнее... Что такого уж необычного сулит этот остров?
    Ответить
    • niki > OSAO | 03.02.2017 | 17:02 Ответить
      Например, газообразный благородный металл.

      Существуют ли g-элементы и какие у них совойства? Есть идеи что g-орбитали не будут образовываться.
      Ответить
  • Hom  | 27.01.2017 | 20:06 Ответить
    [...а значит — могут дать нам элементы с массами 120...]
    Роман, тут Вы явно ошиблись. Сто двадцатый элемент Ubn Унбинилий
    должен иметь 120 протонов и приблизительно 180 нейтронов, а это
    дает массовое чило A=120+180=300 атомных единиц.
    Далее вообще нет никаких элементов. Системное
    ограничение! Число протонов не может превышать 120.
    Нет никаких островов "сокровищ".
    Ответить
    • Kraj > Hom | 29.01.2017 | 18:47 Ответить
      А почему число протонов не может превышать число 120? В одной из лекций Оганесян говорил, что гипотетически возможны ядра массой 300 и 500.
      Ответить
      • niki > Kraj | 30.01.2017 | 13:21 Ответить
        Есть такое предположение что не может превышать. И это лишь предположение.
        Ответить
      • Hom > Kraj | 31.01.2017 | 04:15 Ответить
        При всём (глубочайшем) уважении к заслуженному, авторитетному академику РАН, виртуознейшему экспериментатору в области ядерной физики
        Юрию Цалаковичу Оганесяну, посмею высказать своё скромное, но твёрдое мнение. Мнение основывается на "The application of the group
        SU(2) x SU(2) x (SO(4,2) to the periodic table of chemical elements. Применение этой группы симметрии Румера - Фета даёт
        полную, завершенную систему химических элементов! Новосибирский математик Ю.И.Кулаков внес в эту тематику ключевой вклад. После 118 Og идёт 119 Uue, а далее завершающий систему 120 Ubn. Синтезируют ли 119, 120 -- ???
        На эту тему высказался (~ 2011) UK физик:
        (Z-98) Cf + (Z-22) Ti = (Z-120) Ubn
        https://www.youtube.com/watch?v=c1rYuslEQLs
        Ответить
        • niki > Hom | 03.02.2017 | 17:06 Ответить
          Ну и что? А применение идеальных Платоновых многогранников завершает солнечную систему.
          Ответить
        • Kraj > Hom | 21.02.2017 | 23:02 Ответить
          Спасибо! Очень интересные и красивые выкладки, но, похоже, я чего-то не понял - ни у Фета, ни у Кулакова, ни у англоязычных авторов я не увидел прямого запрета на продолжение таблицы, кое-где у них и в таблицах и в тексте проскальзывает z>120, это ввергает меня в когнитивный диссонанс, но у меня плохо и с теорией групп и с английским. Сама группа SU(2) x SU(2) x (SO(4,2) накладывает ограничение на z?
          Ответить
        • Kraj > Hom | 25.02.2017 | 16:55 Ответить
          Вот например цитата из А.И.Фет "Группа симметрии химических элементов"

          https://pp.vk.me/c637616/v637616464/2f6a6/9q4BxhaO9kU.jpg
          Ответить
      • persicum > Kraj | 31.01.2017 | 07:22 Ответить
        Я думаю, у 120 все нуклонные оболочки заполнены, и 121 протон будет отваливаться от ядра так же легко, как электрон от атома натрия
        Ответить
  • cybrid  | 28.01.2017 | 10:35 Ответить
    На схеме элементов неправильно подписан уран, от него должны идти горизонтальные линии, а так он получается как будто серией изотопов.
    Ответить
  • trvit  | 28.01.2017 | 15:50 Ответить
    На схеме изотопов самый тяжелый естественный нуклид — неправда. Со времен формирования Земли еще сохранилось немного плутония-244. Вот ссылка на аннотацию статьи об его обнаружении еще 1971 г.
    http://www.nature.com/nature/journal/v234/n5325/abs/234132a0.html
    Количества конечно смешные, но он есть.
    Ответить
    • Hom > trvit | 29.01.2017 | 10:29 Ответить
      Справедливости ради, плутоний упомянут Романом.
      [...В ее недрах они могут сохраниться разве что в малых количествах, как уран и торий, или вовсе — в следовых, как плутоний...]
      Ответить
      • Hom > Hom | 02.02.2017 | 12:27 Ответить
        Ещё одна поп. статья (7 апр. 2015) на тему, затрагиваемою Романом Фишманом:
        За пределами стабильности
        Зачем нужны искусственные элементы и изотопы
        Алексей Тимошенко
        http://chrdk.ru/sci/isotopes
        Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»