Открытие элементов 113, 115, 117 и 118: что это дает

Борис Жуйков
«Троицкий вариант» №13(207), 28 июня 2016 года

Об авторе Борис Жуйков — радиохимик, докт. хим. наук, зав. Лабораторией радиоизотопного комплекса Института ядерных исследований РАН, ранее много лет работавший в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (Дубна), занимался исследованием свойств новых элементов.

Открытие новых элементов Периодической таблицы Менделеева всегда вызывало интерес у широкой публики. Дело даже не столько в научной значимости этих открытий, а в том, что в школе все проходили Периодический закон, и некоторые даже помнят символы, обозначающие элементы. Это понятно, знакомо. Но сейчас за этими открытиями стоят сложные исследования в ядерной физике и радиохимии, о которых многие не имеют представления.

В настоящее время новые элементы получают только на ускорителях тяжелых ионов. (Ранее их обнаруживали в земных минералах, продуктах ядерных реакторов и ядерных взрывов.) Тяжелыми ионами, ускоренными в циклотронах или линейных ускорителях, бомбардируют мишени из тяжелых элементов, и в результате реакции слияния с испусканием одного или нескольких нейтронов синтезируется новый элемент с порядковым номером (зарядом ядра) — суммой зарядов ядер налетающего иона и ядра мишени. Затем образующиеся ядра претерпевают радиоактивный распад. Для синтеза наиболее устойчивых изотопов выбирают такие комбинации ядер, в которых содержится по возможности большее число нейтронов и составные ядра имеют низкую энергию возбуждения. Выход получаемых тяжелых элементов чрезвычайно мал — отдельные атомы или десятки атомов, иногда за месяцы облучения на ускорителе. Период полураспада — секунды, а иногда и доли миллисекунд. Довольно сложно выделить ядра новых элементов из всей смеси образующихся продуктов ядерных реакций и правильно идентифицировать полученные продукты. Для этого создаются специальные установки, которые в результате регистрируют цепочку распадов с испусканием альфа-частиц и образованием изотопов более легких элементов, иногда цепочка оканчивается спонтанным делением ядра.

В нашей стране начиная с 1950-х годов работы по синтезу новых элементов на ускорителях тяжелых ионов проводились в Дубне под руководством акад. Г. Н. Флёрова (1913–1990) — основателя этого направления. Сейчас эти работы проводятся под научным руководством акад. Ю. Ц. Оганесяна. В мире существует лишь несколько ускорителей и установок, где можно получать трансактиноидные элементы (т. е. элементы с зарядом ядра Z более 103).

Последнее решение IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии [1]) о признании открытия сразу четырех элементов — под номерами 113, 115, 117 и 118 — привлекло внимание российской общественности еще и потому, что приоритет в трех из них — 115, 117 и 118 — признан за российско-американской коллаборацией, включающей Лабораторию ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова Объединенного института ядерных исследований (Дубна) (ФЛЯР ОИЯИ), Ливерморскую национальную лабораторию им. Э. Лоуренса (LLNL), Окриджскую национальную лабораторию (ORNL) и Университет Вандербильта. Приоритет в открытии элемента 113 признан за группой из японского ускорительного научного центра RIKEN.

Установление приоритета — непростая задача, так как неточности в первых сообщениях об открытии в какой-то мере неизбежны. Вопрос — какие неточности существенны, а какие можно принять и насколько выводы авторов обоснованны. Решение IUPAC основывалось на отчетах объединенной рабочей группы экспертов (Joint Working Party, JWP) [2, 3] и разработанных ранее критериях открытия. Согласно существующей практике авторам предоставляется право предложить названия новых элементов.

Рис. 2. Карта радионуклидов трансактиноидных элементов, включая некоторые ядерные реакции их получения (взято из [4])

Элемент 113 предложено назвать нихонием (nihonium, Nh). Nihon — одно из двух названий Японии на японском языке, означающее «Страна восходящего солнца». Это первый элемент, открытый в Азии. Дубнинская группа оспаривала это первенство.

Приоритетные работы были опубликованы ФЛЯР ОИЯИ и RIKEN почти одновременно в 2004 году, группа из Дубны опубликовала работу даже несколько раньше. Для синтеза новых ядер в Японии использовали «холодную» реакцию слияния, бомбардируя изотопом цинка мишень из висмута ⁷⁰Zn + ²⁰⁹Bi, с образованием изотопа ²⁷⁸113 (время жизни — миллисекунды и десятые доли миллисекунд).

В Дубне применили более выгодную (с точки зрения выхода и периодов полураспада) ядерную реакцию ионов тяжелого изотопа кальция и америция ⁴⁸Ca + ²⁴³Am, которая приводит к образованию изотопов ²⁸⁸115 и ²⁸⁷115. Эти радионуклиды, испуская альфа-частицы, распадаются сначала соответственно в ²⁸⁴113 и ²⁸³113 (время жизни — сотни миллисекунд), а затем по цепочке в долгоживущие изотопы элемента 105 (дубния, Db). ²⁶⁸Db выделяли химически и затем регистрировали спонтанное деление.

Но промежуточные нуклиды в этих цепочках распада на тот момент не были известны, и их независимая физическая идентификация не проводилась. А химическое выделение и идентификацию Db на основе ионного обмена, проведенные в ФЛЯР ОИЯИ, объединенная рабочая группа посчитала неселективными и неубедительными. Также не были приняты во внимание попытки исследовать химические свойства элемента 113 методом газовой хроматографии, хотя этот метод ранее успешно использовался для изучения химии других трансактиноидных элементов. В результате заключили, что заявка Дубны в данном случае не соответствует критериям открытия элементов.

В то же время все промежуточные продукты распада синтезированного в Японии изотопа ²⁷⁸113 (всего 3 события за 8 лет работы) были подтверждены, в том числе в специальных экспериментах в новом исследовательском центре по тяжелым ионам Ланжо в Китае. Таким образом, приоритет в открытии элемента 113 был признан за японской группой.

Элемент 115 был синтезирован в Дубне, и в честь региона, где расположен этот международный центр, авторами было предложено название московий (moscovium, Mc). Элемент получали опять же в ядерной реакции ⁴⁸Ca + ²⁴³Am с образованием ²⁸⁷115 и ²⁸⁸115 (время жизни — десятки и сотни миллисекунд соответственно). Позднее был получен ²⁸⁹115 и другие изотопы этого элемента. В отличие от первого цикла химических экспериментов, которые дубнинская группа проводила самостоятельно, позднее, в 2007 году, химическое выделение продукта распада — ²⁶⁸Db осуществлялось уже с привлечением американских специалистов из Ливермора, и была достаточно убедительно доказана принадлежность этого элемента — продукта распада 115-го элемента — к V группе Периодической системы.

Более того, в 2013 году коллаборации из немецкого Центра исследований c тяжелыми ионами в Дармштадте (GSI) удалось повторить дубнинские результаты по получению изотопов элемента 115 в ядерной реакции ⁴⁸Ca + ²⁴³Am. Таким образом, приоритет в открытии элемента 115 был признан за российско-американской группой.

Элемент 117 предложено назвать теннеcсин (tennessine, Ts) в честь американского штата Теннесси, где расположена Окриджская национальная лаборатория. Окончание в названии — по аналогии с астатином и другими элементами группы галогенов (на английском языке). Этот элемент также был синтезирован в Дубне, в ядерной реакции ⁴⁸Ca + ²⁴⁹Bk. Роль американских коллег из Окриджа в основном состояла в изготовлении уникальной мишени берклия-249, который получали на высокопоточном реакторе в ORNL. В 2010–2013 годах было зарегистрировано всего 13 цепочек распадов ²⁹³117 и ²⁹⁴117, причем характеристики (время жизни и энергия альфа-распада) продукта распада ²⁸⁹115 соответствовали данным, полученным ранее для этого радионуклида в другой ядерной реакции ⁴⁸Ca + ²⁴³Am. По этой причине заявка на открытие этого элемента была признана отвечающей установленным критериям.

Элементу 118 авторами предложено название оганесон (oganesson, Og). Он должен являться аналогом радона и других инертных газов, и его открытие завершает седьмой период таблицы Менделеева. Этот элемент предложено назвать в честь Юрия Цолаковича Оганесяна за его пионерский вклад в исследование трансактиноидных элементов и важные ядерно-физические достижения в открытии сверхтяжелых ядер и исследовании «острова ядерной стабильности». В истории существовал только еще один пример, когда имя элемента присваивалось действующему ученому. Элемент 106 был назван в 1997 году сиборгием (Sg) в честь Гленна Сиборга (1912–1999), лауреата Нобелевской премии, автора открытия плутония и целого ряда трансплутониевых элементов.

В 2002–2012 годах в Дубне при облучении мишени ²⁴⁹Cf ионами ⁴⁸Ca было обнаружено несколько событий образования ²⁹⁴118 (время жизни — порядка 1 миллисекунды), сопровождающихся последовательным распадом ²⁹⁰Lv (ливермория), ²⁸⁶Fl (флеровия) и ²⁸²Cn (коперниция). Время жизни и энергии альфа-частиц этих изотопов Fl и Cn были подтверждены американской коллаборацией на циклотроне в Беркли, поэтому объединенная рабочая группа рекомендовала признать открытие.

Следует отметить, что все вновь предложенные названия и символы элементов пока еще не утверждены IUPAC.

* * *

Какое значение имеет открытие этих новых элементов?

Вопрос «Сколько хлеба и угля это может дать?» абсолютно некорректен. Пользу от развития определенной ветви фундаментальной науки часто невозможно предсказать, и такого рода аргументы не должны тормозить ее развитие. Попытки заранее расписать доход и политические выгоды от научных открытий смехотворны. Соображения престижа также не должны как-то ограничивать развитие направления, потому что его истинное значение может раскрыться много позже. И наоборот, широко разрекламированные достижения могут не иметь никакого значительного продолжения. Вообще, наука должна руководствоваться своей логикой, а не логикой людей, далеких от нее. Общество должно доверять ученым, и «удовлетворение собственного любопытства за государственный счет» — это нормальное положение в данной области человеческой деятельности. И именно ученые, квалифицированные специалисты должны определять, на что следует тратить деньги, а что может подождать или вообще бесперспективно.

Другой вопрос, какое научное значение может иметь этот результат об открытии новых элементов. Что он изменяет в наших представлениях о структуре ядра и химических свойствах элементов вообще?

С физической точки зрения эти результаты могут иметь значение для лучшего понимания ядерной структуры и ядерного взаимодействия. С 1960-х годов бурно обсуждался вопрос о существовании так называемых островов стабильности в районе зарядов ядер Z = 114 и 126 как проявление оболочечной структуры ядер. Поэтому получение первых трансактиноидных элементов, которые имели гораздо больший период полураспада, чем предсказывалось старой «капельной» моделью строения ядра, было действительно принципиально важно. Сейчас в оболочечной модели никто не сомневается. Полученные результаты по новым элементам и новым изотопам позволяют уточнить существующие модели ядра и ядерных реакций. Хотя и не ожидается принципиально новых явлений, набор новых данных всегда полезен. Очевидно, что вершины острова стабильности существующими методами не достигнуть: просто нет таких комбинаций в ядерных реакциях — в получаемых изотопах не хватает нейтронов. Ранее много лет проводились попытки обнаружения в природных образцах СТЭ, которые были бы настолько долгоживущими, что могли остаться со времен образования Солнечной системы. Но эти попытки не увенчались успехом. Некогда заявленные результаты не нашли ни экспериментального, ни теоретического подтверждения.

С химической точки зрения ситуация несколько иная. Здесь действительно можно ожидать принципиально новых явлений. Дело в так называемых «релятивистских эффектах». В атомах с большим зарядом ядра электроны приобретают релятивистские скорости, и обычное уравнение Шрёдингера, используемое для описания атомов, уже не работает. В частности, знакомые всем «гантельки» р-электронов в VII-периоде претерпевают изменения, и одна из них превращается в шар. В результате электронная структура атомов меняется. У новых элементов возможно значительное отклонение химических свойств от экстраполированных по Периодической таблице и возникновение необычных химических свойств.

В отношении «релятивистских эффектов» существует много спекуляций, очевидно направленных на поднятие интереса к вопросу. Например, высказывалось предположение, что элемент 104 резерфордий (Rf) — формальный аналог титана, циркония и гафния — может оказаться p-элементом, по химическим свойствам близким к свинцу. Или заявлялось, что элемент 114 флеровий (Fl) — аналог свинца — может оказаться инертным газом. На самом деле при аккуратном рассмотрении выясняется, что, хотя атом Rf и имеет необычную конфигурацию внешней электронной оболочки (ds²p), по своим химическим свойствам это типичный d-элемент, аналог гафния. А Fl, обладая повышенной летучестью (как это следует и из любых экстраполяций), в конденсированном состоянии остается типичным металлом. Вообще, абсолютно некорректно любое отклонение от экстраполяции по Периодической системе приписывать «релятивистским эффектам»: оно может быть обусловлено совершенно другими причинами, например межконфигурационным взаимодействием.

Так или иначе, исследование релятивистских эффектов позволяет лучше понять и химические свойства давно известных и повсеместно применяемых элементов. Также это позволяет лучше разобраться в том, каким образом электронное строение атомов и молекул, которое можно рассчитать, определяет их конкретные химические свойства. Это до сих пор является далеко не до конца решенным вопросом. Дальнейшее продвижение по Периодической таблице может привести к образованию совсем новой группы элементов — g-элементов (начиная с элемента 121) с интересными свойствами. Все эти вопросы еще ждут подробного исследования.

Однако приходится отметить, что в последних открытиях исследования химических свойств новых элементов вообще не фигурируют (химически выделялся лишь продукт распада элемента 115 — элемент 105, Db, чтобы подтвердить конец цепочки распада). Но такое исследование трудно было провести ввиду низкого выхода и коротких периодов полураспада полученных изотопов. Тем не менее это возможно, хотя требует нового подхода к постановке химических экспериментов.

Открытие новых элементов дает еще один пример того, что значительные достижения российских ученых возможны в тесной коллаборации с учеными из США, Германии и других развитых стран. Именно такие работы и поднимают престиж нашей науки.

[1] International Union of Pure and Applied Chemistry.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill В.M., Vardaci E., Yamazaki T. Discovery of the elements with atomic numbers Z = 113, 115 and 117 (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. Chem. 2016. V. 88. P. 139–153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Discovery of the elements with atomic numbers Z = 118 (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. 2016. V. 88. P. 155–160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Search for Superheavy Nuclei // Annu. Rev. Nucl. Part. Sci., 2013. V. 63. P. 383–405.