РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

За пределами таблицы Менделеева: что такое трансурановые элементы и почему ученые так озабочены их поисками

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».
За пределами таблицы Менделеева: что такое трансурановые элементы и почему ученые так озабочены их поисками
Getty Images

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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, и то и миллионы лет.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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».

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

«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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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. 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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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».

Денис Гривер
Денис Гривер 03 Сентября 2018, 01:37
А зачем астрономы исследуют далёкие галактики? А зачем математики исследуют многомерные пространства? Во-первых, это красиво...
Игорь Ручкинов
Игорь Ручкинов 10 Ноября 2017, 19:22
А зачем их все-таки ищут? Какая от этого практическая/другая польза. Статья меня разочаровала, так как ответа на вопрос в заголовке не дала. А рекламы то ее сколько Читаешь у вас любую новость везде этот спойлер. Глаза замыливает только.
Виталий Нехорошев
Виталий Нехорошев 21 Августа 2019, 21:26
У водорода 7 изотопов, а не 3, но более тяжёлые крайне нестабильны.
Bagdasar Khachikyan
Bagdasar Khachikyan 09 Марта 2018, 14:55
Ошибочка. Ядра гелия 3 и трития конечно же имеют равное количество нуклонов, а именно, как это не удивительно, три :) А гелий 2, как известно, существовать не может, так как два протона не могут держаться вместе без помощи одного или нескольких нейтронов. НО Гелий 3 содержит два протона и один нейтрон, а тритий с точностью наоборот. А это значит, что за счёт большей массы нетрона по сравнению с протоном, тритий всё же будет хоть совсем чуть-чуть, да тяжелей. Вывод, водород может быть тяжелей гелия, хоть и совсем малость, и очень редко, потому как оба изотопа ну просто чудовищно редки, и как правило, производятся искусственно.
Андрей Данильчук
Андрей Данильчук 14 Марта 2018, 14:37
Есть разница.её можно увидеть по внешним признакам . например. Кристаллическая решетка графита и алмаза показывает похожие свойства...но олмазная решетка электричество не проводит.а графит проводит.весь секрет в разных модификациях Техже элементов
Медет Эргешов
Медет Эргешов 18 Октября 2017, 06:27
Разница между молекулярным и атомарным водородом есть?
Андрей Данильчук
Андрей Данильчук 12 Октября 2017, 13:41
Или ультразвук точит камни ...нужно смотреть на реакции нестандартно и определять по внешним факторам
Андрей Данильчук
Андрей Данильчук 16 Октября 2017, 16:24
Надо сделать эксперимент. В вакууме. Я этим на днях займусь
Иван Тимофеев
Иван Тимофеев 13 Октября 2017, 19:23
Раз уж на то пошло, то звук – механическая волна и в вакууме от неё не будет пользы
Андрей Данильчук
Андрей Данильчук 12 Октября 2017, 13:30
Звук это электромагнитные волны.например инфрозвук воздействуя на систему атомов- воды, напрягает ихние связи и вода изменяет свои обычные свойства
Михаил Гинзбург
Михаил Гинзбург 13 Августа 2017, 20:26
Пожалуйста обьясните как звук, может повлиять на внутриядерные реакции????
Андрей Данильчук
Андрей Данильчук 10 Августа 2017, 12:57
На столько долго на сколько благоприятная среда и время
Андрей Данильчук
Андрей Данильчук 10 Августа 2017, 12:55
Дело не только в изучении ядер гравитацией . присоединение это последствие, а саму работу по присоединению (в вакууме или другой реактивной среде ),необходимо с участием звуков разных частот и света разных частот - можно сказать  запрограммировать или дать реакции информацию в свете или звуке.А ядря себя сами изменят
Михаил Гинзбург
Михаил Гинзбург 06 Августа 2017, 01:10
"Но в зависимости от числа нейтронов водород может оказаться тяжелее гелия"- неможет самый лёгкий гелий 3 и самый тяжелый водород 3(триий) ,так что, максимум могут быть примерно равны!  Но не тяжелей!
Загрузка статьи...