У пошуках нових хімічних елементів вчені давно залишили звичний «материк» шкільної Періодичної таблиці, пройшли радіоактивним півостровом, перетнули протоку вкрай нестійких ядер і опинилися на довгоочікуваних берегах «острова Стабільності».
хімічний материк
Півтора століття тому, коли Дмитро Іванович Менделєєв відкрив Періодичний закон, було відомо тільки 63 елемента. Впорядковані в таблицю, вони легко розкладалися за періодами, кожний з яких відкривається активними лужними металами і закінчується (як з'ясувалося пізніше) інертними благородними газами. З тих пір таблиця Менделєєва збільшилася майже вдвічі, і з кожним розширенням Періодичний закон підтверджувався знову і знову. Рубідій так само нагадує калій і натрій, як ксенон - криптон і аргон, нижче вуглецю розташовується багато в чому схожий на нього кремній ... Сьогодні відомо, що ці властивості визначаються числом електронів, що обертаються навколо атомного ядра.
Вони заповнюють «енергетичні оболонки» атома одну за одною, як глядачі, по порядку займають сидіння на своїх рядах в театрі: той, хто виявився останнім, визначить хімічні властивості всього елемента. Атом з повністю заповненою останньої оболонкою (як гелій з його двома електронами) буде інертним; елемент з одним «зайвим» електроном на ній (як натрій) стане активно утворювати хімічні зв'язки. Число негативно заряджених електронів на орбітах пов'язано з кількістю позитивних протонів в ядрі атома, і саме числом протонів відрізняються різні елементи.
Зате нейтронів в ядрі одного і того ж елемента може бути різна кількість, заряду у них немає, і на хімічні властивості вони не впливають. Але в залежності від числа нейтронів водень може виявитися важче гелію, а маса літію - досягати семи замість «класичних» шести атомних одиниць. І якщо список відомих елементів сьогодні наближається до позначки в 120, то число ядер (нуклідів) перевалило за 3000. Більшість з них нестабільні і через деякий час розпадаються, викидаючи «зайві» частки в ході радіоактивного розпаду. Ще більше нуклідів нездатні існувати в принципі, моментально розвалився на шматки. Так материк стабільних ядер оточує ціле море нестійких поєднань нейтронів і протонів.
море Нестійкості
Доля ядра залежить від числа нейтронів і протонів в ньому. Згідно оболочечной теорії будови ядра, висунутої ще в 1950-х, частки в ньому розподіляються за своїми енергетичними рівнями так само, як електрони, які обертаються навколо ядра. Деякі кількості протонів і нейтронів дають особливо стійкі конфігурації з повністю заповненими протонними або нейтронними оболонками - по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронів ще і 126 часток. Ці числа називаються «магічними», а найстабільніші ядра містять «двічі магічні» кількості частинок - наприклад, 82 протона і 126 нейтронів у свинцю або по два - в звичайному атомі гелію, другого за поширеністю елемент у Всесвіті.
Послідовний «Хімічний материк» елементів, які можна знайти на Землі, закінчується свинцем. За ним йде низка ядер, які існують набагато менше віку нашої планети. В її надрах вони можуть зберегтися хіба що в малих кількостях, як уран і торій, або зовсім - у невеликій, як плутоній. З породи витягти його неможливо, і плутоній напрацьовують штучно, в реакторах, бомбардуючи нейтронами уранову мішень. Взагалі сучасні фізики звертаються з ядрами атомів, як з деталями конструктора, змушуючи їх приєднувати окремі нейтрони, протони або цілі ядра. Це і дозволяє отримувати все більш і більш важкі нукліди, перетинаючи протоку «моря Нестійкості».
Мета подорожі підказана тієї ж оболочечной теорією будови ядра. Це - область надважких елементів з відповідним (і дуже великим) числом нейтронів і протонів, легендарний «острів Стабільності». Розрахунки говорять, що деякі з місцевих «мешканців» можуть існувати вже не частки мікросекунд, а на багато порядків довше. «У певному наближенні їх можна розглядати як крапельки води, - пояснив нам академік РАН Юрій Оганесян. - Аж до свинцю слідують ядра сферичні і стійкі. За ними слід півострів помірно стабільних ядер - таких як торій або уран, - який витягується обмілиною сильно деформованих ядер і обривається в нестабільний море ... Але ще далі, за протокою, може перебувати нова область сферичних ядер, надважких і стійких елементів з номерами 114, 116 і далі". Час життя деяких елементів на «острові Стабільності» може тривати вже роки, і то і мільйони років.
острів Стабільності
Трансуранові елементи з їх деформованими ядрами вдається створити, бомбардуючи нейтронами мішені з урану, торію або плутонію. Обстрілюючи їх розігнаними в прискорювачі легкими іонами, можна послідовно отримати ряд елементів ще важче - але в якийсь момент настане межа. «Якщо розглядати різні реакції - приєднання нейтронів, приєднання іонів - як різні« кораблі », то всі вони не допоможуть нам доплисти до« острова Стабільності », - продовжує Юрій Оганесян. - Для цього потрібно «судно» і побільше, і іншої конструкції. В якості мішені доведеться використовувати нейтроноізбиточних важкі ядра штучних елементів важче урану, а бомбардувати їх потрібно великими, важкими ізотопами, що містять багато нейтронів, такими як кальцій-48 ».
Робота над таким «кораблем» виявилася під силу лише великій міжнародній команді вчених. Інженери і фізики комбінату «Електрохімпрібор» виділили з природного кальцію виключно рідкісний 48-й ізотоп, що міститься тут в кількості менше 0,2%. Мішені з урану, плутонію, америцію, кюрія, каліфорнія приготували в Дімітроградском НДІ Атомних реакторів, в Ліверморської національної лабораторії і в Національній лабораторії в Оук-Рідж в США. Ну а ключові експерименти з синтезу нових елементів були проведені академіком Оганесяном в Об'єднаному інституті ядерної фізики (ОІЯД), в Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова. «Наш прискорювач в Дубні працював по 6-7 тисяч годин на рік, розганяючи іони кальцію-48 приблизно до 0,1 швидкості світла, - пояснює вчений. - Ця енергія необхідна, щоб деякі з них, вдаряючись в мішень, подолали сили кулонівського відштовхування і злилися з ядрами її атомів. Наприклад, 92-й елемент, уран, дасть ядро нового елемента з номером 112, плутоній - 114, а калифорний - 118 ».
Юрій Оганесян, академік РАН, науковий керівник Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова ОІЯФ (м Дубна)
«Пошук нових надважких елементів дозволяє відповісти на одне з найважливіших питань науки: де лежить межа нашого матеріального світу?»
«Такі ядра повинні бути вже досить стабільні і розпадатися будуть не відразу, а стануть послідовно викидати альфа-частинки, ядра гелію. А вже їх ми прекрасно вміємо реєструвати », - продовжує Оганесян. Надважкій ядро викине альфа-частинку, перетворившись в елемент на два атомних номера легше. Як і та дочірнє ядро втратить альфа-частинку і перетвориться у «внучата» - ще на чотири легше, і так далі, поки процес послідовного альфа-розпаду не закінчиться випадковим появою і моментальним спонтанним поділом, загибеллю нестійкого ядра в «море Нестабільності». З цієї «генеалогії» альфа-частинок Оганесян і його колеги простежили всю історію перетворення отриманих в прискорювачі нуклідів і окреслили ближній берег «острова Стабільності». За пів століття плавання на нього висадилися перші люди.
Нова Земля
Уже за перше десятиліття XXI століття в реакціях злиття актинидов з прискореними іонами кальцію-48 були синтезовані атоми елементів з номерами від 113 і аж до 118-го, лежачого на далекому від «материка» березі «острова Стабільності». Час їх існування вже на порядки більше, ніж у сусідів: наприклад, елемент 114 зберігається трохи мілісекунди, як 110-й, а десятки і навіть сотні секунд. «Такі речовини вже доступні для хімії, - говорить академік Оганесян. - А значить, ми повертаємося до самого початку подорожі і тепер можемо перевірити, чи дотримується для них Періодичний закон Менделєєва. Чи буде 112-й елемент аналогом ртуті і кадмію, а 114-й - аналогом олова і свинцю »? Перші ж хімічні експерименти з ізотопом 112-го елемента (коперніцій) показали: мабуть, будуть. Ядра коперніцій, що вилітають з мішені при бомбардуванні, вчені направляли в довгу трубку, що включає 36 парних детекторів, частково покритих золотом. Ртуть легко утворює стійкі интерметаллические з'єднання з золотом (це властивість використовується в давній техніці позолоти). Тому ртуть і близькі до неї атоми повинні осідати на золотій поверхні перших же детекторів, а радон і атоми, близькі до благородних газів, можуть добиратися до кінця трубки. Слухняно слідуючи Періодичному закону, коперніцій проявив себе родичем ртуті. Але якщо ртуть стала першим відомим рідким металом, то коперніцій, можливо, виявиться першим газоподібним: температура його кипіння нижче кімнатної. За словами Юрія Оганесяна, це тільки руда початок, і надважкі елементи з «острова Стабільності» відкриють нам нову, яскраву і незвичайну область хімії.
Але поки ми затрималися біля підніжжя острова стабільних елементів. Очікується, що 120-й і наступні за ним ядра можуть виявитися по-справжньому стійкими і будуть існувати вже довгі роки, а то й мільйони років, утворюючи стабільні сполуки. Однак отримати їх за допомогою того ж кальцію-48 вже неможливо: не існує досить довгоживучих елементів, які могли б, об'єднавшись з цими іонами, дати ядра потрібної маси. Спроби замінити іони кальцію-48 чимось важчим поки теж не принесли результату. Тому для нових пошуків вчені-мореплавці підняли голову і придивилися до небес.
Космос і фабрика
До першого складу нашого світу різноманітністю не відрізнявся: в Великому вибуху з'явився лише водень з невеликими домішками гелію - найлегші з атомів. Всі інші шановні учасники таблиці Менделєєва з'явилися в реакціях злиття ядер, в надрах зірок і при вибухах наднових. Нестійкі нукліди швидко розпадалися, стійкі, як кисень-16 або залізо-54, накопичувалися. Не дивно, що важких нестабільних елементів, таких як америцій або коперніцій, в природі виявити не вдається.
Але якщо десь справді є «острів Стабільності», то хоча б в невеликих кількостях надважкі елементи повинні зустрічатися на просторах Всесвіту, і деякі вчені ведуть їх пошуки серед частинок космічних променів. За словами академіка Оганесяна, цей підхід все ж не так надійний, як стара добра бомбардування. «По-справжньому довгоживучі ядра на« вершині »острова Стабільності містять незвично велику кількість нейтронів, - розповідає вчений. - Тому нейтроноізбиточних кальцій-48 виявився таким вдалим ядром для бомбардування нейтроноізбиточних елементів мішені. Однак ізотопи важче кальцію-48 нестабільні, і надзвичайно малі шанси на те, що вони в природних умовах зможуть злитися з утворенням сверхстабільних ядер ».
Тому лабораторія в підмосковній Дубні звернулася до використання більш важких ядер, нехай і не настільки вдалих, як кальцій, для обстрілювання штучних елементів мішеней. «Ми зараз зайняті створенням так званої Фабрики надважких елементів, - говорить академік Оганесян. - У ній ті ж мішені будуть бомбардувати ядрами титану або хрому. Вони містять на два і чотири протона більше, ніж кальцій, а значить - можуть дати нам елементи з масами 120 і більше. Цікаво буде подивитися, чи будуть вони ще на «острові» або ж відкриють новий протоку за ним ».
Стаття «Острів скарбів» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2016 ).
Чи буде 112-й елемент аналогом ртуті і кадмію, а 114-й - аналогом олова і свинцю »?
