То, что после урана

2 ноября 2012

Про гениального русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева всем и каждому известно два удивительных факта: во-первых, ученый придумал свою таблицу периодических элементов  во сне и во-вторых, именно ему принадлежит честь открытия знаменитого русского напитка. И то и другое — миф, основанный, однако, не на пустом месте. Никакую водку Дмитрий Иванович не изобретал, хотя и работал над  докторской диссертацией «Рассуждение о соединении спирта с водою», где речь шла об исследовании удельного веса растворов отнюдь не водочной концентрации. Что касается периодической таблицы элементов, то в ее создании действительно, имеется много мистического. Но дело тут совсем не в пророческом сновидении: попробуйте 20 лет заниматься исследованиями какого-то значимого и сложного вопроса. Ручаюсь, он начнет преследовать вас в каждом втором сне, а домашние будут зеленеть и лезть на стену при малейшем намеке на предмет ваших мысленных упражнений. 

Волшебство гениальности видится здесь в другом: составляя периодическую таблицу, Менделеев расставлял элементы по возрастанию атомного веса. Уже на бериллии стало ясно, что по научным данным того времени таблица не получается. А далее действительно необъяснимо: Менделеев просто изменил атомный вес бериллия и добавил между титаном и кальцием пустую ячейку. Он поступил так чуть ли не с третьей частью таблицы. Вес урана в результате увеличился аж в 4 раза. Эта таблица не только систематизировала химические элементы, но и предсказала появление неизвестных элементов!

 На первых порах сама система, внесённые исправления и прогнозы Менделеева были встречены научным сообществом весьма сдержанно. Однако после того, как предсказанные Менделеевым «экаалюминий» (галлий), «экабор» (скандий) и «экасилиций» (германий) были открыты соответственно в 1875, 1879 и 1886 гг., периодический закон получил признание. Сделанные в конце XIX – начале XX вв. открытия инертных газов и радиоактивных элементов не поколебали периодического закона, но лишь укрепили его. Открытие изотопов объяснило некоторые нарушения последовательности расположения элементов в порядке возрастания их атомных весов (т.н. «аномалии»). Создание теории строения атома окончательно подтвердило правильность расположения Менделеевым элементов и позволило разрешить все сомнения о месте лантаноидов в периодической системе.

Процесс заполнения таблицы продолжается и сегодня. Встретить на Земле элемент тяжелее урана (92 порядковый номер в таблице) невозможно – все они радиоактивны, и за последние четыре миллиарда лет существования нашей планеты их ядра распались. Тут на помощь приходят специальные ядерные реакторы и ускорители. Например, один из мощнейших источников энергии — плутоний, элемент с 94 порядковым номером, нарабатывается в ядерном реакторе с помощью облучения урана или трансурановых элементов. Все что тяжелее фермия – 100 порядковый номер -  можно получить только на ускорителях, бомбардируя мишени тяжелыми ионами. При слиянии ядер мишени и «снаряда» и возникают ядра нового элемента.

Концепция атома предполагает возможность существования элементов с порядковым номером до 170. Но тут возникает проблема: как только порядковый номер элемента превышает номер урана, время его жизни резко уменьшается. Поскольку трансурановые элементы радиоактивны, они подвержены распаду, причем разным его видам. Например, ядро 100-го элемента в 20 раз менее стабильно, чем ядро урана, а в дальнейшем эта нестабильность только усиливается, потому что вступает в действия другой вид распада – спонтанное деление.  Однако в 60-х годах в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований был проведен ряд экспериментов по изучению свойств деления ядер урана. В результате этих экспериментов была разработана теория, согласно которой ядра некоторых сверхтяжелых элементов могут иметь особую конфигурацию, позволяющую им существовать минуты, часы, дни и месяцы. Возникла гипотеза о существовании некой области стабильных сверхтяжелых ядер, далеких от известных сегодня элементов.

Область получила название «острова стабильности», и после предсказания ее существования, крупнейшие лаборатории США,  Франции и Германии начали ряд экспериментов для подтверждения теории. Подтверждением того факта, что область стабильности сверхтяжелых ядер действительно существует, можно считать результаты экспериментов на циклотроне Лаборатории ядерных реакций имени Флерова в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне. Здесь впервые были синтезированы в 2000 году – элемент с атомным номером 114, а в 2004 – с атомным номером 116.

В середине прошлой недели, в Центральном доме ученых в Москве состоялась необычная церемония  «крестин»:  два новых химических элемента таблицы Менделеева получили свои официальные имена. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) принял предложения, внесенные первооткрывателями в декабре 2011 года, и присвоил 114-му элементу наименование «флеровий», а 116-му — «ливерморий», закрепил за новыми элементами химическим обозначения Fl и Lv. Флеровий получил свое название в честь Георгия Флерова — советского физика-ядерщика, открывшего в 1940 году совместно с Константином Петржаком новый тип радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана. Идеи Флерова легли в основу синтеза целого ряда химических элементов, его имя носит  Лаборатория ядерных реакций в Дубне. Ливерморий (Livermorium, Lv) назван в честь Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса: ученые этой лаборатории более 20 лет участвуют в экспериментах по синтезу новых элементов, проводимых в Дубне.

Физиками  из Объединенного института ядерных исследований в  ИЮПАК уже официально подана заявка на признание приоритета по синтезу 113-го, 115-го, 117-го и 118-го элементов — все они были впервые синтезированы в Дубне. По итогам рассмотрения заявок Союз определит приоритет — кто будет считаться первооткрывателем и получит право предложить названия для этих элементов. Однако решения ИЮПАК по этому вопросу может и затянуться. Например, немецкие физики из Гельмгольцевского центра исследований тяжелых ионов (GSI), расположенного в Дармштадте ждали признания успеха синтеза 112-го элемента 14 лет.

Говоря о планах, академик Юрий Цолакович Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Флерова, сообщил о создании в ближайшие 4-5 лет так называемой «фабрики сверхтяжелых элементов». Чтобы получать их не в штучных количествах, а в сотнях и исследовать их свойства детально. В новой лаборатории, на новом ускорителе, и новой аппаратуре. Глава научной группы рассказал, что в следующем году он и его коллеги будут заниматься синтезом трех новых изотопов 118-го элемента. Он напомнил, что германские ученые уже проводили эксперименты по синтезу 119-го и 120-го элементов, но пока не достигли успеха. По его мнению, проект «фабрики» является более перспективным, чем попытки «в лоб» штурмовать новые вершины.

«Фабрика позволит ответить на вопрос: они похожи на другие элементы физически? Химически? Вписываются ли они в таблицу Менделеева? Это исследования более сложные, чем открытие новых элементов", — сказал Оганесян. «Можно идти дальше, в надежде посмотреть, есть ли новые острова стабильности, но это очень сложно. Можно никуда не бегать, а получить то, что получается в большом количестве, и из детальных свойств предсказать, что будет там дальше»,

— считает ученый.