Некоторые элементы существуют только в экстремальных условиях, часто получаемых в лабораториях. Среди них особенно интересны сверхтяжелые элементы, которые находятся за ураном в периодической таблице. Но их изучение сопряжено с серьезными трудностями: время их жизни невероятно мало. Однако недавно был совершен большой прорыв.
Химические свойства двух из этих элементов — московия (элемент 115) и нихония (элемент 113), впервые синтезированных в российском Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, наконец удалось изучить.
Элементы в периодической таблице классифицируются в соответствии с их атомным номером. Чем тяжелее элемент, тем более нестабильна его атомная структура. Это связано с тем, что большее количество протонов создает более сильное электромагнитное отталкивание между ними, делая ядро нестабильным и склонным к распаду. Это особенно характерно для трансурановых элементов, то есть тех, что находятся после урана (элемент 92). Московий и нихоний — прекрасные примеры этих сверхтяжелых элементов. Полученные пучками частиц, посылаемых на невероятно высоких скоростях для слияния атомных ядер, они настолько нестабильны, что распадаются за несколько миллисекунд, оставляя очень мало времени для наблюдения за их поведением. В частности, московий-288, самый стабильный изотоп этого элемента, имеет период полураспада всего 100 миллисекунд, а нихоний-286 остается стабильным всего 9,5 секунды.
Несмотря на эти трудности, исследователи из Ассоциации немецких исследовательских центров имени Гельмгольца недавно смогли наблюдать химические свойства этих двух элементов. Сначала исследователи получили их, ускорив ионы кальция-48 и направив их на мишени из америция-243, что привело к слиянию ядер и образованию московия-288, который затем распался на нихоний-284. Чтобы сохранить образовавшиеся атомы до их распада, исследователи использовали инертные газы для переноса их через кварцевые детекторы, что позволило проанализировать их химическую реактивность. Эти методы были крайне важны для получения данных о поведении этих элементов на чрезвычайно малых временных масштабах. Команда проверила их реактивность, проанализировав их взаимодействие с другими химическими веществами.
К их большому удивлению, московий и нихоний оказались более реакционноспособными, чем другие соседние элементы периодической таблицы, например свинец. Это может показаться странным результатом, поскольку тяжелые элементы часто менее реактивны из-за того, как распределены их электроны. Релятивистский эффект Исследователи обнаружили, что повышенная реакционная способность сверхтяжелых элементов, таких как московий и нихоний, может быть объяснена явлением, известным как релятивистский эффект.
По распространённой версии, этот эффект связан с влиянием теории относительности. Когда элемент становится тяжелее, крайние электроны движутся со скоростью, близкой к скорости света. Эксперименты показали, что это явление действительно имеет место для изученных элементов. Однако мы знаем, что специальная относительность изменяет способ, которым эти электроны взаимодействуют с другими атомами. Теория относительности предсказывает, что эти электроны ведут себя иначе, чем электроны более легких элементов, что нарушает классические модели химии. Это отчасти объясняет, почему такие элементы, как флеровий (элемент 114), который в периодической таблице близок к свинцу, почти так же малореактивны, как и благородные газы.
Исследователи обнаружили, что этот эффект также влияет на московий и нихоний, но в меньшей степени. Хотя они более реактивны, чем некоторые тяжелые элементы, они менее реактивны, чем соседние легкие элементы. Хотя в настоящее время сверхтяжелые элементы не имеют широкого практического применения, поскольку их очень короткое время жизни не позволяет использовать их в реальных технологиях, открытия такого рода крайне важны для нашего понимания фундаментальной химии. В будущем, если ученым удастся стабилизировать некоторые из этих элементов или получить большее их количество, можно будет найти применение в таких областях, как ядерная энергетика или современные батареи.