СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА
Российские физики первыми в мире синтезировали шесть самых тяжелых элементов с атомными номерами со 113-го по 118-й. Полученные результаты позволяют уточнить существующие модели ядра и ядерных реакций, лучше понять химические свойства давно известных и повсеместно применяемых элементов, разобраться в том, каким образом электронное строение атомов и молекул определяет их конкретные химические свойства. Дальнейшее продвижение по Периодической таблице может привести к образованию совсем новой группы элементов – g-элементов (начиная с элемента 121) с интересными свойствами.
Синтез 115-, 117- и 118-го элементов осуществлен в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова. Позднее полученные в Дубне результаты были подтверждены учеными Германии и США. Ранее, в 2011 году, Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) признал приоритет россиян в открытии 114- и 116-го элементов.
В целом синтез 114–118-го элементов явился первым экспериментальным открытием существования «островов стабильности» в области сверхтяжелых элементов, что имеет принципиальное фундаментальное значение для ядерной физики (исследование структуры ядра), химии (проверка основополагающего закона периодичности свойств химических элементов Д. И. Менделеева), для понимания одного из ключевых вопросов современной науки – образования тяжелых ядер (процесса нуклеосинтеза) и др.
Всего за последние 50 лет Периодическая таблица Д. И. Менделеева пополнилась 17 новыми элементами (102–118), из которых в ОИЯИ синтезировано 9, в том числе в последние 10 лет 5 наиболее тяжелых (сверхтяжелых) элементов Периодической таблицы.
На сегодня ОИЯИ является признанным мировым лидером в синтезе и изучении свойств новых сверхтяжелых элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева. Однако научная конкуренция в данной области усиливается и сегодня (с учетом полученных в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ результатов) – соответствующие программы приняты в Германии, Японии, КНР, Франции и США. Дальнейшее развитие данных исследований ОИЯИ связывает с созданием в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ первой в мире Фабрики сверхтяжелых элементов на базе нового самого мощного в данной области энергий ускорителя тяжелых ионов с интенсивностью в 10 раз превышающий достигнутой на сегодня, что позволит ставить задачи синтеза новых элементов с атомными номерами 119 и 120 и далее, т. е. первых элементов 8-го периода Периодической таблицы Д. И. Менделеева.
Открытие новых элементов Периодической таблицы Менделеева всегда вызывало интерес у широкой публики. Дело даже не столько в научной значимости этих открытий, сколько в том, что в школе все проходили Периодический закон, и некоторые даже помнят символы, обозначающие элементы. 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.) 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.
Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева).
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).
Согласно существующей практике авторам предоставляется право предложить названия новых элементов.
Карта радионуклидов трансактиноидных элементов, включая некоторые ядерные реакции их получения.
Какое научное значение может иметь открытие 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.
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.