Как открывают новые химические элементы
150 лет таблице Менделеева — как сейчас открывают новые элементы?
Аппарат для генерирования пучков ионов в Центре исследований тяжелых газов в Дармштадте, с помощью которого происходит синтез сверхтяжелых элементов.
Редкое радиоактивное вещество доставили из Соединенных Штатов в Россию коммерческим рейсом в июне 2009 года. Таможенники отказались пропустить пакет, который был скрыт за свинцовой защитой и украшен предупреждениями и зловещими символами трилистника (знак ионизирующих излучений), отправив его назад на другую сторону Атлантики.
Американские ученые приложили дополнительные сопроводительные материалы, и посылка отправилась во вторую поездку, чтобы снова получить отпор. Все это время ценный груз, 22 миллиграмма элемента под названием берклий, созданный в ядерном реакторе Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси, постепенно терялся. День за днем его атомы распадались. «Мы все были безумно возмущены», — говорит Джули Эзольд, физик-ядерщик из Оук-Риджа.
С третьей попытки посылку растаможили. В лаборатории в Дубне, к северу от Москвы, ученые бомбардировали берклий ионами кальция, пытаясь создать еще более редкое вещество. После 150 дней бомбардировки исследователи обнаружили шесть атомов элемента, который никогда ранее не был замечен на Земле. В 2015 году, после того как другие эксперименты подтвердили открытие, элемент 117, теннесин, занял свое место в таблице Менделеева.
Реактор в Ок-Ридже, в котором и был получен берклий для отправки в Россию.
Ученые надеются продлить периодическую таблицу еще дальше, за пределы теннесина и трех других недавно открытых элементов (113, 115 и 118), которые попали в седьмую строку таблицы. Создание следующих элементов потребует кардинально новых технологий синтеза с использованием сверхмощных пучков ионов — электрически заряженных атомов. Не говоря уже о проблемах доставки большего количества радиоактивных материалов через границы.
Вопросы, связанные с пределами таблицы Менделеева, слишком заманчивы, чтобы не прилагать усилий для ответа на них. 150 лет назад русский химик Дмитрий Менделеев создал свою периодическую таблицу. Тем не менее, «мы до сих пор не можем ответить на вопрос: какой самый тяжелый элемент может существовать?», — говорит химик-ядерщик Кристоф Дюльман из Центра исследований тяжелых ионов в Дармштадте, Германия.
На дальнем краю таблицы Менделеева элементы распадаются практически в момент их формирования, что дает очень мало времени для изучения их свойств. На самом деле, ученые до сих пор мало что знают о последних новооткрытых элементах. Таким образом, в то время как некоторые ученые охотятся за никогда ранее не получаемыми элементами, другие хотят узнать больше о новичках в таблице и странном поведении, которое могут демонстрировать эти сверхтяжелые элементы.
Для таких огромных атомов химия может работать иначе, так как ядра, сердца в центре каждого атома, «распирает» от сотен протонов и нейтронов. Вокруг них кружатся огромные стаи электронов, некоторые из которых движутся со скоростью, близкой к скорости света. Такие экстремальные условия могут иметь серьезные последствия — например, они могут спутать привычный порядок периодической таблицы, в которой элементы в каждом столбце являются близкими родственниками, которые ведут себя схожим образом.
Владислав Щеглов осматривает емкости с берклием после их доставки в Россию.
Ученые продолжают открывать эти сверхтяжелые элементы в поисках того, что поэтично назвали «островом стабильности». Ожидается, что атомы с определенным количеством протонов и нейтронов будут жить дольше, чем их соседи, и сохраняться, возможно, часами, а не долями секунды. Такой остров даст ученым достаточно времени, чтобы более внимательно изучить эти элементы и понять их свойства. Первые проблески этого загадочного острова были обнаружены, но не ясно, как высадиться на его берегах.
Каждый химический элемент определяется количеством протонов, которые он содержит. Создайте атом с большим количеством протонов, чем когда-либо прежде, и вы получите совершенно новый элемент. Каждый элемент имеет различные подвиды, известные как изотопы, различающиеся по количеству нейтронов в ядре. Изменение количества нейтронов в ядре атома изменяет тонкий баланс сил, что делает ядро стабильным или заставляет его быстро распадаться. Разные изотопы элемента могут иметь совершенно разные периоды полураспада — то есть период времени, в течение которого половина атомов в образце распадается на более мелкие элементы.
Но, чтобы сделать самые тяжелые элементы, исследователи используют новый подход — грубую силу: бомбардируют тяжелыми атомами цель — диск, который состоит из атомов другого элемента. И, если ученым повезет, атомы в пучке и мишени сливаются, создавая новый атом с более тяжелым ядром, который, возможно, содержит больше протонов, чем любой другой известный.
Исследователи используют эту стратегию для поиска элементов 119 и 120. Ученые хотят создать такие невиданные ранее атомы, чтобы проверить, как далеко заходит периодическая таблица, удовлетворить любопытство о силах, которые удерживают атомы вместе, и понять, какая странная химия может происходить с этими экстремально тяжелыми атомами.
Такой процесс объединения двух легких элементов в новый, более тяжелый, происходит только на узкоспециализированных объектах в нескольких точках земного шара, включая лаборатории в России и Японии. Исследователи тщательно выбирают структуру пучка и цели в надежде создать атом желаемого элемента. Так были созданы четыре новейших элемента: нихоний (элемент 113), московий (115), теннесин (117) и оганесон (118).
Текущий вид таблицы Менделеева. Синим показаны сверхтяжелые элементы, красным — те, которые сейчас активно ищут.
Например, для создания теннесина ученые объединили пучки кальция с мишенью из беркелия — когда, наконец, берклий прошел через таможню в России. Объединение имеет смысл, если учесть количество протонов в каждом ядре. В кальции 20 протонов, а в беркелии — 97, что в сумме составляет 117 протонов: количество, найденное в ядре теннесина. Объедините кальций со следующим элементом в таблице, калифорнием, и вы получите элемент 118, оганесон.
Использование пучков кальция — в частности, стабильного изотопа кальция с общим числом протонов и нейтронов, равным 48, известного как кальций-48 — было очень успешным. Но для создания сверхтяжелых ядер потребовались бы все более экзотические материалы. Калифорний и берклий, использовавшиеся в предыдущих работах, настолько редки, что целевые материалы приходилось изготавливать в Ок-Ридже, где исследователи «варят» материалы в ядерном реакторе в течение нескольких месяцев и тщательно обрабатывают выходящий высокоактивный продукт. Вся эта работа может производить только миллиграммы материала.
Чтобы обнаружить элемент 119 с использованием пучка кальция-48, исследователям понадобится мишень из эйнштейния (элемент 99), который встречается еще реже калифорния и берклия. «Мы не можем сделать достаточно эйнштейния», — говорит физик Джеймс Роберто из Оук-Риджа. Ученым нужен новый подход. Они переключились на новые, пока еще непроверенные методы, основанные на использовании различных пучков частиц.
Процесс получение оганесона: бомбардировка ионами кальция мишени из калифорния.
Но любой новый подход должен позволять производить новые элементы достаточно часто, чтобы иметь смысл. Японскому эксперименту потребовалось почти девять лет, чтобы доказать существование нихония. За это время исследователи обнаружили признаки синтеза этого элемента всего три раза.
Между тем, новая лаборатория в Объединенном институте ядерных исследований, или ОИЯИ, в Дубне, называемая Заводом сверхтяжелых элементов, может похвастаться ускорителем, который будет запускать пучки ионов, которые бьют по цели в 10 раз быстрее, чем его предшественник. В предстоящем эксперименте ученые планируют направить пучки атомов титана (элемент 22) в мишени из берклия и калифорния, чтобы попытаться получить элементы 119 и 120.
Установка в Дубне, с помощью которой будут синтезировать элементы с индексами 119 и 120.
Как только новый эксперимент ОИЯИ будет запущен, элемент 119 может быть обнаружен через пару лет, говорит физик-ядерщик ОИЯИ Юрий Оганесян, в честь которого был назван один из открытых там элементов — оганесон.
На этом мы заканчиваем первую часть статьи — во второй (и заключительной) поговорим о том, есть ли конец у таблицы Менделеева, и как в открытие новых элементов вмешивается теория относительности Эйнштейна.
Современные алхимики: как создают новые химические элементы
— Юрий Цолакович, расскажите, пожалуйста, немного о том, как проходит синтез химических элементов в лабораторных условиях.
— Для этого нужно начать издалека. История изучения химических элементов насчитывает 22 века — можно сказать, она началась с Демокрита. Во времена Джона Дальтона (он жил в конце XVIII — первой половине XIX веков — прим. ред.) считалось, что мир состоит из атомов. При Дальтоне было известно 36 химических элементов, и он полагал, что это и есть весь «алфавит» материального мира. В Периодической таблице Дмитрия Менделеева было уже 63 элемента, и он заметил, что между элементами есть определенная разница. Точнее, разницу замечали и до него, но он показал: можно разделить эти 63 элемента на восемь групп, и у элементов внутри одной группы будет одинаковая химическая активность, которая меняется при переходе в другую группу. Эту закономерность он и назвал Периодическим законом.
Я думаю, в то время не все поняли значимость этого открытия. Но Менделеев понял сразу, что, раз там есть закономерность, атомы — уже не «буквы в алфавите». Закономерность предполагает наличие сложной структуры внутри самих атомов. И он начал искать эту структуру, потратив на это полжизни. Он полагал, что источником мироздания является некая среда, «эфир», в котором «плавают» атомы, и атомы состоят из некого вещества. 42 года спустя Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома: с положительно заряженным ядром в центре и электронами вокруг, тем самым подтвердив мысль Менделеева о наличии сложной атомной структуры.
Давайте вернемся к синтезу. Вещество, из которого состоит Земля, возникло в результате Большого взрыва. А элементы, которые мы видим на Земле, появились во время становления и формирования нашей планеты. Этот процесс мы можем видеть и сейчас: если масса звезды больше массы Солнца, она эволюционирует определенным образом, и в конце концов мы наблюдаем так называемую вспышку сверхновой. Происходит синтез химических элементов, и все заканчивается возникновением нейтронной звезды. Вспышка длится несколько секунд. В нашей галактике такое происходит примерно один раз в тысячу лет, в других — чаще. Эти вспышки — это и есть космические лучи, выбросы вещества во Вселенную, которые регистрируются нашими детекторами. Так возникают элементы в природе.
— От водорода до урана, насколько я помню?
— Да, это первые 92 элемента. В лаборатории, конечно, мы не можем повторить ничего подобного. Искусственный синтез — это совсем другой процесс. Мы берем готовые элементы и превращаем один в другой. Сделать это человечество хотело с давних времен — помните алхимиков, которые пытались превратить свинец в золото? Конечно, ничего у них не получалось. Чтобы превратить один элемент в другой, надо изменить его ядро, а для этого нужна энергия, в миллионы раз большая той, что была в распоряжении древних ученых. А сегодня это возможно на специальных ускорителях: два ядра подходят близко друг к другу, между ними возникают ядерные силы (кстати, мы до сих пор не очень хорошо их понимаем), и одно ядро начинает «проглатывать» другое. Это называется реакцией слияния. Если такая реакция произошла — а это весьма редкий случай, — то вы получаете новое ядро с суммарной массой и суммарным зарядом. Оно обрастает электронами, и получается новый элемент. Самый интересный вопрос здесь: этот элемент будет похож на уже существующие, или же будет отличаться? И новые элементы великолепно вписываются в таблицу.
Современные алхимики: как создают новые химические элементы
Как синтезируются ядра новых химических элементов, что такое остров стабильности, где границы Периодической таблицы и чего ждать от Фабрики сверхтяжелых элементов, — об этом Indicator.Ru рассказал Юрий Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.
— Юрий Цолакович, расскажите, пожалуйста, немного о том, как проходит синтез химических элементов в лабораторных условиях.
— Для этого нужно начать издалека. История изучения химических элементов насчитывает 22 века — можно сказать, она началась с Демокрита. Во времена Джона Дальтона (он жил в конце XVIII — первой половине XIX веков — прим. Indicator.Ru) считалось, что мир состоит из атомов. При Дальтоне было известно 36 химических элементов, и он полагал, что это и есть весь «алфавит» материального мира. В Периодической таблице Дмитрия Менделеева было уже 63 элемента, и он заметил, что между элементами есть определенная разница. Точнее, разницу замечали и до него, но он показал: можно разделить эти 63 элемента на восемь групп, и у элементов внутри одной группы будет одинаковая химическая активность, которая меняется при переходе в другую группу. Эту закономерность он и назвал Периодическим законом.
Я думаю, в то время не все поняли значимость этого открытия. Но Менделеев понял сразу, что, раз там есть закономерность, атомы — уже не «буквы в алфавите». Закономерность предполагает наличие сложной структуры внутри самих атомов. И он начал искать эту структуру, потратив на это полжизни. Он полагал, что источником мироздания является некая среда, «эфир», в котором «плавают» атомы, и атомы состоят из некого вещества. 42 года спустя Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома: с положительно заряженным ядром в центре и электронами вокруг, тем самым подтвердив мысль Менделеева о наличии сложной атомной структуры.
Давайте вернемся к синтезу. Вещество, из которого состоит Земля, возникло в результате Большого взрыва. А элементы, которые мы видим на Земле, появились во время становления и формирования нашей планеты. Этот процесс мы можем видеть и сейчас: если масса звезды больше массы Солнца, она эволюционирует определенным образом, и в конце концов мы наблюдаем так называемую вспышку сверхновой. Происходит синтез химических элементов, и все заканчивается возникновением нейтронной звезды. Вспышка длится несколько секунд. В нашей галактике такое происходит примерно один раз в тысячу лет, в других — чаще. Эти вспышки — это и есть космические лучи, выбросы вещества во Вселенную, которые регистрируются нашими детекторами. Так возникают элементы в природе.
— От водорода до урана, насколько я помню?
— Да, это первые 92 элемента. В лаборатории, конечно, мы не можем повторить ничего подобного. Искусственный синтез — это совсем другой процесс. Мы берем готовые элементы и превращаем один в другой. Сделать это человечество хотело с давних времен — помните алхимиков, которые пытались превратить свинец в золото? Конечно, ничего у них не получалось. Чтобы превратить один элемент в другой, надо изменить его ядро, а для этого нужна энергия, в миллионы раз большая той, что была в распоряжении древних ученых. А сегодня это возможно на специальных ускорителях: два ядра подходят близко друг к другу, между ними возникают ядерные силы (кстати, мы до сих пор не очень хорошо их понимаем), и одно ядро начинает «проглатывать» другое. Это называется реакцией слияния. Если такая реакция произошла — а это весьма редкий случай, — то вы получаете новое ядро с суммарной массой и суммарным зарядом. Оно обрастает электронами, и получается новый элемент. Самый интересный вопрос здесь: этот элемент будет похож на уже существующие, или же будет отличаться? И новые элементы великолепно вписываются в таблицу.
Сейчас мы, имея возможность сливать ядра, можем идти дальше и дальше, синтезируя все новые элементы.
— У Периодической таблицы есть границы? Есть предел элементов, которые можно синтезировать?
— Продлить насколько?
— Знаете, есть такое научное предсказание: если уйти достаточно далеко от урана, то будет зона — остров — со сверхтяжелыми элементами, достаточно долгоживущими. В середине этого острова будут элементы, которые будут жить миллионы и даже миллиарды лет. А это уже интересно, потому что возраст Земли исчисляется миллиардами лет. Не значит ли это, что такие элементы надо искать в недрах Земли? Но искали везде, и в космосе, и в Земле… Не нашли. Ну, это ни о чем не говорит: может, они были, но распались, потому что время их жизни немного меньше. Но вот что касается острова стабильности — он был предметом интенсивных исследований с момента появления этой теории, с 1969 года.
Этот остров охватывает много элементов, но он требует, чтобы ядра имели много нейтронов. Дойти до «вершины» острова мы, наверно, никогда не сможем, мы пока только прикоснулись, подошли к нему. Время жизни элементов повысилось в сто тысяч раз, но это все равно еще всего лишь секунды. А на вершине острова — миллионы лет. Видите разницу? Конечно, новые установки вселяют некоторую надежду. Плюс один нейтрон к ядру — и время жизни элемента увеличивается в десять раз. В декабре 2018 года, совсем недавно, у нас в Дубне заработала «фабрика сверхтяжелых элементов» — ускоритель ДЦ-280. Строительство начали в 2012 году, и около месяца назад мы получили первый пучок ускоренных тяжелых ионов. Мы надеемся, что благодаря ДЦ-280 нам удастся получить 119, 120 и 121 элементы.
— Получится ли благодаря новой установке получать более значительное количество новых ядер, чем сейчас? Сейчас это «штучный товар», и это затрудняет исследования.
— Вы правы, новые ядра штучны. Мы были счастливы, когда получали один атом в день, в неделю… Новая установка, конечно, увеличит это количество, возможно, в сотни раз, но этого все равно будет недостаточно для накопления видимого количества вещества.
Беседа состоялась в рамках церемонии открытия года таблицы Менделеева в Париже. Мероприятие организовано при поддержке генерального партнера Международного года Периодической таблицы химических элементов в России благотворительного фонда Алишера Усманова «Искусство, наука и спорт».
Объединенный институт ядерных исследований
Наука сближает народы
Как рождаются новые химические элементы?
Шеф-редактор сайта Года науки и технологий в России Светлана Соколова побеседовала с заместителем директора Лаборатории ядерных реакций Андреем Попеко о синтезе сверхтяжелых элементов и перспективах в этом направлении, а также о том, какую пользу обществу могут принести эти исследования.
Объединенный институт ядерных исследований в Дубне строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов
Во второй половине XX века в Периодической таблице появилось 16 новых элементов, в XXI веке еще пять. Сейчас таблица заканчивается на оганесоне (Og 118). Его синтезировали в 2002 и 2005 годах в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном городе Дубне.
Оганесон — один из так называемых сверхтяжелых элементов, следующих за ураном (U 92). Некоторые из них появились около 10 млрд лет назад в результате ядерных реакций внутри звезд. Большинство уже давно распалось. К 40-м годам XX века все существующие в природе химические элементы были найдены. Последним стал франций (Fr 87). Все последующие элементы создавались — и создаются — в лабораториях.
Сейчас ОИЯИ строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов, чтобы синтезировать 119-й, 120-й, 121-й и детально изучать свойства ранее полученных элементов. Об этом суперпроекте мы поговорили с Андреем Попеко, заместителем директора лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ.
«Это просто арифметика»
Андрей Георгиевич, во-первых, почему «фабрика»? И чем она будет отличаться от, например, коллайдера?
«Фабрика» — потому что это ускоритель плюс вся инфраструктура вокруг него. Отличие от коллайдера принципиальное. В коллайдерах частицы разгоняют почти до скорости света, а потом сталкивают друг с другом. Получаются новые частицы или другие интересные события. А для синтеза сверхтяжелых элементов нельзя использовать сверхвысокие энергии. Наоборот, чем сильнее вы ударите одним ядром по другому, тем быстрее развалится система. Ничего путного вы не получите.
А что вы будете делать, чтобы получить «что-то путное»?
Надо будет сближать ядра атомов так, чтобы они коснулись друг друга. Дело в том, что, когда ядра заряжены одинаково, они отталкиваются. Для преодоления отталкивания нужно разогнать частицы до скорости, которая составляет примерно 10% от скорости света.
Ядрами из ускорителя облучают мишень — слой материала, нанесенный на тонкую титановую фольгу. В результате реакции бомбардирующих частиц с материалом мишени будут получаться новые частицы. Их будет «ловить» детектирующая система — пластинки из кристаллического кремния. Она будет давать в некотором смысле электронную фотографию. Можно будет определить координаты, время прихода и энергию частицы. В дальнейшем, мы надеемся, эффективность фабрики будет примерно в десять раз выше, чем раньше. Тогда откроются уже очень большие перспективы для экспериментов. Совсем другая жизнь у нас начнется.
Так. Если очень коротко. Есть вещество, из которого сделана мишень, и есть вещества, которые через эту мишень пролетают. В результате можно получить какой-то совершенно новый химический элемент. Правильно? Все равно непонятно, как это работает.
Важно правильно подобрать комбинацию из мишенного материала и вещества, которое будет с ним сталкиваться. Условия здесь следующие: материал для мишени должен существовать в природе или может быть произведен искусственно в весовых количествах. Это первое требование.Но здесь надо смотреть не на Периодическую таблицу. Она в данном случае мало поможет. А надо смотреть на карту изотопов. Черные клеточки — это долгоживущие изотопы, существующие в природе. Теперь вы можете брать частицу, которая приводила бы к образованию желаемого элемента. Здесь действует закон сохранения электрического заряда. Например, если вам нужен 118-й элемент, вы берете для мишени изотоп, у которого заряд ядра 98 (калифорний), а для бомбардировки мишени кальций с зарядом ядра 20. 20 + 98 = 118. Все просто.
Можете брать любые другие комбинации, пожалуйста. Если вы хотите 120 элемент, то 120 — это два раза по 60. Берем элемент 60 — неодим. Делаем из него мишень и им же облучаем эту мишень. Получаем элемент 120. Это просто арифметика. Здесь не надо всю жизнь что-то перебирать. Плюс есть известные законы.
Ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр Карпов у карты изотопов химических элементов. Сергей Карпухин/ТАСС
«Ядро — это не капля жидкости»
Какова вообще вероятность получить сверхтяжелый элемент?
Она складывается, как минимум, из двух частей — вероятности слияния ядер и вероятности выживания получившегося ядра в процессе остывания. Потому что ядра остывают точно так же, как, например, жидкость. Только в жидкости испаряются молекулы, а в ядрах нейтроны. Нейтроны уносят энергию из ядра, и система остывает. Это первое. Второе — ядра должны сливаться. К сожалению, чем ближе друг к другу масса мишени и масса бомбардирующей ее частицы, тем хуже они сливаются. Это только некоторые из обстоятельств, которые ограничивают получение сверхтяжелых ядер.
Какие эксперименты на «фабрике» сейчас проводятся?
Естественно, после того, как мы сделали новый ускоритель, самый верный способ показать его работоспособность, — это воспроизвести прежние результаты. Поэтому в январе этого года мы успешно провели эксперименты по синтезу 115-го элемента московия. Он был впервые получен в 2003 году.
Сейчас проводятся эксперименты по получению пучков ускоренных частиц, которые нужны для синтеза более тяжелых элементов.
До этого мы работали в основном с кальцием. Это элемент 20 в Периодической таблице. Им бомбардировали мишень. А самый тяжелый элемент, из которого можно сделать мишень, — это калифорний, 98. Соответственно, 98 + 20 — это 118. То есть,чтобы получить элемент 120, надо идти к следующей частице. Это, скорее всего, титан — 22 + 98 = 120.
Работы по отладке системы еще очень много. Я не хочу забегать вперед, но если получится провести успешно все модельные эксперименты, то в этом году, возможно, начнутся первые эксперименты по синтезу 120-го элемента.
А почему вообще существуют сверхтяжелые элементы? Благодаря каким законам природы?
Ядра атомов имеют структуру, которая чем-то похожа на структуру атомных оболочек. Электроны ведь удерживается на орбитах не просто так, а потому что орбиты имеет специальную сложную структуру. Примерно то же самое происходит и в ядрах. Структурные эффекты объясняют, почему существуют сверхтяжелые элементы. В обычном состоянии ядро не ведет себя подобно капле жидкости, не является аморфным телом, а имеет внутреннюю структуру. Без нее сверхтяжелые ядра вообще бы не существовали. А наличие структурных свойств ядерной материи приводит к тому, что эти ядра живут секунды, а мы надеемся, что они могут жить часы, сутки, а может быть даже миллионы лет.
Бесструктурные ядра после 103-го и 104-го элемента уже не имели бы права существовать. Это открытие структурных эффектов — очень большое достижение в понимании природы ядерных сил.
«Это никогда не скучно»
Можно ли как-то использовать сверхтяжелые элементы «в народном хозяйстве»?
Это совершенно законный вопрос, но мы занимаемся фундаментальными исследованиями. Накопить хоть какое-то количество атомов 118-го, сами понимаете, совершенно невозможно. За всю историю было зарегистрировано, по-моему, пять атомов этого элемента. И живут они меньше миллисекунды.
В частности, очень интересно, как будут эволюционировать химические свойства элементов, если двигаться дальше по таблице. Лишь две трети элементов таблицы Менделеева «вписываются» в периодический закон, который связывает зависимость свойств химических элементов с зарядами атомных ядер. А дальше начинаются нестыковки: совершенно инертных элементов — нет, элементы, которые должны быть газами, становятся твердыми, да еще и с металлическими свойствами и т.д.
Канал транспорта пучков сверхтяжелых элементов циклотрона ДЦ-280. Сергей Карпухин/ТАСС
Еще очень интересно, как образовались элементы в природе. Не только сверхтяжелые. Теория не исключает, что сверхтяжелые элементы могли дожить до наших времен после, скажем, образования Солнечной системы. А в таком случае их можно искать в природе.
Кроме всего прочего, открытие новых элементов демонстрирует высокий уровень науки, техники и образования, который, в свою очередь, приносит экономические и политические дивиденды.
Какие страны сейчас лидируют в поиске сверхтяжелых элементов?
В одиночку проводить такие исследования могут только две страны — Соединенные Штаты Америки и Россия. И причина здесь в том, что необходимо иметь материал для изготовления мишеней, а это тяжелые трансурановые элементы, такие как кюрий, берклий и калифорний. Чтобы эти элементы производить, требуются специальные реакторы.
Еще в поиске сверхтяжелых элементов активно участвуют Германия и Япония, но не в одиночку, а в кооперации с теми, у кого есть изотопы. Эти эксперименты очень длительные. Идет обычная работа: плановая, но интенсивная. Японцы получили три атома 113 элемента за 10 лет. Это некий мировой рекорд по настойчивости. По-моему, никто больше такого не делал и не станет делать.
Циклотронный комплекс ДЦ-280 для проведения экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов и изучению их химических свойств. Сергей Карпухин/ТАСС
В чем конкурентные преимущества России?
Во-первых, в России существует очень давняя и плодотворная школа синтеза новых элементов, основанная Георгием Флеровым. В частности, его группе принадлежит приоритет в открытии 102-го элемента нобелия.
Во-вторых, есть школа создания ускорителей. Как известно, первый ускоритель был построен в США, в Беркли, а второй — в Ленинграде, в Радиевом институте. И, в-третьих, мы умеем производить материал для изготовления мишеней — изотопы трансурановых элементов. Вот наши преимущества: научная школа, ускорители и изотопы. Это три составляющие успеха.
Андрей Георгиевич, вы всю жизнь занимаетесь синтезом новых элементов. Уже более полувека. Вам до сих пор это нравится?
Да. Мне все еще это нравится. Важно, что развитие методик на грани возможностей обязательно к чему-нибудь приводит. Например, к созданию новых технологий. И еще, это никогда не скучно. Поверьте, это высочайшая радость — открыть нечто, неизвестное никому. Это никогда не может надоесть.
СЛОВАРЬ
Георгий Флеров (1913–1990). Советский физик-ядерщик, один из основателей ОИЯИ и один из пионеров поиска трансуранов. Участвовал в открытии 103-го, 104-го, 105-го и 106-го элементов.
Юрий Оганесян (р. 1933). Ученик Флерова и один из тех, кто синтезировал резерфордий, дубний и другие сверхтяжелые элементы. Академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. В 2016 году в его честь был назван 118-й элемент — оганесон.
Остров стабильности. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Но только строго определенное количество этих «кирпичиков» связано друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые «не срабатывают», оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Есть ядра, которые остались со времен образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть «континентом». Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы идем к более тяжелым элементам. Но, оказывается, если далеко уйти от суши, возникает остров стабильности, где рождаются ядра-долгожители.
Сверхтяжелые элементы. Элементы, которые следуют за ураном (его атомный номер 92). Некоторые из них появились около 10 млрд лет назад в результате ядерных реакций внутри звезд. Большинство уже давно распалось. Теперь лишь остается синтезировать их в лабораториях.