ЕСТЬ ЛИ ПРЕДЕЛ
ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ
Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА?

ОТКРЫТИЕ НОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

П роблема систематизации химических элементов привлекла к себе пристальное внимание в середине XIX в., когда стало ясно, что многообразие окружающих нас веществ является результатом разных сочетаний сравнительно малого числа химических элементов.

В хаосе элементов и их соединений великий русский химик Д.И.Менделеев первым навел порядок, создав свою периодическую таблицу элементов.

1 марта 1869 г. считается днем открытия периодического закона, когда Менделеев сообщил о нем научному сообществу. Известные в то время 63 элемента ученый разместил в своей таблице таким образом, что главные свойства этих элементов и их соединений менялись периодически по мере увеличения их атомной массы. Наблюдаемые изменения свойств элементов в горизонтальном и вертикальном направлениях таблицы следовали строгим правилам. Например, ярко выраженный у элементов Iа группы металлический (основный) характер с увеличением атомной массы убывал по горизонтали таблицы и возрастал по вертикали.

Опираясь на открытый закон, Менделеев предсказал свойства нескольких еще не открытых элементов и их место в периодической таблице. Уже в 1875 г. был открыт «экаалюминий» (галлий), еще через четыре года – «экабор» (скандий), а в 1886 г. – «экасилиций» (германий). В последующие годы таблица Менделеева служила и до сих пор служит ориентиром в поисках новых элементов и предвидении их свойств.

Однако ни сам Менделеев, ни его современники не могли ответить на вопрос, в чем причины периодичности свойств элементов, существует ли и где проходит граница периодической системы. Менделеев предчувствовал, что причина представленной им взаимосвязи между свойствами и атомной массой элементов кроется в сложности самих атомов.

Лишь спустя много лет после создания периодической системы химических элементов в работах Э.Резерфорда, Н.Бора и других ученых было доказано сложное строение атома. Последующие достижения атомной физики позволили решить многие неясные проблемы периодической системы химических элементов. Прежде всего оказалось, что место элемента в периодической таблице определяется не атомной массой, а зарядом ядра. Стала понятной природа периодичности химических свойств элементов и их соединений.

Атом стали рассматривать как систему, в центре которой находится положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. При этом электроны группируются в околоядерном пространстве и движутся по определенным орбитам, входящим в электронные оболочки.

Все электроны атома принято обозначать с помощью чисел и букв. Согласно этому обозначению главные квантовые числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 относятся к электронным оболочкам, а буквы s , p , d , f , g – к подоболочкам (орбитам) каждой оболочки. Первая оболочка (считая от ядра) имеет только s -электроны, вторая может иметь s - и p - электроны, третья – s -, p - и d -электроны, четвертая – s -,
p -, d - и f - электроны и т.д.

Каждая оболочка может вместить вполне определенное число электронов: первая – 2, вторая – 8, третья – 18, четвертая и пятая – по 32. Этим определяется число элементов в периодах таблицы Менделеева. Химические свойства элементов обусловлены строением внешней и предвнешней электронных оболочек атомов, т.е. тем, сколько электронов они содержат.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц – протонов и электрически нейтральных частиц – нейтронов, часто называемых одним словом – нуклоны. Порядковый номер элемента (его место в периодической таблице) определяется числом протонов в ядре атома данного элемента. Массовое число А атома элемента равно сумме чисел протонов Z и нейтронов N в ядре: A = Z + N . Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре являются его изотопами.

Химические свойства разных изотопов одного и того же элемента не отличаются друг от друга, а ядерные – изменяются в широких пределах. Это проявляется прежде всего в стабильности (или нестабильности) изотопов, которая существенно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре. Легкие стабильные изотопы элементов обычно характеризуются равным числом протонов и нейтронов. С ростом заряда ядра, т. е. порядкового номера элемента в таблице, это соотношение меняется. У стабильных тяжелых ядер нейтронов почти в полтора раза больше, чем протонов.

Как и атомные электроны, нуклоны также образуют оболочки. С увеличением числа частиц в ядре последовательно заполняются протонные и нейтронные оболочки. Ядра с полностью заполненными оболочками являются самыми стабильными. Например, очень устойчивой ядерной структурой характеризуется изотоп свинца Pb-208, который имеет заполненные оболочки протонов (Z = 82) и нейтронов (N = 126).

Подобные заполненные ядерные оболочки аналогичны заполненным электронным оболочкам атомов инертных газов, представляющих отдельную группу в периодической таблице. Стабильные ядра атомов с полностью заполненными протонными или нейтронными оболочками содержат определенные «магические» числа протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 184. Таким образом, атомам элементов в целом, как и по химическим свойствам, присуща также периодичность и ядерных свойств. Среди разных сочетаний числа протонов и нейтронов в ядрах изотопов (четно-четных; четно-нечетных; нечетно-четных; нечетно-нечетных) именно ядра, содержащие четное число протонов и четное число нейтронов, отличаются наибольшей устойчивостью.

Природа сил, удерживающих в ядре протоны и нейтроны, пока недостаточно ясна. Полагают, что между нуклонами действуют очень большие гравитационные силы притяжения, которые способствуют увеличению стабильности ядер.

К середине тридцатых годов прошлого столетия периодическая таблица была разработана настолько, что показывала положение уже 92 элементов. Под порядковым номером 92 был уран – последний из найденных на Земле еще в 1789 г. естественных тяжелых элементов. Из 92 элементов таблицы только элементы с порядковыми номерами 43, 61, 85 и 87 в тридцатые годы не были точно установлены. Они были открыты и изучены позже. Редкоземельный элемент с атомным номером 61 – прометий – был обнаружен в малых количествах в рудах как продукт самопроизвольного распада урана. Анализ атомных ядер недостающих элементов показал, что все они радиоактивны, причем из-за коротких периодов их полураспада они не могут существовать на Земле в заметных концентрациях.

В связи с тем, что последним тяжелым элементом, найденным на Земле, был элемент с атомным номером 92, можно было бы предположить, что он и является естественным пределом периодической таблицы Менделеева. Однако достижения атомной физики указали путь, по которому оказалось возможным перешагнуть через поставленную природой границу периодической таблицы.

Элементы с бо льшими атомными номерами, чем у урана, называют трансурановыми. По своему происхождению эти элементы являются искусственными (синтетическими). Их получают путем ядерных реакций трансформации элементов, встречающихся в природе.

Первую попытку, хотя не совсем удачную, открыть трансурановую область периодической системы предпринял итальянский физик Энрико Ферми в Риме вскоре после того, как было доказано существование нейтронов. Но лишь в 1940–1941 гг. успеха в открытии первых двух трансурановых элементов, а именно нептуния (атомный номер 93) и плутония (атомный номер 94), добились американские ученые из Калифорнийского университета в Беркли.

В основе методов получения трансурановых элементов лежит несколько видов ядерных реакций.

Первый вид – нейтронный синтез. В этом методе в ядрах тяжелых атомов, облученных нейтронами, происходит превращение одного из нейтронов в протон. Реакция сопровождается так называемым электронным распадом ( – -распадом) – образованием и выбросом из ядра с огромной кинетической энергией отрицательно заряженной – -частицы (электрона). Реакция возможна при избытке в ядре нейтронов.

Противоположной реакцией является превращение протона в нейтрон с испусканием положительно заряженной + -частицы (позитрона). Подобный позитронный распад ( + -распад) наблюдается при недостатке в ядрах нейтронов и ведет к уменьшению заряда ядра, т.е. к уменьшению атомного номера элемента на единицу. Аналогичный эффект достигается, когда протон превращается в нейтрон за счет захвата ближайшего орбитального электрона.

Новые трансурановые элементы вначале были получены из урана по методу нейтронного синтеза в ядерных реакторах (как продукты взрыва ядерных бомб), а позже синтезированы с помощью ускорителей частиц – циклотронов.

Второй вид – реакции между ядрами атомов исходного элемента («мишени») и ядрами атомов легких элементов (изотопов водорода, гелия, азота, кислорода и других), используемых в качестве бомбардирующих частиц. Протоны в ядрах «мишени» и «снаряда» имеют положительный электрический заряд и испытывают сильное отталкивание при приближении друг к другу. Чтобы преодолеть силы отталкивания, образовать составное ядро, необходимо обеспечить атомы «снаряда» очень большой кинетической энергией. Такой огромной энергией бомбардирующие частицы запасаются в циклотронах. Образовавшееся промежуточное составное ядро обладает довольно большой избыточной энергией, которая должна быть высвобождена для стабилизации нового ядра. В случае тяжелых трансурановых элементов эта избыточная энергия, когда не происходит деления ядер, рассеивается путем испускания -лучей (высокоэнергетического электромагнитного излучения) и «испарения» нейтронов из возбужденных ядер. Ядра атомов нового элемента являются радиоактивными. Они стремятся достигнуть более высокой устойчивости путем изменения внутреннего строения через радиоактивный электронный – -распад либо -распад и самопроизвольное деление. Такие ядерные реакции присущи наиболее тяжелым атомам элементов с порядковыми номерами выше 98.

Реакция спонтанного, самопроизвольного деления ядер атомов радиоактивных элементов была открыта нашим соотечественником Г.Н.Флеровым и чехом К.А.Петржаком в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) в опытах с ураном-238. Увеличение порядкового номера приводит к быстрому уменьшению времени полураспада ядер атомов радиоактивных элементов.

В связи с этим фактом выдающийся американский ученый Г.Т.Сиборг, лауреат Нобелевской премии, участвовавший в открытии девяти трансурановых элементов, полагал, что открытие новых элементов, вероятно, закончится приблизительно на элементе с порядковым номером 110 (по свойствам аналогичном платине). Эта мысль о границе периодической таблицы была высказана в 60-е годы прошлого столетия с оговоркой: если не будут открыты новые методы синтеза элементов и существование пока неизвестных областей устойчивости самых тяжелых элементов. Некоторые из таких возможностей были выявлены.

Третий вид ядерных реакций синтеза новых элементов – реакции между высокоэнергетическими ионами со средней атомной массой (кальция, титана, хрома, никеля) в качестве бомбардирующих частиц и атомами стабильных элементов (свинца, висмута) в качестве «мишени» вместо тяжелых радиоактивных изотопов. Этот путь получения более тяжелых элементов был предложен в 1973 г. нашим ученым Ю.Ц.Оганесяном из ОИЯИ и успешно использован в других странах. Главное достоинство предложенного метода синтеза заключалось в образовании менее «горячих» составных ядер при слиянии ядер «снаряда» и «мишени». Высвобождение избыточной энергии составных ядер в этом случае происходило в результате «испарения» существенно меньшего числа нейтронов (одного или двух вместо четырех или пяти).

Необычная ядерная реакция между ионами редкого изотопа Са-48, ускоренными в циклотроне
У-400, и атомами актиноидного элемента кюрия Cm-248 с образованием элемента-114 («экасвинца») была открыта в Дубне в 1979 г. Было установлено, что в этой реакции образуется «холодное» ядро, не «испаряющее» ни одного нейтрона, а всю избыточную энергию уносит одна -частица. Это означает, что для синтеза новых элементов может быть реализован также четвертый вид ядерных реакций между ускоренными ионами атомов со средними массовыми числами и атомами тяжелых трансурановых элементов.

В развитии теории периодической системы химических элементов большую роль сыграло сопоставление химических свойств и строения электронных оболочек лантаноидов с порядковыми номерами 58–71 и актиноидов с порядковыми номерами 90–103. Было показано, что сходство химических свойств лантаноидов и актиноидов обусловлено подобием их электронных структур. Обе группы элементов являются примером внутреннего переходного ряда с последовательным заполнением 4f - или 5f -электронных оболочек соответственно после заполнения внешних s - и р -электронных орбиталей.

Элементы с порядковыми номерами в периодической таблице 110 и выше были названы сверхтяжелыми. Продвижение к открытию этих элементов становится все более трудным и долгим, т.к. недостаточно провести синтез нового элемента, нужно его идентифицировать и доказать, что новый элемент обладает лишь ему одному присущими свойствами. Трудности вызваны тем, что для изучения свойств новых элементов доступным оказывается небольшое число атомов. Время же, в течение которого можно изучать новый элемент до того, как произойдет радиоактивный распад, обычно очень невелико. В этих случаях, даже когда получен всего один атом нового элемента, для его обнаружения и предварительного изучения некоторых характеристик используют метод радиоактивных индикаторов.

Элемент-109 – мейтнерий – это последний элемент в периодической таблице, представленной в большинстве учебников по химии. Элемент-110, принадлежащий к той же группе периодической таблицы, что и платина, был впервые синтезирован в г. Дармштадт (Германия) в 1994 г. с помощью мощного ускорителя тяжелых ионов по реакции:

Время полураспада полученного изотопа крайне мало. В августе 2003 г. 42-я Генеральная ассамблея ИЮПАК и Совет ИЮПАК (Международный союз по чистой и прикладной химии) официально утвердили название и символ элемента-110: дармштадтий, Ds.

Там же, в Дармштадте, в 1994 г. впервые был получен элемент-111 путем воздействия пучка ионов изотопа 64 28 Ni на атомы 209 83 Bi в качестве «мишени». Своим решением в 2004 г. ИЮПАК признал открытие и одобрил предложение назвать элемент-111 рентгением, Rg, в честь выдающегося немецкого физика В.К.Рентгена, открывшего Х -лучи, которым он дал такое название из-за неопределенности их природы.

По информации, полученной из ОИЯИ, в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова осуществлен синтез элементов с порядковыми номерами 110–118 (за исключением элемента-117).

В результате синтеза по реакции:

в Дармштадте в 1996 г. получено несколько атомов нового элемента-112, распадающегося с выделением -частиц. Период полураспада этого изотопа составлял всего 240 микросекунд. Немного позже в ОИЯИ поиск новых изотопов элемента-112 провели, облучая атомы U-235 ионами Са-48.

В феврале 2004 г. в престижных научных журналах появились сообщения об открытии в ОИЯИ нашими учеными совместно с американскими исследователями из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) двух новых элементов с номерами 115 и 113. Этой группой ученых в экспериментах, проведенных в июле–августе 2003 г. на циклотроне У-400 с газонаполненным сепаратором, в реакции между атомами Am-243 и ионами изотопа Ca-48 были синтезированы 1 атом изотопа элемента-115 с массовым числом 287 и 3 атома с массовым числом 288. Все четыре атома элемента-115 быстро распадались с выделением -частиц и образованием изотопов элемента-113 с массовыми числами 282 и 284. Наиболее стабильный изотоп 284 113 имел период полураспада около 0,48 с. Он разрушался с эмиссией -частиц и превращался в изотоп рентгения 280 Rg.

В сентябре 2004 г. группа японских ученых из Физико-химического исследовательского института под руководством Косуки Морита (Kosuke Morita) заявила, что ими синтезирован элемент-113 по реакции:

При его распаде с выделением -частиц получен изотоп рентгения 274 Rg. Поскольку это первый искусственный элемент, полученный японскими учеными, они посчитали, что вправе сделать предложение назвать его «японием».

Выше уже отмечался необычный синтез изотопа элемента-114 с массовым числом 288 из кюрия. В 1999 г. появилось сообщение о получении в ОИЯИ этого же изотопа элемента-114 путем бомбардировки ионами Са-48 атомов плутония с массовым числом 244.

Было также заявлено об открытии элементов с порядковыми номерами 118 и 116 в результате длительных совместных исследований ядерных реакций изотопов калифорния Cf-249 и кюрия Сm-245 c пучком тяжелых ионов Са-48, проведенных российскими и американскими учеными в период 2002–2005 гг. в ОИЯИ. Элемент-118 замыкает 7-й период таблицы Менделеева, по своим свойствам является аналогом благородного газа радона. Элемент-116 должен обладать некоторыми свойствами, общими с полонием.

По сложившейся традиции открытие новых химических элементов и их идентификация должны быть подтверждены решением ИЮПАК, но право предложить названия элементам предоставляется первооткрывателям. Подобно карте Земли, периодическая таблица отразила названия территорий, стран, городов и научных центров, где были открыты и изучены элементы и их соединения, увековечила имена знаменитых ученых, внесших большой вклад в развитие периодической системы химических элементов. И не случайно элемент-101 назван именем Д.И.Менделеева.

Для ответа на вопрос, где может проходить граница периодической таблицы, в свое время была проведена оценка электростатических сил притяжения внутренних электронов атомов к положительно заряженному ядру. Чем больше порядковый номер элемента, тем сильнее сжимается электронная «шуба» вокруг ядра, тем сильнее притягиваются внутренние электроны к ядру. Должен наступить такой момент, когда электроны начнут захватываться ядром. В результате такого захвата и уменьшения заряда ядра существование очень тяжелых элементов становится невозможным. Подобная катастрофическая ситуация должна возникнуть при порядковом номере элемента, равном 170–180.

Эта гипотеза была опровергнута и показано, что нет ограничений для существования очень тяжелых элементов с точки зрения представлений о строении электронных оболочек. Ограничения возникают в результате неустойчивости самих ядер.

Однако надо сказать, что время жизни элементов уменьшается нерегулярно с ростом атомного номера. Следующая ожидаемая область устойчивости сверхтяжелых элементов, обусловленная появлением замкнутых нейтронных или протонных оболочек ядра, должна лежать в окрестности дважды магического ядра с 164 протонами и 308 нейтронами. Возможности открытия таких элементов пока не ясны.

Таким образом, вопрос о границе периодической таблицы элементов по-прежнему сохраняется. Исходя из правил заполнения электронных оболочек с увеличением атомного номера элемента, прогнозируемый 8-й период таблицы Менделеева должен содержать суперактиноидные элементы. Отводимое им место в периодической таблице Д.И.Менделеева соответствует III группе элементов, подобно уже известным редкоземельным и актиноидным трансурановым элементам.

Сколько элементов в химической таблице Менделеева? Все ли они занимают стабильное, устойчивое и безусловное место? О границах существования элементов в природе, нейтронной материи и синтезе сверхтяжелых элементов - член-корреспондент РАН Юрий Оганесян и доктор физико-математических наук Михаил Иткис.

Тезисы для дискуссии:

Что мы знаем и что хотим понять по проблеме синтеза сверхтяжелых элементов?

Есть ли границы существования элементов в природе?

Как происходил нуклеосинтез элементов во Вселенной?

Что обуславливает возможную стабильность сверхтяжелых элементов?

Насколько эта проблема фундаментальна и есть ли у нее политический аспект?

Возможности современной экпериментальной техники для ее решения.

Что такое нейтронная материя? Можно ли изучать ее в лабораторных условиях, а не только в процессе исследования астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды и т. д.? Тенденции в мировой науке.

Нужно ли обществу изучение вышеуказанных фундаментальных проблем науки? Приводит ли оно к появлению новых идей в виде новых технологий, источников энергии, медицинских приборов и т. п.

Обзор темы

Известно, что все элементы от самого легкого (водорода) до самого тяжелого (урана) составляют окружающий нас мир. Они существуют в Земле. Это значит, что время их жизни больше, чем возраст самой Земли. Все элементы после урана - тяжелее его. Они образовались когда-то в процессе нуклеосинтеза, но не дожили до наших дней. Сегодня их можно получить только искусственным способом.

Концепция атома общеизвестна: ядро, которое содержит всю массу атома и его положительный заряд, и электронные орбитали. Гипотетически оно может существовать до атомных номеров: 160 и, быть может, 170. Однако граница существования элементов намечается значительно раньше, и причина кроется в нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о пределах существования элементов должен быть адресован ядерной физике. Если посмотреть на ядра, которые содержат разное число протонов и нейтронов, то стабильные элементы встречаются только до свинца и висмута. Затем (рис. 1) расположен «небольшой полуостров», в котором обнаружены в Земле только торий и уран. Из этого следует, что вопрос о пределах существования элементов зависит от стабильности ядер, и должен быть адресован ядерной физике.

Рис. 1. Карта изотопов с атомными номерами 70 Zі. Стабильность атомов показана плотностью цвета согласно правой шкале. Для области 112 Zі и 165 Zі приведены теоретические предсказания периодов полураспада гипотетических сверхтяжелых атомов.

Как только мы продвигаемся за уран, время жизни ядер резко падает. Изотопы заурановых элементов радиоактивны, они испытывают альфа-распад. Время жизни ядер уменьшается в логарифмическом масштабе. Эта логарифмическая шкала показывает, что от урана (92-элемента) до 100-го элемента стабильность ядер уменьшается на 20 с лишним порядков.

На самом деле, положение оказалось еще более сложным. Спонтанное деление - четвертый тип радиоактивности - настигает альфа-распад в области 100-го элемента, и в дальнейшем время жизни ядер уменьшается значительно быстрее.

Спонтанное деление было открыто К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым 60 лет тому назад как редкая разновидность распада урана. Оно становится основным, когда речь заходит о более тяжелых элементах.

Объяснение явления спонтанного деления было дано Нильсом Бором в 1939 г. Согласно Н. Бору, подобный процесс может произойти, если предположить, что ядерное вещество обладает свойствами бесструктурной материи типа капли заряженной жидкости. Если капля испытывает деформацию под действием электрических сил, то ее потенциальная энергия растет до определенного предела, а затем уже необратимо уменьшается с ростом деформации до тех пор, пока капля не разделится на две части. Таким образом у ядра урана возникнет некий барьер, который удерживает это ядро от деления на протяжении 10 16 лет.

Если перейти от урана к более тяжелому элементу, в ядре которого кулоновские силы значительно больше, барьер понижается, и вероятность деления сильно возрастает. Наконец, при дальнейшем увеличении заряда ядра мы придем к пределу, когда уже нет никакого барьера, т. е. когда даже сферическая форма капли оказывается неустойчивой к разделению на две части.

Это и есть предел стабильности ядра. Согласно расчетам Бора и Уиллера этот предел ожидался для элементов с атомными номерами 104–106.

Совершенно неожиданным было обнаружение в 1962 г. в Дубнинской лаборатории ядерных реакций еще и другого периода полураспада у тяжелых ядер, включая уран. Т. е. у одного и того же ядра могут быть два однотипных распада с различной вероятностью, или два времени жизни. Для урана - одно время составляет 10 16 лет, что и было обнаружено Флеровым и Петржаком, а второе очень короткое, всего 0,3 микросекунды. При двух периодах полураспада надо полагать наличие у ядра двух состояний, из которых происходит деление. Это никаким образом не вписывается в представление о капле.

Два состояния могут быть только в том случае, если тело не аморфное, а имеет внутреннюю структуру.

Итак, ядерное вещество не является полным аналогом капли заряженной жидкости

Капля есть некое приближение к описанию ядерной материи; ядро же имеет внутреннюю структуру.

Вопросами ядерной структуры серьезно занялись теоретики-ядерщики; в нашей стране - В. М. Струтинский, С. Т. Беляев, В. В. Пашкевич и др. Они решали довольно сложную задачу - как объяснить, что барьер урана является двугорбым и как меняется структура ядра при его деформации.

И это было объяснено. Но если найденное теоретиками объяснение правильно отражает свойства ядер, то когда мы придем к сверхтяжелым элементам, картина будет совсем не такой, как прогнозировалось для капли жидкости. В тяжелых элементах эта структура будет проявляться в полной мере там, где капля несостоятельна, и будет возникать так называемый структурный барьер. А это означает, что ядро может жить очень долго.

Этот нетривиальный вывод теории привел, по существу, к предсказанию гипотетической области стабильности сверхтяжелых элементов, расположенных далеко от тех элементов, которые известны и с которыми мы привыкли работать.

Как только это было предсказано, все крупнейшие лаборатории мира буквально бросились на то, чтобы экспериментально проверить эту гипотезу. Этим занимались в Соединенных Штатах, во Франции, в Германии. Однако во всех опытах были получены отрицательные результаты.

Последние два года в Дубнинской лаборатории проводились эксперименты по синтезу новых, самых тяжелых элементов с атомными номерами 114 и 116. Задача состояла в том, чтобы получить атомы новых элементов, ядра которых обладают большим избытком нейтронов. Только в этом случае мы смогли бы приблизиться к границам гипотетического «острова стабильности» и наблюдать увеличение времени жизни сверхтяжелых ядер.

Результаты опытов привели к выводу о том, что «остров стабильности» действительно существует.

Каковы пути получения (синтеза) сверхтяжелых ядер? Сначала использовался нейтронный метод синтеза, когда в ядро вгоняется очень много нейтронов. В этом случае естественным было бы облучение исходно стартового вещества мощным потоком нейтронов. Для этого использовались все более и более мощные реакторы. Однако, реакторный способ синтеза исчерпал себя на фермии (элементе с атомным номером 100), потому что изотоп фермия с массой 258, который должен получаться в результате захвата нейтронов, живет всего 0,3 миллисекунды. Вся цепочка последовательного захвата нейтронов разорвалась на ступени захвата 20-го нейтрона. Здесь же необходимо пройти более 60 ступеней. Нейтронный метод не пошел.

Попытка американских исследователей использовать другой способ - получить сверхтяжелые элементы в ядерных взрывах, т. е. в мощном импульсном потоке нейтронов, в конечном итоге привела к образованию того же изотопа 100-го элемента с массой 257.

Бесперспективность нейтронного метода привела к идее использовать принципиально иной способ синтеза сверхтяжелых элементов, который начал развиваться в середине 50-х годов - «тяжело-ядерный». Он заключается в том, что два тяжелых ядра сталкиваются друг с другом в надежде на то, что они сольются и как результат получится ядро суммарной массы. Для того, чтобы произошла такая реакция, одно из ядер необходимо разогнать до скорости примерно 0,1 скорости света. Эту функцию выполняют ускорители. То, что мы знаем сегодня о свойствах тяжелых элементов второй сотни, было получено с помощью ускорителей тяжелых ионов в реакциях этого типа.

Каковы свойства трансурановых элементов?

Если 92-элемент - уран живет миллиард лет, то тяжелое ядро 112-элемента живет всего 0,1 миллисекунды. Действительно, увеличение атомного номера на 20 единиц приводит к уменьшению времени жизни ядра более чем в 10 20 раз. Однако, «остров стабильности» расположен там, где ядра содержат значительно больше нейтронов. Поэтому надо двигаться в сторону более нейтронно-избыточных ядер. Это трудно осуществить, так как в стабильных нуклидах отношение числа протонов к числу нейтронов строго определено. Было решено использовать реакции, в которых большой нейтронный избыток изначально задан как в ядре материала мишени, который нарабатывается в ядерном реакторе, так и в ядре-снаряде, который в данном случае был выбран в качестве ядра кальция-48.

Кальций-48 - стабильный изотоп кальция, элемента с атомным номером 20. Кальция в природе много. Но изотоп кальция с массой 48 крайне редок. Его содержание в обычном кальции всего 0,18%. Выделить его из кальция - задача неимоверно трудная. Тем не менее, если бы нам удалось ускорить ионы кальция-48, то, облучая уран, плутоний или кюрий, мы могли бы пробраться в заветную область, где ожидается подъем стабильности, и там должны были бы почувствовать эффект резкого подъема времени жизни сверхтяжелых элементов.

В конкретном эксперименте была выбрана реакция, где в качестве исходного вещества использовался плутоний (Z = 94), его самый тяжелый изотоп с массой 244, а в качестве бомбардирующего иона изотоп кальция-48. Мы рассчитывали на то, что реакция слияния этих ядер приведет к образованию 114-элемента, который должен быть более устойчивым по сравнению с элементами, поученными ранее.

Для того, чтобы поставить подобный опыт, нужно было создать ускоритель с мощностью пучка кальция-48, превосходящую все известные ускорители в десятки раз. При этом он должен был дать высокую интенсивность ускоренных ионов и расходовать как можно меньше дорогостоящего кальция-48. Это потребовало длительных и напряженных поисков решения задачи. В конце концов решение было найдено и в течение 5 лет такой ускоритель в Дубне был создан. При очень малом расходе вещества (0,3 мг/час) была получена интенсивность пучка в несколько единиц на 10 12 ионов в сек. Теперь можно было ставить эксперимент в сто и в тысячу раз более чувствительный, чем это делалось ранее дубнинцами и их коллегами в других странах на протяжении последних 25 лет.

Суть самого эксперимента состояла в следующем. Получив пучок кальция, облучается мишень из плутония. Тяжелый изотоп плутония-244 был предоставлен Ливерморской Национальной Лабораторией (США). Если в результате процесса слияния двух ядер образуются атомы нового элемента, то они должны вылетать из мишени и вместе с пучком продолжать движение вперед. Здесь их надо отделить от ионов кальция-48 и других продуктов реакции. Эту функцию выполняет сепаратор (рис. 2), в котором присутствует поперечное электрическое поле. Поскольку скорости ядер разные, пучок утыкается в стопер, в то время как тяжелые ядра отдачи 114-элемента совершают криволинейную траекторию и в конце концов доходят до детектора. Детектор распознает тяжелое ядро и фиксирует его распад.

Что, собственно говоря, можно ожидать дальше? Если справедлива гипотеза о том, что существует «остров стабильности» в области сверхтяжелых элементов и эти ядра очень устойчивы относительно спонтанного деления, они должны испытывать другой тип распада - альфа-распад.

Иными словами, ядра на вершине и вблизи вершины этого острова, устойчивые к спонтанному делению, должны быть альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивное ядро, как известно, спонтанно выбрасывает альфа-частицу (ядро гелия), состоящую из двух протонов и двух нейтронов, переходя в дочернее ядро. Для выбранной реакции - это переход 114-го в 112-й элемент. Ядра 112-го элемента тоже должны испытывать альфа-распад и переходить в ядра 110-го элемента и т. д. Но по мере последовательных альфа-распадов мы все дальше и дальше отдаляемся от вершины стабильности и в конце концов попадем в море нестабильности, где преобладающим типом распада будет спонтанное деление. Для экспериментатора это весьма яркая картина: в результате последовательных альфа-распадов, каждый из которых оставляет в детекторе энергию около 10 МэВ, происходит деление, в котором сразу высвобождается энергия около 200 МэВ. На этом цепочка распадов обрывается.

Такую цепочку можно наблюдать, если справедлива теоретическая гипотеза. Действительно, в течение эксперимента, который продолжался непрерывно три месяца, ученые впервые наблюдали то, что ждали.

Рис. 3а. Цепочки последовательных распадов сверхтяжелых атомов с Z = 114 и 116, зарегистрированных в ядерных реакциях с ионами 48 Са. Для каждого распада указаны значения энергии, времени прихода сигнала и его позиционной координаты на поверхности детектора площадью 50 см².

После того, как ядро отдачи пришло в детектор, который измеряет его энергию, скорость и координаты места его остановки с высокой точностью, была зарегистрирована альфа-частица с энергией 9,87 МэВ через секунду после остановки. Интересно, что в самом тяжелом ядре, синтезированном ранее, это время занимало всего одну десятитысячную долю секунды. Здесь - секунда.

Затем, спустя 10,3 секунды (тоже долгое время), вылетела вторая альфа-частица с энергией 9,21 МэВ и затем, спустя 14,5 секунд, произошло спонтанное деление. Вся цепочка распадов заняла время около 0,5 минут.

Второе событие было такое же, как первое. Оба эти события совпадают друг с другом по 13-ти параметрам. Поэтому вероятность случайных совпадений сигналов в детекторе, имитирующих подобный распад, составляет всего 10 −16 .

В этом же эксперименте наблюдалось и другое событие, значительно более долгоживущее. Здесь уже распад исчисляется минутами и десятками минут.

Если отклониться в область ядер с дефицитом нейтронов, то спонтанное деление становится все более и более вероятным, что и было обнаружено (когда вместо мишени из плутония-244 использовался более легкий изотоп - плутоний-242). Это точно воспроизводит сценарий, который был предсказан теорией о том, что остров находится справа, среди ядер, обогащенных нейтронами.

Таким образом, синтезированные ядра-изотопы 114-элемента и их дочерние продукты альфа-распада, новые изотопы 112 и 110 элементов уже испытывают действия этих структурных сил, формирующих «остров стабильности» сверхтяжелых элементов. И несмотря на то, что они находятся на значительном расстоянии от вершины острова, тем не менее, их времена составляют минуты и десятки минут (рис. 4). Это примерно на 5 порядков повышает их стабильность по сравнению с изотопами тех же элементов, находящихся вдали от границы острова.

Уникальное вещество - кюрий-248 было получено на мощном реакторе НИИ Атомных Реакторов в г. Димитровграде. Наблюдение цепочки распадов 116-элемента было бы еще одним доказательством получения 114-элемента - в первом случае он был получен непосредственно при облучении плутониевой мишени; в этой же реакции в результате распада более тяжелого родителя.

Рис. 4. Карта нуклидов с указанием цепочек радиоактивного распада атомов, синтезированных в ядерных реакциях под действием ускоренных ионов 48 Са. Топографический фон демонстрирует силу структурных эффектов в ядре атома.

Такой эксперимент был поставлен недавно - и здесь ученые пошли на некоторый риск.

Если в реакции образуется 116-элемент, то после его альфа-распада должно быть получено ядро 114-элемента; иными словами, в этом опыте ученые должны были еще раз (уже третий) наблюдать кроме 116-элемента всю цепочку распада 114-элемента.

После вылета альфа-частицы от распада 116-элемента, ускоритель выключался, и выключалось все силовое оборудование в лаборатории для того, чтобы создать абсолютно бесфоновые условия. Действительно, после того, как тяжелое ядро отдачи пришло в детектор, спустя 47 миллисекунд, вылетела альфа-частица с энергией 10,56 МэВ, которая отключила все мощное оборудование. После этого в совершенно спокойных условиях наблюдался вылет еще одной альфа-частицы, затем другой и следом - спонтанное деление.

Если сравнить цепочку распадов после отключения ускорителя с тем, что наблюдалось для 114-элемента, то можно увидеть полное совпадение по всем параметрам (рис. 3b). Это действительно был распад 114-го элемента, а, стало быть, предыдущая альфа-частица относится к 116-му. Произошло это 19 июля 2000 года. В 2001 году опыт был продолжен и в результате были синтезированы еще 2 ядра 116 элемента.

Теперь можно сравнить предсказание теории и результаты, полученные в эксперименте. Для 116-го элемента согласно теории с увеличением числа нейтронов в ядре от 166 до 176 время жизни ядра должно было возрасти на 5 порядков. Эксперимент дал величину примерно 6 порядков. Для 114-го элемента картина выглядит таким же образом. При увеличении числа нейтронов в этом ядре от 164 до 174 период полураспада возрастает более чем на 6 порядков. Для 112-элемента избыток в 10 нейтронов также увеличивает стабильность ядра на 5–6 порядков. Такая же картина характерна для изотопов 110-элемента.

Это хорошее согласие с теоретической гипотезой. Кроме того, эксперимент показывает, что сверхтяжелые нуклиды в этой области более долгоживущие, чем это следовало из теории.

Следует обратить внимание на вершину «острова стабильности». Эта вершина может составлять миллионы лет. Она не дотягивает до возраста Земли, который составляет 4,5 миллиарда лет. Однако, если принять во внимание, что в эксперименте мы имеем превышение стабильности над расчетными значениями на отрогах «острова стабильности», то не исключено присутствие сверхтяжелых элементов в природе, в нашей системе, либо в космических лучах, т. е. в других системах. Там могут существовать сверхтяжелые элементы, время жизни которых будет исчисляться миллионами лет.

Важно еще одно обстоятельство: теперь таблица элементов пополнилась новыми 114 и 116 элементами. Эксперименты дали новое звучание известным ранее 112, 110, 108 элементам, поскольку увеличение нейтронов привело к существенному возрастанию времени их жизни. Это дает возможность изучать химические свойства этих элементов. Элементы 112-ый, 110-ый и 108-ой, которые живут минуты, стали вполне доступны для исследования их химических свойств методами современной радиохимии. Можно ставить опыты по проверке фундаментального Закона Менделеева относительно унификации свойств в колонках. Применительно к сверхтяжелым элементам мы должны считать, что 112-ый элемент - гомолог кадмия, ртути; 114-ый элемент - аналог олова, свинца и т. д. Пока это просто экстраполяция наших представлений на ранее неизвестные элементы. Фундаментальный Закон периодичности химических свойств элементов можно теперь проверять экспериментально.

Стабильные элементы заканчиваются свинцом и висмутом. Ядра этих атомов являются магическими, что определяет повышенную энергию связи нуклонов в ядре. Затем следует область радиоактивных элементов, среди которых торий и уран наиболее устойчивы. Их период полураспада сравним с возрастом нашей планеты. По мере продвижения в сторону более тяжелых элементов время жизни ядер резко уменьшается. Полуостров радиоактивных элементов имеет выраженные границы. Теория предсказывала, что за «полуостровом» будут следовать «острова стабильности». Они будут расположены в области очень тяжелых элементов, ядра которых обогащены нейтронами.

Попытки получить эти ядра в мощных потоках нейтронов не увенчались успехом. С другой стороны, в реакциях с тяжелыми ионами, начиная с 50-х годов, удалось синтезировать 12 искусственных элементов с атомными номерами более 100. Но в ядрах этих элементов не удалось получить избыток нейтронов, который позволил бы ответить на вопрос: кончается мир «полуостровом» радиоактивных ядер или за ним будет следовать «остров стабильности» еще более тяжелых - сверхтяжелых элементов.

Используя пучки ускоренных ионов изотопа кальция-48 и выбирая в качестве мишени искусственные элементы - тяжелые изотопы плутония и кюрия, полученные в мощных реакторах, ученым удалось подойти лишь к границам этого гипотетического «острова стабильности» и уже здесь обнаружить значительное повышение стабильности сверхтяжелых элементов. Опыты продолжаются, на очереди - 118 элемент.

Что же дальше? Достигнутый успех породил новые замыслы освоения открытой terra incognita. Прежде всего, хотелось бы получать ядра сверхтяжелых элементов (СТЭ) в больших количествах. Конечно, сам факт открытия нового элемента всего по двум наблюденным атомам впечатляет, но для более полного изучения требуется значительно большее количество. Необходимо создание принципиально новых, более эффективных экспериментальных установок. На проектные работы ушло полгода и в настоящее время в Лаборатории осуществляется проект создания Масс-Анализатора Сверхтяжелых Атомов (MASHA). Аналогов такой экспериментальной установки в мире нет. С вводом ее в действие ученые рассчитывают получать уже десятки атомов СТЭ и исследовать их свойства более широко. Реализуется также проект DRIBs, в котором два мощных ускорителя объединяются в единый комплекс, что позволит ускорять атомы радиоактивных изотопов, в частности олова-132. Это даст принципиально новые возможности синтеза СТЭ.

Минатом подключил к программе свои организации и выделил необходимые финансы (по 15 млн руб. ежегодно в течение 4 лет). Миннауки выделил специальный грант в размере 1 млн руб. От РАО ЕС было получено эксклюзивное право на выделение электроэнергии для питания ускорителей при проведении экспериментов. Американцы из Ливермора прислали бесплатно плутоний-244. Губернатор Московской области Б. В. Громов выделил Объединенному институту ядерных исследований из своего резерва средства для финансирования исследований по сверхтяжелым элементам (10 млн руб. в 2001 г. и 15 млн руб. в 2002 г.). Не вызывает сомнений, что интеллектуальные и технические ресурсы, накопленные в Дубне и других аналогичных центрах России, необходимо использовать для развития современных высокотехнологичных и наукоемких процессов, которые только и могут обеспечить в будущем конкурентоспособность российской продукции на мировом рынке.

Библиография

Bohr N., Wheeler J. The Mechanism of Nuclear Fission//Phys. Rev. 1939. № 56.

Flerov G. N., Petrzhak K. A. Spontaneous fission of 238 U//Phys. Rev. 1940. № 58; J. Phys. USSR. 1940. № 3.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. et al. Synthesis of nuclei of superheavy element 114 in reaction induced by 48 Ca//Nature. 1999. № 400.

Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V. et al. The synthesis of superheavy nuclei in the 48 Ca + 244 Pu reaction//Phys. Rev. Lett. 1999. № 83.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. et al. Observation of the decay of 292 116//Phys. Rev. 2001. C 63. 011301/1–011301/2.

Полтора века назад, когда Дмитрий Иванович Менделеев открыл Периодический закон, было известно только 63 элемента. Упорядоченные в таблицу, они легко раскладывались по периодам, каждый из которых открывается активными щелочными металлами и заканчивается (как выяснилось позже) инертными благородными газами. С тех пор таблица Менделеева увеличилась почти вдвое, и с каждым расширением Периодический закон подтверждался снова и снова. Рубидий так же напоминает калий и натрий, как ксенон — криптон и аргон, ниже углерода располагается во многом похожий на него кремний… Сегодня известно, что эти свойства определяются числом электронов, вращающихся вокруг атомного ядра.

Они заполняют «энергетические оболочки» атома одну за другой, как зрители, по порядку занимающие сиденья на своих рядах в театре: тот, кто оказался последним, определит химические свойства всего элемента. Атом с полностью заполненной последней оболочкой (как гелий с его двумя электронами) будет инертным; элемент с одним «лишним» электроном на ней (как натрий) станет активно образовывать химические связи. Число отрицательно заряженных электронов на орбитах связано с количеством положительных протонов в ядре атома, и именно числом протонов отличаются разные элементы.

Зато нейтронов в ядре одного и того же элемента может быть разное количество, заряда у них нет, и на химические свойства они не влияют. Но в зависимости от числа нейтронов водород может оказаться тяжелее гелия, а масса лития — достигать семи вместо «классических» шести атомных единиц. И если список известных элементов сегодня приближается к отметке в 120, то число ядер (нуклидов) перевалило за 3000. Большинство из них нестабильны и спустя некоторое время распадаются, выбрасывая «лишние» частицы в ходе радиоактивного распада. Еще больше нуклидов неспособны существовать в принципе, моментально разваливаясь на куски. Так материк стабильных ядер окружает целое море неустойчивых сочетаний нейтронов и протонов.

Море Неустойчивости

Судьба ядра зависит от числа нейтронов и протонов в нем. Согласно оболочечной теории строения ядра, выдвинутой еще в 1950-х, частицы в нем распределяются по своим энергетическим уровням так же, как электроны, которые вращаются вокруг ядра. Некоторые количества протонов и нейтронов дают особо устойчивые конфигурации с полностью заполненными протонными или нейтронными оболочками — по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронов еще и 126 частиц. Эти числа называются «магическими», а самые стабильные ядра содержат «дважды магические» количества частиц — например, 82 протона и 126 нейтронов у свинца или по два — в обычном атоме гелия, второго по распространенности элемента во Вселенной.

Последовательный «Химический материк» элементов, которые можно найти на Земле, заканчивается свинцом. За ним следует череда ядер, которые существуют намного меньше возраста нашей планеты. В ее недрах они могут сохраниться разве что в малых количествах, как уран и торий, или вовсе — в следовых, как плутоний. Из породы извлечь его невозможно, и плутоний нарабатывают искусственно, в реакторах, бомбардируя нейтронами урановую мишень. Вообще современные физики обращаются с ядрами атомов, как с деталями конструктора, заставляя их присоединять отдельные нейтроны, протоны или целые ядра. Это и позволяет получать все более и более тяжелые нуклиды, пересекая пролив «моря Неустойчивости».

Цель путешествия подсказана той же оболочечной теорией строения ядра. Это — область сверхтяжелых элементов с подходящим (и очень большим) числом нейтронов и протонов, легендарный «остров Стабильности». Расчеты говорят, что некоторые из местных «жителей» могут существовать уже не доли микросекунд, а на много порядков дольше. «В определенном приближении их можно рассматривать как капельки воды, — объяснил нам академик РАН Юрий Оганесян. — Вплоть до свинца следуют ядра сферические и устойчивые. За ними следует полуостров умеренно стабильных ядер — таких как торий или уран, — который вытягивается отмелью сильно деформированных ядер и обрывается в нестабильное море… Но еще дальше, за проливом, может находиться новая область сферических ядер, сверхтяжелых и устойчивых элементов с номерами 114, 116 и далее». Время жизни некоторых элементов на «острове Стабильности» может длиться уже годы, и то и миллионы лет.

Остров Стабильности

Трансурановые элементы с их деформированными ядрами удается создать, бомбардируя нейтронами мишени из урана, тория или плутония. Обстреливая их разогнанными в ускорителе легкими ионами, можно последовательно получить ряд элементов еще тяжелее — но в какой-то момент наступит предел. «Если рассматривать разные реакции — присоединение нейтронов, присоединение ионов — как разные «корабли», то все они не помогут нам доплыть до «острова Стабильности», — продолжает Юрий Оганесян. — Для этого потребуется «судно» и побольше, и другой конструкции. В качестве мишени придется использовать нейтроноизбыточные тяжелые ядра искусственных элементов тяжелее урана, а бомбардировать их потребуется большими, тяжелыми изотопами, содержащими много нейтронов, такими как кальций-48».

Работа над таким «кораблем» оказалась по силам лишь большой международной команде ученых. Инженеры и физики комбината «Электрохимприбор» выделили из природного кальция исключительно редкий 48-й изотоп, содержащийся здесь в количестве менее 0,2%. Мишени из урана, плутония, америция, кюрия, калифорния приготовили в Димитроградском НИИ Атомных реакторов, в Ливерморской национальной лаборатории и в Национальной лаборатории в Оук-Ридже в США. Ну а ключевые эксперименты по синтезу новых элементов были проведены академиком Оганесяном в Объединенном институте ядерной физики (ОИЯИ), в Лаборатории ядерных реакций имени Флёрова. «Наш ускоритель в Дубне работал по 6−7 тысяч часов в год, разгоняя ионы кальция-48 примерно до 0,1 скорости света, — объясняет ученый. — Эта энергия необходима, чтобы некоторые из них, ударяясь в мишень, преодолели силы кулоновского отталкивания и слились с ядрами ее атомов. Например, 92-й элемент, уран, даст ядро нового элемента с номером 112, плутоний — 114, а калифорний — 118».

«Поиск новых сверхтяжёлых элементов позволяет ответить на один из важнейших вопросов науки: где лежит граница нашего материального мира?»

«Такие ядра должны быть уже достаточно стабильны и распадаться будут не сразу, а станут последовательно выбрасывать альфа-частицы, ядра гелия. А уж их мы прекрасно умеем регистрировать», — продолжает Оганесян. Сверхтяжелое ядро выбросит альфа-частицу, превратившись в элемент на два атомных номера легче. В свой черед и дочернее ядро потеряет альфа-частицу и превратится во «внучатое» — еще на четыре легче, и так далее, пока процесс последовательного альфа-распада не закончится случайным появлением и моментальным спонтанным делением, гибелью неустойчивого ядра в «море Нестабильности». По этой «генеалогии» альфа-частиц Оганесян и его коллеги проследили всю историю превращения полученных в ускорителе нуклидов и очертили ближний берег «острова Стабильности». После полувекового плавания на него высадились первые люди.

Новая земля

Уже за первое десятилетие XXI века в реакциях слияния актинидов с ускоренными ионами кальция-48 были синтезированы атомы элементов с номерами от 113 и вплоть до 118-го, лежащего на дальнем от «материка» берегу «острова Стабильности». Время их существования уже на порядки больше, чем у соседей: например, элемент 114 сохраняется не миллисекунды, как 110-й, а десятки и даже сотни секунд. «Такие вещества уже доступны для химии, — говорит академик Оганесян. — А значит, мы возвращаемся к самому началу путешествия и теперь можем проверить, соблюдается ли для них Периодический закон Менделеева. Будет ли 112-й элемент аналогом ртути и кадмия, а 114-й — аналогом олова и свинца»? Первые же химические эксперименты с изотопом 112-го элемента (коперниция) показали: видимо, будут. Ядра коперниция, вылетающие из мишени при бомбардировке, ученые направляли в длинную трубку, включающую 36 парных детекторов, частично покрытых золотом. Ртуть легко образует устойчивые интерметаллические соединения с золотом (это свойство используется в древней технике позолоты). Поэтому ртуть и близкие к ней атомы должны оседать на золотой поверхности первых же детекторов, а радон и атомы, близкие к благородным газам, могут добираться до конца трубки. Послушно следуя Периодическому закону, коперниций проявил себя родственником ртути. Но если ртуть стала первым известным жидким металлом, то коперниций, возможно, окажется первым газообразным: температура его кипения ниже комнатной. По словам Юрия Оганесяна, это только блеклое начало, и сверхтяжелые элементы с «острова Стабильности» откроют нам новую, яркую и необычную область химии.

Но пока мы задержались у подножия острова стабильных элементов. Ожидается, что 120-й и следующие за ним ядра могут оказаться по‑настоящему устойчивыми и будут существовать уже долгие годы, а то и миллионы лет, образуя стабильные соединения. Однако получить их с помощью того же кальция-48 уже невозможно: не существует достаточно долгоживущих элементов, которые могли бы, соединившись с этими ионами, дать ядра нужной массы. Попытки заменить ионы кальция-48 чем-нибудь более тяжелым пока тоже не принесли результата. Поэтому для новых поисков ученые-мореплаватели подняли голову и присмотрелись к небесам.

Космос и фабрика

Первоначальный состав нашего мира разнообразием не отличался: в Большом взрыве появился лишь водород с небольшими примесями гелия — легчайшие из атомов. Все прочие уважаемые участники таблицы Менделеева появились в реакциях слияния ядер, в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Неустойчивые нуклиды быстро распадались, устойчивые, как кислород-16 или железо-54, накапливались. Неудивительно, что тяжелых нестабильных элементов, таких как америций или коперниций, в природе обнаружить не удается.

Но если где-то в самом деле есть «остров Стабильности», то хотя бы в небольших количествах сверхтяжелые элементы должны встречаться на просторах Вселенной, и некоторые ученые ведут их поиски среди частиц космических лучей. По словам академика Оганесяна, этот подход все же не так надежен, как старая добрая бомбардировка. «По-настоящему долгоживущие ядра на «вершине» острова Стабильности содержат необычно большие количества нейтронов, — рассказывает ученый. — Поэтому нейтроноизбыточный кальций-48 оказался таким удачным ядром для бомбардировки нейтроноизбыточных элементов мишени. Однако изотопы тяжелее кальция-48 нестабильны, и чрезвычайно малы шансы на то, что они в естественных условиях смогут слиться с образованием сверхстабильных ядер».

Поэтому лаборатория в подмосковной Дубне обратилась к использованию более тяжелых ядер, пусть и не столь удачных, как кальций, для обстреливания искусственных элементов мишеней. «Мы сейчас заняты созданием так называемой Фабрики сверхтяжелых элементов, — говорит академик Оганесян. — В ней те же мишени будут бомбардироваться ядрами титана или хрома. Они содержат на два и четыре протона больше, чем кальций, а значит — могут дать нам элементы с массами 120 и больше. Интересно будет посмотреть, окажутся ли они еще на «острове» или же откроют новый пролив за ним».

На исходе второго тысячелетия академик Виталий Лазаревич Гинзбург составил список из тридцати проблем физики и астрофизики, которые он считал наиболее важными и интересными (см. «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.). В этом списке под № 13 указана задача отыскания сверхтяжёлых элементов. Тогда, 12 лет назад, академик с огорчением отметил, что «существование в космических лучах долгоживущих (речь идёт о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было». Сегодня следы таких ядер обнаружены. Это даёт надежду открыть наконец остров Стабильности сверхтяжёлых ядер, существование которого предсказал когда-то физик-ядерщик Георгий Николаевич Флёров.

Вопрос, существуют ли элементы тяжелее урана-92 (238 U - его стабильный изотоп), долгое время оставался открытым, так как в природе они не наблюдались. Считалось, что стабильных элементов с атомным номером больше 180 нет: мощный положительный заряд ядра разрушит внутренние уровни электронов тяжёлого атома. Однако довольно скоро выяснилось, что стабильность элемента определяется устойчивостью его ядра, а не оболочки. Стабильны ядра с чётным числом протонов Z и нейтронов N, среди которых особенно выделяются ядра с так называемым магическим числом протонов или нейтронов - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - это, например, олово, свинец. И наиболее стабильны «дважды магические ядра», у которых число и нейтронов, и протонов - магическое, скажем, гелий и кальций. Таков изотоп свинца 208 Pb: у него Z = 82, N = 126. Устойчивость элемента чрезвычайно сильно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в его ядре. Например, свинец со 126-ю нейтронами стабилен, а другой его изотоп, в ядре которого на один нейтрон больше, распадается за три с лишним часа. Но, отмечал В. Л. Гинзбург, теория предсказывает, что некий элемент Х с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184, то есть с массовым атомным числом А = Z + N = 298, должен жить примерно 100 миллионов лет.

Сегодня искусственно получено множество элементов вплоть до 118-го включительно - 254 Uuo. Это самый тяжёлый неметалл, предположительно - инертный газ; его условные названия унуноктий (оно образовано из корней латинских числительных - 1, 1, 8), эка-радон и московий Mw. Все искусственные элементы когда-то существовали на Земле, но с течением времени распались. Например, плутоний-94 имеет 16 изотопов, и только у 244 Pu период полураспада Т ½ = 7,6·10 7 лет; у нептуния-93 12 изотопов и у 237 Np Т ½ = 2,14·10 6 лет. Эти самые длительные периоды полураспада среди всех изотопов данных элементов гораздо меньше возраста Земли - (4,5–5,5)·10 9 . Ничтожные следы нептуния, которые находят в урановых рудах, - продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана, а плутония - следствие бета-распада нептуния-239.

Элементы, пропавшие за время существования Земли, получают двумя способами. Во-первых, в ядро тяжёлого элемента можно вогнать лишний нейтрон. Там он претерпевает бета-распад, образуя протон, электрон и электронное антинейтрино: n 0 → p + e – + v e . Заряд ядра увеличится на единицу - возникнет новый элемент. Так получали искусственные элементы вплоть до фермия-100 (его изотоп 257 Fm имеет период полураспада 100 лет).

Ещё более тяжёлые элементы создают в ускорителях, которые разгоняют и сталкивают ядра, например золота (см. «Наука и жизнь» № 6, 1997 г.). Именно так в лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и получили 117-й и 118-й элементы. Причём теория предсказывает, что далеко за пределами известных ныне тяжёлых радиоактивных элементов должны существовать стабильные сверхтяжёлые ядра. Российский физик Г. Н. Флёров изобразил систему элементов в виде символического архипелага, где стабильные элементы окружены морем короткоживущих изотопов, которые, возможно, так никогда и не будут обнаружены. На главном острове архипелага высятся пики наиболее стабильных элементов - Кальция, Олова и Свинца, за проливом Радиоактивности лежит остров Тяжёлых ядер с пиками Урана, Нептуния и Плутония. А ещё дальше должен располагаться таинственный остров Стабильности сверхтяжёлых элементов, подобных уже упомянутому - Х-298.

Несмотря на все успехи экспериментальной и теоретической физики, остаётся открытым вопрос: существуют ли в природе сверхтяжёлые элементы, или же они - чисто искусственные, рукотворные вещества, подобные синтетическим материалам - капрону, нейлону, лавсану, - природой никогда не создававшимся?

Условия для образования таких элементов в природе есть. Они создаются в недрах пульсаров и при взрывах сверхновых звёзд. Потоки нейтронов в них достигают огромной плотности - 10 38 n 0 /м 2 и способны порождать сверхтяжёлые ядра. Они разлетаются в космосе в потоке межгалактических космических лучей, но их доля чрезвычайно мала - всего несколько частиц на квадратный метр в год. Поэтому возникла мысль использовать природный детектор-накопитель космического излучения, в котором сверхтяжёлые ядра должны оставить специфический, легко узнаваемый след. Такими детекторами с успехом послужили метеориты.

Метеорит - кусок породы, вырванный какой-то космической катастрофой из материнской планеты, - путешествует в космосе сотни миллионов лет. Его непрерывно «обстреливают» космические лучи, которые на 90% состоят из ядер водорода (протонов), на 7% - из ядер гелия (двух протонов) и на 1% - из электронов. На оставшиеся 2% приходятся другие частицы, среди которых могут быть и сверхтяжёлые ядра.

Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) изучают два палласита - железоникелиевые метеориты с вкраплениями оливина (группа полупрозрачных минералов, в которых к двуокиси кремния SiO 4 присоединены в разных пропорциях Mg 2 , (Mg, Fe) 2 и (Mn, Fe) 2 ; прозрачный оливин называется хризолитом). Возраст этих метеоритов - 185 и 300 миллионов лет.

Тяжёлые ядра, пролетая сквозь кристалл оливина, повреждают его решётку, оставляя в ней свои следы - треки. Они становятся видны после химической обработки кристалла - травления. А поскольку оливин полупрозрачен, треки эти можно наблюдать и изучать в микроскоп. По толщине трека, его длине и форме можно судить о заряде и атомной массе ядра. Исследования сильно осложняет то, что кристаллы оливина имеют размеры порядка нескольких миллиметров, а трек тяжёлой частицы гораздо длиннее. Поэтому о величине её заряда приходится судить по косвенным данным - скорости травления, уменьшению толщины трека и пр.

Работы по отысканию следов сверхтяжёлых частиц с острова стабильности назвали «Проект Олимпия». В рамках этого проекта получены сведения примерно о шести тысячах ядер с зарядом более 55 и трёх ультратяжёлых ядрах, заряды которых лежат в интервале от 105 до 130. Все характеристики треков этих ядер измерены комплексом высокоточной аппаратуры, созданным в ФИАНе. Комплекс в автоматическом режиме распознаёт треки, определяет их геометрические параметры и, экстраполируя данные измерений, находит предположительную длину трека до его остановки в массиве оливина (напомним, что реальный размер его кристалла - несколько миллиметров).

Полученные экспериментальные результаты подтверждают реальность существования в природе стабильных сверхтяжёлых элементов.

You can comment here or .

ЧИКАГО, 17 февраля. Впервые удалось измерить массу элемента тяжелее урана – новый метод открывает путь к давно предсказанному «острову стабильности» устойчивых сверхтяжелых элементов, лежащему за пределами привычной Таблицы Менделеева.

Ядро урана включает 92 протона, это – самый тяжелый из известных нам элементов, встречающихся в природе. В искусственных условиях, конечно, синтезированы и более тяжелые, вплоть до 118-ти протонов. Все эти «тяжеловесы» крайне короткоживущи, они распадаются за считанные миллисекунды.

Но еще в середине ХХ века была теоретически предсказана возможность существования сверхтяжелых элементов, содержащих определенное соотношение протонов и нейтронов и имеющих срок жизни куда более долгий – десятилетия, а то и больше. С тех пор путь к этому «острову стабильности» стал одним из важнейших направлений ядерной физики. И вовсе не из чисто академического интереса. Сверхтяжелые стабильные элементы могли бы послужить отличным топливом для ядерных двигателей будущих космических миссий. Они должны, по расчетам, проявлять также необычные и полезные химические и физические свойства.

Однако до сих пор никто в точности не знает, где же мы должны наткнуться на этот остров. Одни расчеты показывают, что где-то в области с центром в 114 протонов на ядро, другие – между 120-ю и 126-ю протонами. Вычисления затрудняются тем, что ученые не имеют точного представления о том, как действуют сильные и слабые силы в «перенаселенных» ядрах таких элементов, удерживая их протоны и нейтроны вместе. Краткость существования полученных в лаборатории сверхтяжелых элементов не позволяет собрать достаточно экспериментальных данных.

Новый прорыв в этой области обещает недавняя работа команды немецких ученых во главе с Майклом Блоком, которым удалось найти способ прямого измерения массы частиц тяжелее урана. А поскольку масса и энергия связаны знаменитой эйнштейновской формулой E = mc2, определение массы атома позволяет (учтя дополнительные факторы) вычислить и силы, с которыми частицы в его ядре связаны друг с другом.

Для измерения массы атома ученые воспользовались устройством, которое называется ловушкой Пеннинга, где, упрощенно говоря, ионы удерживаются электромагнитным полем. Объектом измерений послужил нобелий, ядро которого включает 102 протона – на 10 больше, чем у урана. Как и прочие «искусственные» элементы, он получается столкновением несколько более легких элементов и является крайне короткоживущим (максимум 58 минут). Главной задачей, которую удалось решить немецким физикам, было найти способ замедлить атомы перед тем, как они попадут в ловушку, для чего ученые решили пропускать их предварительно через камеру, заполненную гелием.

Теперь, обладая методом, позволяющим «взвешивать» сверхтяжелые короткоживущие атомы, экспериментаторы могут точнее установить их параметры. А теоретики на базе этих данных – выбрать между конкурирующими моделями, предсказывающими положение «острова стабильности».

Метод позволяет двинуться существенно дальше по Периодической таблице, хотя на практике воспользоваться им для наиболее тяжелых из полученных элементов может быть не очень просто. Хотя бы потому, что синтез подобных великанов – уже сам по себе крайне непростой процесс. Если тот же нобелий можно с помощью подготовленного эксперимента получать с частотой, в среднем, 1 атом в секунду, то с более тяжелыми элементами, ядра которых содержат более 104 протонов, все гораздо дольше. Получение 1 атома может занять, к примеру, неделю.

Но если все пойдет хорошо, рано или поздно этот метод позволит заметить и обитателей «острова стабильности». Поскольку такие сверхтяжелые элементы обычно обнаруживаются по продуктам распада, а стабильные имеют слишком долгий период жизни, традиционные методы работы с атомами-тяжеловесами для этого не годятся