Жизнь замечательных веществ - Аркадий Курамшин

Заполненный седьмой ряд Периодической системы не предел – учёные всегда готовы смело идти за пределы изведенного, туда, где не ступала нога человека. Уже анонсированы планы нескольких ядерных центров синтезировать элементы с номерами 119 и 120. Более того, еще в 2012 году в Институте по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в течение пяти месяцев предпринимали попытки получить ядра химических элементов со ста девятнадцатью и ста двадцатью протонами, хотя и безрезультатно. Но как оптимистично полагает физик-ядерщик из Университета Ливерпуля Рольф-Дитмар Херцберг, существующие методы синтеза сверхтяжелых элементов позволят справиться и с этой задачей. Однако и Херцберг, и другие его коллеги сходятся во мнении, что шансы на получение элементов с номерами бо́льшими, чем 120, исчезающе малы.

Ускорители частиц дня сегодняшнего могут посылать на мишень 1012 ядер ежесекундно. Тем не менее направление на цель большего количества ядер может просто «сжечь» и мишень, и детектор. Для того чтобы избежать этого, необходимы более эффективные технологии, например, получение большей по размерам мишени и расширение пучка более легких ядер, атакующих мишень, но это, конечно, проще спланировать, чем осуществить, – синтез 20 мг берклия, послужившего сырьем для получения элемента № 117, занял 2 года. Проблему доступности мишеней может решить строящаяся в Дубне «Фабрика сверхтяжелых элементов», вряд ли в скорое время стоит ждать очередного прорыва в заполнении новых клеток таблицы Менделеева.

Тем не менее исследователи не теряют бодрости духа. Есть мнение, что нам удастся добраться до элемента № 124 в течение ближайших двух-трех десятилетий. В немалой степени это мнение основано на том, что ещё пятнадцать лет назад было сложно предположить, что мы зайдём так далеко, как зашли. Охота на новые элементы была и остается движущей силой развития технологии.

Ещё одна идея, которая может позволить выйти за границы изведанного, – попытка проведения реакций ядерного обмена. Как объясняет суть этого подхода эксперт из Института Гельмгольца Кристоф Дулльманн, обстрел урановой мишени ядрами урана не приведет к их слиянию, однако сталкивающиеся ядра могут обмениваться протонами и нейтронами, в результате чего мы можем получить ядро, содержащее, например, 120 протонов. Такой ядерный обмен может стать маршрутом для получения нуклидов, которые нельзя получить ни горячим, ни холодным слиянием.

Сверхтяжелые элементы отличаются небольшими временами жизни, что не позволяет применять их на практике, однако их изучение даёт возможность физикам и химикам лучше понять строение атомного ядра и получить еще более точные модели сильных внутриядерных взаимодействий, предсказать устойчивость и неустойчивость различных нуклидов.

Теоретические предсказания того, какую часть таблицы Менделеева ещё хотя бы принципиально можно заполнить, довольно сильно разнятся. Физик Ричард Фейнман предсказывал, что последним элементом Периодической системы станет элемент № 137. Это предсказание опирается на эйнштейновскую модель относительности: по мере увеличения заряда ядра электроны начинают двигаться все быстрее и быстрее, и в какой-то момент скорость электронов, при которой они не упадут на ядра, должна перевалить за скорость света, что физически невозможно. Другие расчёты говорят о том, что предел Периодической системы расположен гораздо дальше – в районе ядра, содержащего около 170 протонов.

Хотя четыре новобранца таблицы Менделеева живут недолго и самый стабильный из них нуклид – один из изотопов нихония – распадается за 19–20 секунд, исследователи ожидают обнаружить остров стабильности в районе элементов с номерами 120–126. Эти «магические» числа протонов соответствуют полностью заполненным ядерным оболочкам, которые должны быть стабильны, как и полностью заполненные валентные оболочки инертных газов.

Исследователи надеются, что дважды магические изотопы унбинилия и унбигексия (элемента № 126), содержащие и магическое количество протонов, и магическое количество нейтронов, должны жить гораздо дольше, чем другие изотопы этих элементов. Правда, оценка времени жизни этих ядер достаточно сильно различается и может исчисляться как десятками минут, так и миллионами лет. В подтверждение гипотезы «острова стабильности» исследователи уже приводят информацию об устойчивости известных изотопов сверхтяжелых элементов, содержание нейтронов в которых приближается к магическому числу 184. Дулльманн заявляет, что Святым Граалем в синтезе сверхтяжелых элементов является получение ядра со 184 нейтронами, однако пока ещё этот Святой Грааль не стремится открыть себя ищущим его.

* * *

Как-то раз на вводной лекции юрист, читавший студентам-химикам Казанского университета основы правоведения, пытался давить аудиторию на жалость, заявляя, что юристом быть тяжело, слишком много всего приходится держать в голове, законы постоянно меняются, и чтобы остаться на плаву, нужно быть в курсе изменений, а вот у химиков просто не жизнь, а рай – учение Менделеева бессмертно, потому что оно верно. В представлении этого преподавателя Периодическая система казалась такой скрижалью химического завета, изменения в которой просто невозможны. Естественно, это впечатление ошибочно – в таблице Менделеева появляются новые химические элементы, что-то из нее исчезает (вопреки распространенному анекдоту у Менделеева на первом месте был не водород, а невесомый мировой эфир, он же), в результате более точного пересчета могут меняться значения внесенных в Периодическую систему атомных весов и атомных радиусов.

Нет ничего более постоянного, чем значения атомных радиусов. Мартин Рам (Martin Rahm), Роальд Хоффманн (Roald Hoffmann) и Нейл Эшкрофт (Neil W. Ashcroft) из Корнельского университета показали, что эти справочные значения можно (и нужно) подкорректировать. Пытаясь добиться большей точности и системности в представлениях о факторах, управляющих размером атомных ядер, эти исследователи провели систематическое теоретическое определение атомных и ионных радиусов элементов Периодической системы с номерами от 1 до 96 (Chem. Eur. J. 2016, V. 22, Issue 41, P. 14625–14632; DOI: 10.1002/chem.201602949).

Бытует мнение, что все вопросы, связанные с определением размеров атомов и ионов, были решены в прошлом веке. В защиту такой точки зрения говорят и огромное количество надежных теорий, и большой массив экспериментальных данных. Кажется, что и теория, и эмпирические данные позволяют говорить о значении радиуса атомов в составе вещества с любым типом связи и находящемся в любом агрегатном состоянии. Тем не менее, как утверждают исследователи, пока нет еще возможности точно ответить на вопрос: «Чему равен размер атома или иона?»