Отвъд периодичната таблица

Отвъд периодичната таблица: Защо да търсите трансуранови елементи

В търсене на нови химични елементи учените отдавна напуснаха познатия „континент“ на училищната периодична таблица, преминаха през радиоактивен полуостров, прекосиха протока на изключително нестабилни ядра и се озоваха на дългоочакваните брегове на „Острова на стабилността“. Роман Фишман

Преди век и половина, когато Дмитрий Иванович Менделеев откри Периодичния закон, бяха известни само 63 елемента. Подредени в таблица, те лесно се разлагат на периоди, всеки от които започва с активни алкални метали и завършва (както се оказа по-късно) с инертни благородни газове. Оттогава периодичната таблица почти се е удвоила по размер и с всяко разширяване периодичният закон се потвърждава отново и отново. Рубидият е толкова подобен на калия и натрия, колкото ксенонът е на криптона и аргона, под въглерода е силиций, който в много отношения е подобен на него ... Днес е известно, че тези свойства се определят от броя на електроните, въртящи се около атомното ядро.

Те изпълват една по една "енергийните обвивки" на атома, като зрители, които заемат местата си в редовете си в театъра: последният ще определи химичните свойства на целия елемент. Атом с напълно запълнена последна обвивка (като хелий с неговите два електрона) ще бъде инертен; елемент с един "допълнителен" електрон върху него (като натрий) активно ще образува химически връзки. Броят на отрицателно заредените електрони в орбитите е свързан с броя на положителните протони в ядрото на атома и това е броят на протоните, който разграничава различните елементи.

Но в ядрото на един и същи елемент може да има различен брой неутрони, те нямат заряд и не влияят на химичните свойства. Но в зависимост от броя на неутроните, водородътможе да се окаже по-тежък от хелия, а масата на лития може да достигне седем вместо „класическите“ шест атомни единици. И ако списъкът с известни елементи днес се доближава до 120, тогава броят на ядрата (нуклидите) е надхвърлил 3000. Повечето от тях са нестабилни и се разпадат след известно време, изхвърляйки „допълнителни“ частици по време на радиоактивен разпад. Още повече нуклиди не могат да съществуват по принцип, моментално се разпадат. Така че континентът от стабилни ядра заобикаля цяло море от нестабилни комбинации от неутрони и протони.

Юрий Оганесян, академик на Руската академия на науките, научен ръководител на лабораторията за ядрени реакции на Флеров, Обединен институт по ядрена физика (Дубна)

„Търсенето на нови свръхтежки елементи ни позволява да отговорим на един от най-важните въпроси на науката: къде минава границата на нашия материален свят?“

Съдбата на ядрото зависи от броя на неутроните и протоните в него. Според черупковата теория за структурата на ядрото, представена още през 50-те години на миналия век, частиците в него са разпределени според техните енергийни нива по същия начин, както електроните, които се въртят около ядрото. Някои бройки протони и неутрони дават особено стабилни конфигурации с напълно запълнени протонни или неутронни обвивки - по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а за неутроните и 126 частици. Тези числа се наричат „магически“, а най-стабилните ядра съдържат „двойно магически“ брой частици – например 82 протона и 126 неутрона в оловото или по два в обикновен атом хелий, вторият най-разпространен елемент във Вселената.

Постоянният „химически континент“ от елементи, които могат да бъдат намерени на Земята, завършва с олово. Следва серия от ядра, които съществуват много по-малко от възрастта на нашата планета. В недрата му те могат да се запазят само в малки количества, като уран и торий, или дори вследи, като плутоний. Невъзможно е да се извлече от скалата, а плутоният се произвежда изкуствено, в реактори, чрез бомбардиране на уранова мишена с неутрони. Като цяло съвременните физици се отнасят към ядрата на атомите като към части от дизайнер, принуждавайки ги да прикрепят отделни неутрони, протони или цели ядра. Това прави възможно получаването на все повече и повече тежки нуклиди чрез пресичане на пролива на "Морето на нестабилността".

Целта на пътуването се подсказва от същата черупкова теория за структурата на ядрото. Това е областта на свръхтежките елементи с подходящ (и много голям) брой неутрони и протони, легендарният „Остров на стабилността“. Изчисленията показват, че някои от местните „жители“ може вече да не съществуват за части от микросекунди, а за много порядъци по-дълго. „В известно приближение те могат да се разглеждат като водни капки“, обясни Юрий Оганесян, академик на Руската академия на науките. - До оловото следват сферични и стабилни ядра. Те са последвани от полуостров от умерено стабилни ядра - като торий или уран - който се изтегля от плитчина от силно деформирани ядра и се разпада в нестабилно море ... Но още по-нататък, отвъд пролива, може да има нов регион от сферични ядра, свръхтежки и стабилни елементи с номера 114, 116 и отвъд. Животът на някои елементи на "Острова на стабилността" може да продължи години и дори милиони години.

Трансурановите елементи с техните деформирани ядра могат да бъдат създадени чрез бомбардиране на цели от уран, торий или плутоний с неутрони. Бомбардирайки ги с леки йони, диспергирани в ускорителя, може последователно да се получат редица елементи, дори по-тежки - но в един момент ще има ограничение. „Ако разглеждаме различните реакции – добавянето на неутрони, добавянето на йони – като различни „кораби“, тогава всички те няма да ни помогнат да плаваме до „Острова на стабилността“, -продължава Юрий Оганесян. - Това ще изисква "съд" и повече, и различен дизайн. Богатите на неутрони тежки ядра на изкуствени елементи, по-тежки от уран, ще трябва да бъдат използвани като мишени и ще трябва да бъдат бомбардирани с големи, тежки, богати на неутрони изотопи, като калций-48.

Работата върху такъв "кораб" беше възможна само за голям международен екип от учени. Инженери и физици от завода "Електрохимприбор" изолираха изключително редкия 48-ми изотоп от естествения калций, който се съдържа тук в количество под 0,2%. Мишени от уран, плутоний, америций, кюрий, Калифорния са изготвени в Димитровградския научноизследователски институт по атомни реактори, в Ливърморската национална лаборатория и в Оук Ридж националната лаборатория в САЩ. Е, ключовите експерименти за синтеза на нови елементи бяха проведени от академик Оганесян в Обединения институт за ядрена физика (ОИЯИ), в Лабораторията за ядрени реакции на Флеров. „Нашият ускорител в Дубна работи 6-7 хиляди часа годишно, ускорявайки йони калций-48 до около 0,1 от скоростта на светлината“, обяснява ученият. - Тази енергия е необходима, така че някои от тях, удряйки целта, да преодолеят силите на кулоновото отблъскване и да се слеят с ядрата на нейните атоми. Например 92-ият елемент, уранът, ще даде ядрото на нов елемент с номер 112, плутоният - 114, а калифорний - 118.

„Такива ядра вече трябва да са доста стабилни и няма да се разпадат веднага, а последователно ще излъчват алфа частици, хелиеви ядра. И ние сме в състояние да ги регистрираме“, продължава Ованесян. Свръхтежко ядро ще изхвърли алфа частица, превръщайки се в елемент с два атомни номера по-лек. На свой ред дъщерното ядро ще загуби алфа частица и ще се превърне в „внучка“ - още четири по-леки и така нататък, докато процесътпоследователният алфа разпад няма да завърши със случайна поява и мигновено спонтанно делене, смъртта на нестабилно ядро в "Морето на нестабилността". Въз основа на тази "генеалогия" на алфа частиците Оганесян и колегите му проследиха цялата история на трансформацията на получените в ускорителя нуклиди и очертаха близкия бряг на "Острова на стабилността". След половинвековна навигация първите хора кацнаха на него.

Още през първото десетилетие на 21 век, в реакциите на синтез на актиниди с ускорени калциеви йони-48, бяха синтезирани атоми на елементи с номера от 113 до 118, разположени на брега на "Острова на стабилността" далеч от "континента". Времето на тяхното съществуване вече е с порядъци по-дълго от това на техните съседи: например елемент 114 се съхранява не за милисекунди, като 110-та, а за десетки и дори стотици секунди. „Такива вещества вече са достъпни за химията“, казва академик Оганесян. „И така, ние се връщаме в самото начало на пътуването и сега можем да проверим дали Периодичният закон на Менделеев се спазва при тях. 112-ият елемент ще бъде ли аналог на живака и кадмия, а 114-ият - аналог на калая и оловото? Още първите химически експерименти с изотопа на 112-ия елемент (коперниций) показаха: очевидно ще го направят.

Ядрата на коперниция, излитащи от целта по време на бомбардировката, бяха насочени в дълга тръба, включваща 36 сдвоени детектора, частично покрити със злато. Живакът лесно образува стабилни интерметални съединения със злато (това свойство се използва в древната техника на позлатяване). Следователно живакът и близките до него атоми трябва да се утаят върху златната повърхност на първите детектори, докато радонът и атомите, близки до благородните газове, могат да достигнат края на тръбата. Прилежно следвайки Периодичния закон, Коперник се оказва роднина на живака. Но ако живакът стана първият известен течен метал, тогава коперницият,може би ще бъде първият газообразен: точката му на кипене е под стайната температура. Според Юрий Оганесян това е само бледо начало и свръхтежките елементи от „Острова на стабилността“ ще открият пред нас ново, ярко и необичайно поле на химията.

Но за момента се задържахме в подножието на острова на стабилните елементи. Очаква се 120-то и следващите ядра да се окажат наистина стабилни и да съществуват много години или дори милиони години, образувайки стабилни съединения. Въпреки това вече не е възможно да се получат с помощта на същия калций-48: няма достатъчно дълготрайни елементи, които биха могли, комбинирайки се с тези йони, да дадат ядра с необходимата маса. Опитите да се заменят йоните калций-48 с нещо по-тежко също са се провалили досега. Затова за нови търсения ветроходните учени вдигнаха глави и погледнаха към небесата.

Космос и фабрика

Първоначалният състав на нашия свят не се различаваше по разнообразие: в Големия взрив се появи само водород с малки примеси на хелий - най-лекият от атомите. Всички други уважавани участници в периодичната таблица са се появили в реакции на ядрен синтез, в дълбините на звездите и в експлозии на свръхнови. Нестабилните нуклиди бързо се разпадат, а стабилните, като кислород-16 или желязо-54, се натрупват. Не е изненадващо, че тежки нестабилни елементи като америций или коперниций не могат да бъдат намерени в природата.

Но ако наистина има някъде "остров на стабилност", то поне в малки количества свръхтежки елементи трябва да се открият в необятността на Вселената и някои учени ги търсят сред частиците на космическите лъчи. Според академик Оганесян този подход все още не е толкова надежден, колкото добрата стара бомбардировка. „Наистина дългоживеещите ядра на „върха“ на Острова на стабилността съдържатнеобичайно голям брой неутрони“, казва ученият. „Ето защо богатият на неутрони калций-48 се оказа толкова успешно ядро за бомбардиране на богати на неутрони целеви елементи. Въпреки това изотопите, по-тежки от калций-48, са нестабилни и шансовете са изключително ниски да могат естествено да се слеят, за да образуват суперстабилни ядра.

Затова лабораторията в Дубна, близо до Москва, се обърна към използването на по-тежки ядра, макар и не толкова успешни като калциевите, за обстрелване на изкуствени целеви елементи. „Сега сме заети със създаването на така наречената фабрика за свръхтежки елементи“, казва академик Оганесян. - В него същите цели ще бъдат бомбардирани с титанови или хромови ядра. Те съдържат два и четири протона повече от калция, което означава, че могат да ни дадат елементи с маса от 120 или повече. Ще бъде интересно да видим дали ще се озоват на „острова“ или ще отворят нов пролив зад него.