Дубна-inform

Где кончается таблица?

00:15 05.02.2019

Периодическая таблица постоянно расширяется — новые элементы в ней появляются в среднем каждые четыре года, сообщает РИА Новости. Есть ли этому предел? Юрий Оганесян, «мистер 118-й элемент», и его коллеги рассказывают, как Россия стала лидером в области синтеза элементов и на какие вопросы ученые пока не могут ответить.

Юрий Оганесян — научный руководитель лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне, где были открыты последние пять элементов периодической таблицы, в том числе и элемент-118, оганесон.

Идея превращения свинца в золото и трансмутации одних элементов в другие, отмечает он, оставалась несбыточной мечтой как для средневековых алхимиков, так и для серьезных ученых. Все изменилось только после того, как Эрнст Резерфорд, Георгий Гамов и прочие основоположники современной физики поняли, как устроен атом и его ядро.

«Когда вы хотите что-то изменить, чего так жаждали алхимики, нужно понимать, что именно вам нужно поменять. Они грели свинец, проводили бесчисленное множество опытов, но ничего не добились, так как необходимо работать с ядром, а не электронными оболочками атомов. Резерфорд первым показал, что для этого требуется ядерная реакция», — продолжает Оганесян.

В данном случае российские ученые и их зарубежные партнеры и бывшие конкуренты, по словам академика, не воспроизводили природные процессы. Они сделали нечто другое, сталкивая ядра определенных легких элементов с мишенями из сверхтяжелых, но относительно стабильных изотопов.

В природе ядерный синтез выглядит иначе: сталкиваются протоны и нейтроны, возникает ядро, вокруг которого выстраиваются электроны. Все эти реакции происходят внутри чрезвычайно горячей плазмы, в них участвуют огромные массы материи — в лаборатории это осуществить нельзя. «По сути, мы берем готовые ядра и сталкиваем их, надеясь получить более тяжелые элементы», — поясняет ученый.

В отличие от «исследований» алхимиков, как пояснил научный секретарь лаборатории Александр Карпов, выбор ученых был далеко не случаен. Успехи российских исследователей и их зарубежных партнеров в удлинении «бороды» таблицы Менделеева напрямую связаны с решениями, принятыми еще в тяжелые для российской науки 1990-е годы.

«Наша главная задача и идея — подобраться как можно ближе к предсказанному «островку стабильности» тяжелых элементов. Поэтому мы не просто пытаемся создавать новые ядра, а стремимся к определенным комбинациям в числе протонов и нейтронов. Как правило, чем больше нейтронов в атомах, тем стабильнее результат их слияния», — уточняет физик.

И российские, и зарубежные ученые достаточно давно знают, что в природе не существует стабильных или относительно долгоживущих ядер, комбинация которых гарантированно помогла бы создать сверхстабильные элементы, находящиеся в центре этого острова и содержащие в себе около 114 протонов и 184 нейтрона.

«Проблемы вызывает именно второе число — природа так устроена, что чем тяжелее элемент, тем больше в нем нейтронов. Пока у нас нет ни мишеней, ни легких ионов с нужным числом частиц для выхода в эту зону. Тем не менее мне не кажется, что это нерешаемая проблема, нам просто нужно больше времени», — рассказывает Карпов.

Частичный выход из этой ситуации, по его словам, российские физики и зарубежные коллеги нашли в стабильном, но крайне редком изотопе кальция, чьи атомы содержат 20 протонов и 28 нейтронов. Оба эти числа считаются «магическими» в мире ядерной физики, что обусловливает ряд необычных и уникальных свойств этой версии металла.

«Кальций-48 присутствует в любом кусочке мела или извести, однако выделить его крайне сложно и дорого, намного сложнее, чем работать с изотопами урана. Производят его в одном месте в мире — на российском предприятии «Электрохимприбор» в Свердловской области. За год специалисты получают 10-12 граммов, что стоит примерно 2,5 миллиона долларов», — продолжает физик.

Многие экспериментаторы, добавляет ученый, пытались применять кальций-48 для подобных целей и в прошлом, но быстро отказывались от этой идеи из-за несовершенства измерительных приборов или же по другим причинам.

Это стало возможным благодаря тому, что Оганесян и его единомышленники направили все имевшиеся у ОИЯИ средства и ресурсы на работу с пучками ионов кальция и мишенями из берклия, калифорния и некоторых других тяжелых элементов, почти способных «доплыть» до островка стабильности при столкновении с кальцием-48.

«Нашим успехам предшествовала масса неудач — подобные опыты проводили и в Германии, и у нас в Дубне. Ничего не выходило, причем не только из-за отсутствия технологий, позволяющих делать максимально яркие и плотные пучки, но и из-за непонимания того, как реакция происходит. В конце 1990 все сошлось в точку, и с 1999 года мы получили пять новых элементов, а также право присвоить им имена», — заключает научный секретарь.

Упорство российских ученых и их рисковое желание «положить все ядра в одну корзину» помогло вырваться вперед и стать признанными лидерами в этой области, после того как все остальные ведущие лаборатории мира забраковали кальций-48 и прекратили с ним экспериментировать.

Первые результаты опытов в Дубне встретили со скепсисом — коллеги просто не верили в то, что такие опыты в принципе возможны. Проверки в других лабораториях достаточно быстро развеяли все сомнения, таблица Менделеева пополнилась, а Оганесяна и его команду каждый год называют в числе главных претендентов на Нобелевскую премию по химии и физике.

Кроме того, успехи российских ученых убедили американских коллег, работающих в ведущих ускорительных центрах и лабораториях Нового Света, что с ОИЯИ нужно не конкурировать, а тесно сотрудничать. Открытие флеровия, оганесона, теннессина и прочих сверхтяжелых элементов — результат сотрудничества, а не предмет споров между ОИЯИ и учеными из США.

К примеру, сейчас ученые получают один атом флеровия в неделю, обстреливая мишень триллионами частиц в секунду. Более тяжелые элементы (скажем, оганесон) удается синтезировать лишь раз в месяц. Соответственно, работа на нынешних установках потребует астрономически много времени.

Эти трудности российские исследователи рассчитывают преодолеть при помощи циклотрона ДЦ-280, запущенного в декабре прошлого года. Плотность вырабатываемого им пучка частиц в 10-20 раз выше, чем у предшественников, что, как надеются отечественные физики, позволит создать один из двух элементов ближе к концу года.

Первым, скорее всего, синтезируют 120-й элемент, так как калифорниевая мишень, необходимая для этого, уже была подготовлена в американской Национальной лаборатории в Ок-Ридже. Пробные пуски ДЦ-280, нацеленные на решение этой задачи, пройдут в марте этого года.

Ученые считают, что постройка нового циклотрона и детекторов поможет приблизиться к ответу на еще один фундаментальный вопрос: где перестает действовать периодический закон?

Академик поясняет, что электроны в самых близких к ядру оболочках начинают двигаться так быстро, что разгоняются до околосветовых скоростей. В результате увеличивается масса, меняется конфигурация орбит и весь атом ведет себя совершенно не так, как предсказывает классическая теория.

«На первых порах нам казалось, что периодический закон перестанет работать где-то на 123-м элементе, теперь появились намеки на то, что этот момент уже наступил. Разница небольшая, но ее вполне можно увидеть, и она, как мы считаем, как раз связана с этими релятивистскими эффектами», — говорит ученый.

Как показали первые химические эксперименты с ядрами коперниция, элемент-112 ведет себя не так, как ртуть и другие его соседи по периодической таблице. Жидкий металл, как хорошо знали средневековые алхимики, художники и зодчие, растворяет золото, серебро и многие другие металлы, образуя твердые или жидкие сплавы.

«Коперниций может формировать амальгамы, однако они совершенно другие. Обычные сплавы ртути и других металлов распадаются при нагревании до 160 градусов Цельсия, а сплавы с элементом-112 теряют стабильность при нуле градусов. При этом с физической точки зрения различия в поведении электронов у ртути и коперниция крайне малы», — рассказывает Оганесян.

Еще сильнее, по его словам, различия между флеровием и свинцом. Сейчас ученые из Дубны пытаются понять, обладает ли оганесон свойствами благородных газов, однако это не удается выяснить из-за того, что 118-й элемент живет крайне недолго — меньше одной миллисекунды.

Оставить комментарий