В этом году мир отмечает 150-летие открытия Д. И. Менделеевым Периодической системы элементов. Между тем ученые разных стран продолжают заполнять пустующие клетки знаменитой таблицы.Наверх

Согласно решению ООН, 2019 год объявлен Международным годом периодической таблицы химических элементов. Открытие Менделеева, революционизировавшее химию, было сделано полтора века назад. Однако последняя точка в истории этой научной концепции до сих пор не поставлена.

Как Россия и США заполняли таблицу Менделеева
В офисе Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в Дубне хранятся приборы, которые были изготовлены десятилетиями и устаревшая периодическая таблица. Фото: MAX AGUILERA HELLWEG

В момент открытия периодического закона химикам было известно 63 элемента. С тех пор было открыто еще 55 — в среднем новый химический элемент открывали каждые три года. Однако сам характер подобных исследований существенно изменился. С середины ХХ века новые клетки таблицы заполняются искусственными элементами, синтезированными с помощью ускорителей. Главные действующие лица этого процесса уже не химики, а физики. А поскольку синтез новых элементов представляет собой высокотехнологичный и дорогостоящий процесс, в гонке за приоритет осталось лишь несколько участников — крупнейших лабораторий из России, США, Европы и Японии. Как и в космических исследованиях, здесь нашлось место и для элемента геополитического соперничества.

Самый тяжелый элемент, встречающийся в природе в сколько-нибудь заметных количествах — это уран с атомным номером 92 (это значит, что в его ядре 92 положительно заряженных протона). Для получения более тяжелого элемента необходим ускоритель, где более легкие ядра будут врезаться в тяжелые и иногда сливаться с ними с образованием новых элементов, которые затем будут распадаться. По продуктам распада физики делают заключения о том, что именно там произошло. К примеру, если ядра урана бомбардировать ядрами неона с атомным номером 10, иногда будут получаться ядра синтетического элемента нобелия, занимающего в таблице 102-ю клетку (92+10=102).

До начала 1960-х приоритет в синтезе новых элементов принадлежал США. Однако вскоре важным игроком стал Объединенный Институт Ядерных Исследований (ОИЯИ) в Дубне под Москвой. Элементы со 101-го по 106-й советские и американские физики синтезировали практически наперегонки. Приоритет в некоторых случаях оказывался предметом споров: так, элемент 104 (резерфордий) в СССР довольно долго был известен как «курчатовий», а элемент 102 (нобелий) по инициативе советских физиков первоначально получил имя «жолиотий» (в честь Фредерика Жолио-Кюри). Окончательное решение о названии элемента и приоритета в его открытии принимает Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).

Как Россия и США заполняли таблицу Менделеева
Изображение: N. DESAI/SCIENCE

На рисунке изображена таблица Менделеева со всеми элементами, экспериментально полученными к настоящему времени (источник иллюстрации — статья Сэма Кина в журнале Science). Можно видеть, как приоритет в заполнении новых клеток на протяжении конца ХХ — начала XXI вв. переходил от одного региона мира к другому.

Приоритет СССР и России был связан с несколькими важными технологическими разработками, выполненными в ОИЯИ при участии или под руководством академика Юрия Оганесяна. К примеру, получение элементов с номером больше 104 (их называют сверхтяжелыми) требует специальных трюков, поскольку отталкивание положительно заряженных ядер становится слишком сильным, а если сталкивать их на большой скорости, избыток энергии приводит к тому, что ядро разваливается, не успев образоваться. Юрий Оганесян предложил в 1970-х метод «холодного слияния» — соединения двух ядер таким образом, чтобы вся кинетическая энергия в точности уходила на преодоление кулоновского отталкивания и в момент слияния ядра лишь «мягко касались» друг друга. Эта техника впоследствии была использована немецкими физиками из Дармштадта (Центр Гельмгольца по исследованию тяжелых ионов), которые с ее помощью получили элементы со 107-го по 112-й. Затем холодное слияние взяли на вооружение японцы из института RIKEN в Вако: в 2005 году они получили всего пару атомов элемента 113 (нихоний), обстреливая висмут ядрами цинка. Чтобы получить третий атом — именно столько нужно было для официальной регистрации открытия — понадобилось еще 7 лет. Именно тогда, в начале 2000-х, впервые дала сбой закономерность «каждые три года — новый элемент».

Как Россия и США заполняли таблицу Менделеева
Вклад Юрия Оганесяна в химию огромен, элемент 118 назван в его честь. Теперь он хочет найти еще больше тяжелых элементов. Фото: MAX AGUILERA HELLWEG

Между тем, в конце 1990-х ОИЯИ был разработан новый способ синтеза, основанный на ядрах кальция-48. Это очень редкий и дорогой изотоп обычного кальция (атомный номер 20) с большим избытков нейтронов. Этот способ позволил российским физикам окончательно оторваться от погони. Их усилиями был заполнен 7-й ряд таблицы Менделеева. В 2012 г. элемент № 118 (впервые полученный еще в 2005-м) получил официальное имя «оганессон» — в честь академика Юрия Оганесяна, чей персональный вклад в синтез новых элементов признан во всем мире.

Чтобы продолжить заполнять таблицу дальше, исследователям понадобится решить несколько принципиальных вопросов. Один из них состоит в том, что для 119-го элемента фокус с ядрами кальция по техническим причинам неприменим. Большие надежды возлагают на новую установку, получившую название Superheavy Element Factore («Фабрика сверхтяжелых элементов», SHEF), которая была запущена в Дубне в конце прошлого года. Ожидается, что установка позволит получить элементы с номерами 119, 120 и 121. Тем самым будет начато заполнение восьмого ряда таблицы.

Как Россия и США заполняли таблицу Менделеева
Фабрика сверхтяжелых элементов. Фото: flerovlab.jinr.ru

Сколько всего рядов у таблицы Менделеева, конечна ли она? Теоретики дают на эти вопросы самые разные ответы. Согласно одной из теорий, при числе протонов больше 172-х ядро начинает захватывать электроны, так что протоны превращаются в нейтроны и атомный номер возвращается к 172. Экспериментальная проверка этой и всех прочих теорий — один из резонов продолжения экспериментов по синтезу новых элементов. И хотя некоторые ученые ставят под сомнение научную ценность подобных работ (и, главным образом, оправданность огромных финансовых затрат), никто не отменял человеческого и идеологического аспекта: открытие новых элементов — один из способов утвердить приоритет национальной науки и тем самым убедить общество и государство в необходимости выделять достаточное финансирование для физических исследований.

Подробный рассказ о синтезе новых химических элементов в ОИЯИ опубликован на прошлой неделе в журнале Science. Статья отдает должное приоритету российских исследователей в синтезе новых элементов и признает особые заслуги 85-летнего Юрия Оганесяна, чья личная энергия легла в основу лидерства России в этой области науки.

Источник: hi-tech.mail.ru