За межами таблиці Менделєєва
За межами таблиці Менделєєва: навіщо шукають трансуранові елементи
У пошуках нових хімічних елементів вчені давно залишили звичний «материк» шкільної Періодичної таблиці, пройшли радіоактивним півостровом, перетнули протоку вкрай нестійких ядер та опинилися на довгоочікуваних берегах «острова Стабільності». Роман Фішман
Півтора століття тому, коли Дмитро Іванович Менделєєв відкрив Періодичний закон, було відомо лише 63 елементи. Впорядковані в таблицю, вони легко розкладалися за періодами, кожен із яких відкривається активними лужними металами і закінчується (як з'ясувалося пізніше) інертними благородними газами. З того часу таблиця Менделєєва збільшилася майже вдвічі, і з кожним розширенням періодичний закон підтверджувався знову і знову. Рубідій також нагадує калій і натрій, як ксенон — криптон і аргон, нижче вуглецю міститься багато в чому схожий на нього кремній... Сьогодні відомо, що ці властивості визначаються числом електронів, що обертаються навколо атомного ядра.
Вони заповнюють «енергетичні оболонки» атома одну за одною, як глядачі, які по порядку займають сидіння на своїх рядах у театрі: той, хто виявився останнім, визначить хімічні властивості всього елемента. Атом із повністю заповненою останньою оболонкою (як гелій із його двома електронами) буде інертним; елемент з одним «зайвим» електроном на ній (як натрій) активно утворюватиме хімічні зв'язки. Число негативно заряджених електронів на орбітах пов'язане з кількістю позитивних протонів в ядрі атома, і числом протонів відрізняються різні елементи.
Натомість нейтронів у ядрі одного й того ж елемента може бути різна кількість, заряду вони не мають, і на хімічні властивості вони не впливають. Але в залежності від кількості нейтронів воденьможе виявитися важчим за гелій, а маса літію — досягати семи замість «класичних» шести атомних одиниць. І якщо список відомих елементів сьогодні наближається до позначки 120, то число ядер (нуклідів) перевалило за 3000. Більшість з них нестабільні і через деякий час розпадаються, викидаючи «зайві» частки під час радіоактивного розпаду. Ще більше нуклідів не здатні існувати в принципі, моментально розвалюючись на шматки. Так материк стабільних ядер оточує ціле море нестійких поєднань нейтронів та протонів.
Юрій Оганесян, академік РАН, науковий керівник Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова ОІЯФ (м. Дубна
"Пошук нових надважких елементів дозволяє відповісти на одне з найважливіших питань науки: де лежить кордон нашого матеріального світу?"
Доля ядра залежить від кількості нейтронів і протонів у ньому. Згідно з оболонковою теорією будови ядра, висунутої ще в 1950-х, частки в ньому розподіляються за своїми енергетичними рівнями так само, як електрони, що обертаються навколо ядра. Деякі кількості протонів та нейтронів дають особливо стійкі конфігурації з повністю заповненими протонними або нейтронними оболонками – по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронів ще й 126 частинок. Ці числа називаються "магічними", а найстабільніші ядра містять "двічі магічні" кількості частинок - наприклад, 82 протона і 126 нейтронів у свинцю або по два - у звичайному атомі гелію, другого за поширеністю елемента у Всесвіті.
Послідовний «Хімічний материк» елементів, які можна знайти Землі, закінчується свинцем. За ним слідує низка ядер, які існують набагато менше віку нашої планети. У її надрах вони можуть зберегтися хіба що в малих кількостях, як уран і торій, або зовсім услідових, як плутоній. З породи витягти його неможливо, і плутоній наробляють штучно, в реакторах, бомбардуючи нейтронами уранову мішень. Взагалі, сучасні фізики поводяться з ядрами атомів, як з деталями конструктора, змушуючи їх приєднувати окремі нейтрони, протони або цілі ядра. Це й дозволяє отримувати все більш і важчі нукліди, перетинаючи протоку «моря нестійкості».
Мета подорожі підказана тією ж оболонковою теорією будови ядра. Це область надважких елементів з відповідним (і дуже великим) числом нейтронів і протонів, легендарний «острів Стабільності». Розрахунки говорять, що деякі з місцевих «мешканців» можуть існувати не частини мікросекунд, а на багато порядків довше. «У певному наближенні їх можна розглядати як крапельки води, – пояснив академік РАН Юрій Оганесян. — Аж до свинцю йдуть ядра сферичні та стійкі. За ними слідує півострів помірно стабільних ядер — таких як торій або уран, — який витягується мілиною сильно деформованих ядер і обривається в нестабільне море... Але ще далі, за протокою, може знаходитися нова область сферичних ядер, надважких та стійких елементів з номерами 114, 116 і далі". Час життя деяких елементів на «острові Стабільності» може тривати вже роки, а то й мільйони років.
Трансуранові елементи з їх деформованими ядрами вдається створити, бомбардуючи нейтронами мішені з урану, торію або плутонію. Обстрілюючи їх розігнаними в прискорювачі легкими іонами, можна послідовно отримати низку елементів ще важче - але в якийсь момент настане межа. «Якщо розглядати різні реакції – приєднання нейтронів, приєднання іонів – як різні «кораблі», то всі вони не допоможуть нам доплисти до «острова Стабільності», –продовжує Юрій Оганесян. — Для цього буде потрібно «судно» і більше, й іншої конструкції. В якості мішені доведеться використовувати нейтронадлишкові важкі ядра штучних елементів важче за уран, а бомбардувати їх потрібно великими, важкими ізотопами, що містять багато нейтронів, такими як кальцій-48».
Робота над таким «кораблем» виявилася під силу лише великій міжнародній команді вчених. Інженери та фізики комбінату «Електрохімприлад» виділили з природного кальцію винятково рідкісний 48-й ізотоп, що міститься тут у кількості менше 0,2%. Мішені з урану, плутонію, америцію, кюрію, каліфорнію приготували в Димитроградському НДІ Атомних реакторів, у Ліверморській національній лабораторії та в Національній лабораторії в Оук-Ріджі в США. А ключові експерименти з синтезу нових елементів були проведені академіком Оганесяном в Об'єднаному інституті ядерної фізики (ОІЯД), в Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова. «Наш прискорювач у Дубні працював по 6-7 тисяч годин на рік, розганяючи іони кальцію-48 приблизно до 0,1 швидкості світла, – пояснює вчений. — Ця енергія необхідна, щоб деякі з них, вдаряючись у ціль, подолали сили кулонівського відштовхування та злилися з ядрами її атомів. Наприклад, 92-й елемент, уран, дасть ядро нового елемента з номером 112, плутоній – 114, а каліфорній – 118».
«Такі ядра мають бути вже досить стабільними і розпадатися будуть не відразу, а послідовно викидають альфа-частинки, ядра гелію. А їх ми чудово вміємо реєструвати», — продовжує Оганесян. Надважке ядро викине альфа-частинку, перетворившись на елемент на два атомні номери легше. Як і дочірнє ядро втратить альфа-частинку і перетвориться на «онучене» — ще на чотири легше, і так далі, поки процеспослідовного альфа-розпаду не закінчиться випадковою появою та миттєвим спонтанним поділом, загибеллю нестійкого ядра у «морі Нестабільності». За цією «генеалогією» альфа-частинок Оганесян та його колеги простежили всю історію перетворення отриманих у прискорювачі нуклідів та окреслили ближній берег «острова Стабільності». Після півстолітнього плавання на нього висадилися перші люди.
Вже за перше десятиліття XXI століття в реакціях злиття актинідів з прискореними іонами кальцію-48 було синтезовано атоми елементів із номерами від 113 і аж до 118-го, що лежить на дальньому від «материка» березі «острова Стабільності». Час існування вже на порядки більше, ніж у сусідів: наприклад, елемент 114 зберігається не мілісекунди, як 110-й, а десятки і навіть сотні секунд. «Такі речовини вже доступні для хімії, – каже академік Оганесян. — А значить, ми повертаємося до початку подорожі і тепер можемо перевірити, чи дотримується для них Періодичний закон Менделєєва. Чи буде 112-й елемент аналогом ртуті та кадмію, а 114-й — аналогом олова та свинцю»? Перші ж хімічні експерименти з ізотопом 112 елемента (коперниця) показали: мабуть, будуть.
Ядра коперниця, що вилітають з мішені під час бомбардування, вчені направляли в довгу трубку, що включає 36 парних детекторів, частково покритих золотом. Ртуть легко утворює стійкі інтерметалеві сполуки із золотом (ця властивість використовується у давній техніці позолоти). Тому ртуть і близькі до неї атоми повинні осідати на золотій поверхні перших детекторів, а радон і атоми, близькі до благородних газів, можуть діставатися кінця трубки. Слухняно дотримуючись Періодичного закону, коперниця проявила себе родичем ртуті. Але якщо ртуть стала першим відомим рідким металом, то коперниця,можливо, виявиться першим газоподібним: температура його кипіння нижче за кімнатну. За словами Юрія Оганесяна, це лише бляклий початок, і надважкі елементи з «острова Стабільності» відкриють нам нову, яскраву та незвичайну галузь хімії.
Але поки що ми затрималися біля підніжжя острова стабільних елементів. Очікується, що 120-й та наступні за ним ядра можуть виявитися по-справжньому стійкими і будуть існувати вже довгі роки, а то й мільйони років, утворюючи стабільні сполуки. Однак отримати їх за допомогою того ж кальцію-48 вже неможливо: не існує досить довгоживучих елементів, які могли б, поєднавшись з цими іонами, дати ядра потрібної маси. Спроби замінити іони кальцію-48 чимось важчим поки що теж не принесли результату. Тому для нових пошуків вчені-мореплавці підняли голову та придивилися до небес.
Космос та фабрика
Початковий склад нашого світу різноманітністю не вирізнявся: у Великому вибуху з'явився лише водень з невеликими домішками гелію — найлегші атоми. Всі інші шановні учасники таблиці Менделєєва з'явилися в реакціях злиття ядер, в надрах зірок та вибухах наднових. Нестійкі нукліди швидко розпадалися, стійкі, як кисень-16 чи залізо-54, накопичувалися. Не дивно, що важких нестабільних елементів, як-от америцій чи коперниций, у природі виявити не вдається.
Але якщо десь є «острів Стабільності», то хоча б у невеликих кількостях надважкі елементи мають зустрічатися на просторах Всесвіту, і деякі вчені ведуть їх пошуки серед частинок космічних променів. За словами академіка Оганесяна, цей підхід все ж таки не такий надійний, як старе добре бомбардування. «По-справжньому довгоживучі ядра на «вершині» острова Стабільності містятьнадзвичайно велика кількість нейтронів, — розповідає вчений. — Тому нейтронадлишковий кальцій-48 виявився таким вдалим ядром для бомбардування нейтронадлишкових елементів мішені. Однак ізотопи важчі за кальцій-48 нестабільні, і надзвичайно малі шанси на те, що вони в природних умовах зможуть злитися з утворенням надстабільних ядер».
Тому лабораторія в підмосковній Дубні звернулася до використання важчих ядер, нехай і не так вдалих, як кальцій, для обстрілювання штучних елементів мішеней. «Ми зараз зайняті створенням так званої Фабрики надважких елементів, – каже академік Оганесян. — У ній ті самі мішені бомбардуватимуться ядрами титану чи хрому. Вони містять на два і чотири протони більше, ніж кальцій, а значить можуть дати нам елементи з масами 120 і більше. Цікаво буде подивитися, чи опиняться вони ще на «острові» або відкриють нову протоку за нею».