Острів скарбів

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 65

У пошуках нових хімічних елементів вчені давно залишили звичний «материк» шкільної Періодичної таблиці, пройшли радіоактивним півостровом, перетнули протоку вкрай нестійких ядер і опинилися на довгоочікуваних берегах «острова Стабільності».

Хімічний материк

Півтора століття тому, коли Дмитро Іванович Менделєєв відкрив Періодичний закон, було відомо лише 63 елементи. Впорядковані в таблицю, вони легко розкладалися по періодах, кожен з яких відкривається активними лужними металами і закінчується (як з’ясувалося пізніше) інертними шляхетними газами. Відтоді таблиця Менделєєва збільшилася майже вдвічі, і з кожним розширенням Періодичний закон підтверджувався знову і знову. Рубідій так само нагадує калій і натрій, як ксенон — криптон і аргон, нижче вуглецю розташовується 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, що по порядку займають сидіння на своїх рядах у театрі: той, хто виявився останнім, визначить хімічні властивості всього елемента. Атом з повністю заповненою останньою оболонкою (як гелій з його двома електронами) буде інертним; елемент з одним «зайвим» електроном на ній (як натрій) стане активно утворювати хімічні зв’язки. Кількість негативно заряджених електронів на орбітах пов’язана з кількістю позитивних протонів в ядрі атома, і саме числом протонів відрізняються різні елементи.

Зате нейтронів в ядрі одного і того ж елемента може бути різна кількість, заряду у них немає, і на хімічні властивості вони не впливають. Але залежно від числа нейтронів водень може виявитися важче гелію, а маса літію — досягати семи замість «класичних» шести атомних одиниць. І якщо список відомих елементів сьогодні наближається до позначки в 120, то число ядер (нуклідів) перевалило за 3000. Більшість з них нестабільні і через деякий час розпадаються, викидаючи «зайві» частинки в ході радіоактивного розпаду. Ще більше нуклідів нездатні існувати в принципі, моментально розвалюючись на шматки. Так материк стабільних ядер оточує ціле море нестійких поєднань нейтронів і протонів.

Море Нестійкості

Доля ядра залежить від числа нейтронів і протонів у ньому. Згідно оболонкової теорії будови ядра, висунутої ще в 1950-х, частинки в ньому розподіляються за своїми енергетичними рівнями так само, як електрони, які обертаються навколо ядра. Деякі кількості протонів і 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 протони і 126 нейтронів у свинцю або по два — в звичайному атомі гелію, другого за поширеністю елемента у Всесвіті.

Послідовний «Хімічний материк» елементів, які можна знайти на Землі, закінчується свинцем. За ним йде 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 — в слідових, як плутоній. З породи витягти його неможливо, і плутоній напрацьовують 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 і дозволяє отримувати все більш і більш важкі нукліди, перетинаючи протоку «моря Нестійкості».

Мета подорожі підказана тією ж оболонковою теорією будови ядра. Це — область надважких елементів з підходящим (і дуже великим) числом нейтронів і протонів, легендарний «острів Стабільності». Розрахунки говорять, що деякі з місцевих «жителів» можуть існувати вже не частки мікросекунд, а на багато порядків довше. «У певному наближенні їх можна розглядати як крапельки води, — пояснив нам академік РАН Юрій Оганесян. — Аж до свинцю йдуть ядра сферичні та стійкі. За ними йде півострів помірно стабільних ядер — таких як торій або уран, — який витягується відміллю сильно деформованих ядер і обривається в нестабільне море… Але ще далі, за протокою, може знаходитися нова область сферичних ядер, надважких і стійких елементів з номерами 114, 116 і далі «. Час життя деяких елементів на «острові Стабільності» може тривати вже роки, а то й мільйони років.

Острів Стабільності

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 ряд 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 допливти до» острова Стабільності «, — продовжує Юрій Оганесян. — Для цього потрібно «судно» і побільше, і іншої конструкції. В якості мішені доведеться використовувати нейтронозбуткові важкі ядра штучних елементів важче урану, а бомбардувати їх буде 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 виключно рідкісний 48-й ізотоп, що міститься тут у кількості менше 0,2%. Мішені з урану, плутонію, америція, кюрія, каліфорнія приготували в Димитроградському НДІ атомних реакторів, в Ліверморській національній лабораторії і в Національній лабораторії в Оук-Ріджі в США. Ну а ключові експерименти з синтезу нових елементів були проведені академіком Оганесяном в Об’єднаному інституті ядерної фізики (ОІЯІ), в лабораторії ядерних реакцій імені Фльорова. «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 мішень, подолали сили кулонівського відштовхування і злилися з ядрами її атомів. Наприклад, 92-й елемент, уран, дасть ядро нового елемента з номером 112, плутоній — 114, а каліфорній — 118 «.

«Такі ядра повинні бути вже досить стабільні і розпадатися будуть не відразу, а стануть послідовно викидати альфа-частинки, ядра гелію. А вже їх ми прекрасно вміємо реєструвати «, — продовжує Оганесян. Надважке ядро викине альфа-частинку, перетворившись на елемент на два атомні номери легше. У свою чергу і дочірнє ядро втратить альфа-частинку і перетвориться на «внучате» — ще на чотири легше, і так далі, поки процес послідовного альфа-розпаду не закінчиться випадковою появою і моментальним спонтанним поділом, загибеллю нестійкого ядра в «морі Нестабільності». За цією «генеалогією» альфа-частинок Оганесян і його колеги простежили всю історію перетворення отриманих в прискорювачі нуклідів і окреслили ближній берег «острова Стабільності». Після півстолітнього плавання на нього висадилися перші люди.

Нова земля

Вже за перше десятиліття XXI століття в реакціях злиття актинидів з прискореними іонами кальцію-48 були синтезовані атоми елементів з номерами від 113 і аж до 118-го, що лежить на дальньому від «материка» березі «острова Стабільності». Час їх існування вже на порядки більший, ніж у сусідів: наприклад, елемент 114 зберігається не мілісекунди, як 110-й, а десятки і навіть сотні секунд. «Такі речовини вже доступні для хімії, — говорить академік Оганесян. — А значить, ми повертаємося до самого початку подорожі і тепер можемо перевірити, чи дотримується для них Періодичний закон Менделєєва. Чи буде 112-й елемент аналогом ртуті і кадмію, а 114-й — аналогом олова і свинцю «? Перші ж хімічні експерименти з ізотопом 112-го елемента (коперніція) показали: мабуть, будуть.

Альфа-розпад одного з ізотопів елемента 118 (оганесона) до флеровія (114) і коперніція (112). Зелений колір відповідає частці ядер, схильних до спонтанного розпаду

Ядра коперніція, що вилітають з мішені при бомбардуванні, вчені направляли в довгу трубку, що включає 36 парних детекторів, частково покритих золотом. Ртуть легко утворює стійкі інтерметалічні сполуки із золотом (ця властивість використовується в стародавній техніці позолоти). Тому ртуть і близькі до неї атоми повинні осідати на золотій поверхні перших же детекторів, а радон і атоми, близькі до благородних газів, можуть добиратися до кінця трубки. Слухняно дотримуючись Періодичного закону, коперніцій виявив себе родичем ртуті. Але якщо ртуть стала першим відомим рідким металом, то коперніцій, можливо, виявиться першим газоподібним: температура його кипіння нижче кімнатної. За словами Юрія Оганесяна, це тільки бляклий початок, і надважкі елементи з «острова Стабільності» відкриють нам нову, яскраву і незвичайну область хімії.

Але поки ми затрималися біля підніжжя острова стабільних елементів. Очікується, що 120-й і наступні за ним ядра можуть виявитися по-справжньому стійкими і будуть існувати вже довгі роки, а то і мільйони років, утворюючи стабільні з’єднання. Однак отримати їх за допомогою того ж кальцію-48 вже неможливо: не існує достатньо довгоживучих елементів, які могли б, з’єднавшись з цими іонами, дати ядра потрібної маси. Спроби замінити іони кальцію-48 чим-небудь більш важким поки теж не принесли результату. Тому для нових пошуків вчені-мореплавці підняли голову і придивилися до небес.

Космос і фабрика

Початковий склад нашого світу різноманітністю не відрізнявся: у Великому вибуху з’явився лише водень з невеликими домішками гелію — найлегші з атомів. Всі інші шановні учасники таблиці Менделєєва з’явилися в реакціях злиття ядер, в надрах зірок і при вибухах наднових. Нестійкі нукліди швидко розпадалися, стійкі, як кисень-16 або залізо-54, накопичувалися. Не дивно, що важких нестабільних елементів, таких як америцій або коперніцій, в природі виявити не вдається.

Юрій Оганесян, академік РАН, науковий керівник лабораторії ядерних реакцій імені Фльорова ОІЯФ (м. Дубна): «Пошук нових надважких елементів дозволяє відповісти на одне з найважливіших питань науки: де лежить межа нашого матеріального світу? «

Але якщо десь насправді є «острів Стабільності», то хоча б у невеликих кількостях надважкі елементи повинні зустрічатися на просторах Всесвіту, і деякі вчені ведуть їх пошуки серед частинок космічних променів. За словами академіка Оганесяна, цей підхід все ж не такий надійний, як старе добре бомбардування. «По-справжньому довгоживучі ядра на» вершині «острова Стабільності містять незвично великі кількості нейтронів, — розповідає вчений. — Тому нейтронозбутковий кальцій-48 виявився таким вдалим ядром для бомбардування нейтронозбуткових елементів мішені. Однак ізотопи важчі за кальцію-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 більш важких ядер, нехай і не таких вдалих, як кальцій, для обстрілювання штучних елементів мішеней. «Ми зараз зайняті створенням так званої Фабрики надважких елементів, — говорить академік Оганесян. — У ній ті ж мішені будуть бомбардуватися ядрами титану або хрому. Вони містять на два і чотири протони більше, ніж кальцій, а отже — можуть дати нам елементи з масами 120 і більше. Цікаво буде подивитися, чи опиняться вони ще на «острові» або ж відкриють нову протоку за ним «.