Лет 50-60 назад — совсем недавно по историческим меркам — считалось, что в природе существует около ста химических элементов. Но с тех пор таблица Менделеева уже неоднократно расширялась. И вот готовится очередное ее обновление — 28 ноября 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) официально утвердил названия и символы четырех новых элементов, под номерами 113, 115, 117 и 118. Их синтез по значимости сопоставим с маленькой (или не очень) революцией — после 25 лет исследований ученые смогли экспериментально доказать существование «острова стабильности» — области на карте нуклидов, где ядра могут жить необычно долго по сравнению с соседями, возможно, даже миллионы лет.
Открытие пяти самых тяжелых элементов известных сегодня (114, 115, 116, 117 и 118) принадлежит группе ученых из Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), совместно с коллегами из Ливерморской и Окриджской национальных лабораторий, Университета Вандербильта и Университета Теннесси (США).
Каждый элемент, попадая в таблицу, получает в ней постоянную «прописку» — номер, а также имя собственное, которое должно соответствовать ряду требований. В частности, имя быть написано и иметь произношение на 132 языках стран, входящих в IUPAC. После публичных обсуждений, длившихся пять месяцев, бюро IUPAC утвердило следующие названия элементов, предложенные по существующим правилам первооткрывателями:
Нихоний (nihonium), Nh – 113
Московий (moscovium), Mc – 115
Теннессин (tennessine), Ts – 117
Оганесон (oganesson), Og – 118
Уже готов макет обновленной таблицы Менделеева, который в ближайшее время будет отпечатан и распространен.
Изотоп-долгожитель
В ходе исследования, длившегося 25 лет, ученые совершили прорыв в синтезе сверхтяжелых элементов и в понимании их стабильности. Им удалось экспериментально доказать существование «острова стабильности» — области на карте нуклидов, где ядра могут жить необычно долго по сравнению с соседями (возможно сотни или миллионы лет). Для синтеза элементов с номерами 114-118 (флеровий Fl, московий Мс, ливерморий Lv, теннессин Ts и оганесон Og) в Дубне использовались реакции слияния ядер Са 48 с ядрами трансурановых элементов (от нептуния до калифорния).
Однако путь к открытию был долог и труден, ему предшествовали годы практически бесплодных усилий. К тому же события развивались в 90-е годы – уже один этот факт мог оставить нас без сегодняшнего открытия.
— В какой-то момент открылось со всей очевидностью: мы идем не в ту сторону, необходимо менять подход, искать другую реакцию. — И мы понимали: если не сделать этого сейчас, то проблему будут решать уже наши внуки. И мы нашли реакцию — с использованием Са 48, — рассказал Научной России руководитель и идейный вдохновитель проекта Юрий Цолакович Оганесян.
Для осуществления реакции требовалось ускорить Са 48 до 0,1 скорости света и получить рекордную интенсивность пучка — порядка 10 трлн. частиц в секунду. За 15 лет эксперимента ускоритель стабильно работал по 6500 часов в год. Са 48 очень редкий и дорогой изотоп кальция. В природном кальции его содержится менее 0.2%. Са 48 получают в России на Комбинате «Лесной» в количествах порядка 10 грамм в год.
Вещество для изготовления мишени — изотопы трансурановых элементов — может быть наработано только в мощных специализированных реакторах. Таких мощных реакторов в мире считаные единицы, один из них находится в Окриджской национальной лаборатории (США), а другой — в Институте атомных реакторов в г. Димитровград (Ульяновская область, Россия). Обе эти организации многие годы стабильно поставляют в Дубну необходимые для изготовления мишеней материалы.
Реакции с Ca 48 позволили получать сверхтяжелые ядра с гораздо большим числом нейтронов, и подойти к «берегу» предсказанного «острова стабильности» сверхтяжелых элементов. Сегодня российские ученые научились получать изотоп коперниция (112), живущий 34 секунды — это настоящий долгожитель среди изотопов сверхтяжелых элементов. Ранее никто даже не приближался к подобному показателю. Изотоп коперниция, полученный ранее в Дармштадте (Германия), так называемым, методом холодного синтеза (кстати, предложенным Ю.Ц. Оганесяном) имел период полураспада менее 1 миллисекунды. Таким образом подтвердилось существование «острова стабильности».
Столь большие (по ядерным меркам) времена жизни новых элементов сделали возможным изучение их химических свойств. Полученные элементы оказались, по выражению академика Оганесяна, «необычными». Заранее никогда неизвестно, впишется или не впишется новый элемент в периодическую таблицу — это и есть всегда главная интрига, вопрос вопросов. Коперниций (112), например, оказался, как и положено, элементом 12 группы, аналогом ртути. А вот 114-й преподнес сюрпризы: по группе он является аналогом свинца, однако оказался химически гораздо более инертным, чем это ожидалось из простой экстраполяции свойств элементов 14-ой группы.
По неведомым дорожкам
Но что дальше, какую пользу принесет человечеству новое открытие? Эти вопросы ученые слышат постоянно. Наука, по образному выражению Ю.Ц. Оганесяна, как лесная дорожка: пойдешь в одну сторону, придешь в тупик, возвращаешься, чтобы пойти в другую сторону, где, быть может, тоже упрешься в стену — и так пока не выберешь на нужное направление. Если на 100 исследований результат принесут хотя бы семь — этот ученый гениален, ни больше ни меньше. А практическая польза часто возникает от тех технологий, которые создаются для решения этой новой задачи. И тут есть конкретные примеры: ядерная медицина, технологии создания трековых мембран — основы уникальных фильтров, магнитно-резонансная томография, всемирная паутина (www) и много другое.
— Когда только началась наша работа по синтезу новых элементов, — вспоминает Юрий Цокалович, — было вообще непонятно, к чему она приведет и приведет ли куда-то вообще. Сегодня горизонт наших знаний об области сверхтяжелых элементов расширился и расширился принципиально. Во-первых, мы знаем, что сверхтяжелые элементы существуют, что существует остров стабильности. Во-вторых, мы научились сами и показали всему миру путь их синтеза. Наконец, мы начали изучать то, как новые элементы устроены, хотя здесь еще очень многое предстоит сделать…
Над проектом трудилось огромное количество людей различных специальностей из разных Институтов и Лабораторий мира — химики, физики, инженеры, техники. Длинный список составляют те, кто, увы, не дожил до сегодняшнего триумфа.
Пока что выбранный подход, то есть использование реакций слияния Ca 48 c актинидами, оправдывал себя вплоть до 118 элемента. Но калифорний (98) — это последний элемент, который может быть наработан в реакторе в достаточном для эксперимента количестве. Это значит, что чтобы пойти дальше и попытаться синтезировать следующие элементы Периодической таблицы, нужно уйти от кальция и использовать в качестве бомбардирующей частицы, например, титан. Для того, чтобы синтезировать новые элементы, а также детально изучать свойства уже известных элементов в Дубне создается новый рекордный по параметрам ускорительный комплекс — Фабрика сверхтяжелых элементов, которая станет базой будущих исследований в области физики.
Нерешенных задач хватит и будущим поколениям.
