Таблица Менделеева: "закрыт" седьмой ряд
Открытие века: таблица Менделеева пополнилась сразу несколькими элементами. Учёные осторожно дают понять, что периодический закон, заложенный в ней, придётся "подправить".
Сенсация грянула ровно под Новый год: в 11 вечера 30 декабря на сайте Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) был опубликован пресс-релиз о пополнении таблицы Менделеева сразу четырьмя новыми химическими элементами — 113-м, 115-м, 117-м и 118-м. Напомним вкратце: когда Дмитрий Иванович предложил свою знаменитую классификацию химических элементов, там было много свободных мест, постепенно они заполнялись, и вот на наших глазах "закрылся" седьмой ряд таблицы. Фактически это означает, что в своём классическом виде таблица Менделеева завершена и начинает новую жизнь.
Если первые элементы, занесённые в таблицу, повсеместно встречались в природе, то новые создаются в лабораторных условиях. Учёные уверены: таблица будет пополняться и дальше — в ней появятся новые ряды, а в них — новые элементы. Главная же интрига в том, что новые открытия могут ни много ни мало "поправить" знаменитый периодический закон Менделеева (свойства элементов зависят от величины зарядов ядер их атомов). Известный популяризатор науки химик Эрик Скерри из Калифорнийского университета (США) приводит в пример эксперименты с резерфордием и дубнием — в ходе этих исследований они вели себя не так, как должны были в соответствии с тем местом, которое занимают в таблице. Подобные эффекты проявляются при скоростях, близких к скорости света, с которыми электроны обращаются вокруг ядер, и названы релятивистскими. Скерри, впрочем, ставит вопрос ещё радикальнее: если периодический закон не будет работать, то химия в некотором роде станет частью физики.
кликабельно
Между тем в самом IUPAC полны оптимизма.
- Ключевой момент, связанный с новыми элементами, состоит в том, что они продвигают нас в понимании фундаментальных вещей, — сообщила исполнительный директор организации Линн Соби.— Речь о физике — в том смысле, как сливаются ядра атомов, и о химии — в том смысле, как они себя ведут. В целом же эти знания могут приблизить нас к пониманию более "нормальных" элементов.
Госпожа Соби особо отмечает важность того, что два из наиболее тяжёлых новых элементов относятся к группе галогенов и благородных (инертных) газов (соответственно 17-я и 18-я группа химических элементов согласно таблице Д.И. Менделеева), которые обладают ярко выраженными индивидуальными химическими свойствами, и здесь мы снова возвращается к релятивистским эффектам.
- Предполагается, что по мере того, как скорость электронов в более тяжёлых элементах приближается к скорости света, релятивистские эффекты могут смазать эти характеристики,— уточняет Линн Соби. — До какой степени — никто не знает. Не меньшая проблема и то, как оценить эти эффекты.
На повестке дня, впрочем, не только вопросы мироустройства, но и вещи более приземлённые — к примеру, как будут называться новые элементы? Сейчас у них лишь рабочие названия — Uut (унунтрий), Uup (унунпентий), Uus (унунсептий) и Uuo (унуноктий), но предложений по названиям много. Например, 117-й элемент просят назвать Oc (октарином) — одноимённое волшебное вещество фигурирует во вселенной, придуманной популярным фантастом Терри Пратчеттом. В интернете развернулось масштабное голосование: за октарин уже 45 тысяч человек. 113-й элемент предложено назвать япониумом. Ещё один из элементов вполне может стать московием... Главная же интрига в том, что хотя сам выбор ограничен (элементы "положено" называть в честь мифологического понятия, минерала, некоего конкретного места, страны или, допустим, учёного), последнее слово всё же принадлежит первооткрывателям, а таковых в этом году несколько.
Хорошая новость для российской науки в том, что приоритет в синтезе 115-го, 117-го и 118-го элементов отдан учёным из Объединённого института ядерных исследований в Дубне (Россия), а также Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии (США) и Окриджской национальной лаборатории в Теннесси (США). 113-й обязан появлением специалистам из Института естественных наук RIKEN (Япония) — для японцев это, кстати, большая научная премьера. Правда, без споров не обошлось: в Дубне дали понять, что удивлены решением по 113-му элементу — у наших заслуг в его изучении не меньше. Цена вопроса велика, ведь для учёных, по словам нобелевского лауреата Редзи Ноери, подобное открытие значит больше, чем для спортсменов — олимпийское золото.
Чтобы выяснить, как шли изыскания, "Огонёк" связался с замдиректора лаборатории ядерных реакций им. Флёрова ОИЯИ в Дубне физиком-ядерщиком Андреем Попеко.
Андрей Георгиевич, все перечисленные новые элементы в вашей лаборатории синтезировали несколько лет назад. Почему же официальное признание от IUPAC пришло только сейчас?
- Таковы международные правила. Всего за последнее время нам удалось открыть шесть элементов. Два из них, 114-й и 116-й, включены в таблицу Менделеева ещё в 2012 году. 114-й был назван флеровием в честь нашей лаборатории и её основателя, академика Флёрова, 116-й — ливерморием, в честь города Ливермора (Ливерморская национальная лаборатория в США — наш давний партнёр по исследованиям). И вот под конец прошлого года стало известно о признании ещё четырёх элементов. Задержка объяснима строгими правилами IUPAC: недостаточно получить новый элемент — нужно, чтобы этот результат повторили независимые лаборатории, а все данные проверила специальная комиссия. Вот и получается, что между публикацией первой работы и признанием её результатов проходит лет десять.
Основные вопросы с нашей стороны — к открытию 113-го элемента, первенство в котором отдано японцам. Им действительно многое удалось: "лёгкий" изотоп 113-го элемента они синтезировали в результате прямой реакции, бомбардируя мишень на ускорителе (ядра атомов, которыми бомбардируют мишень, сливаются с ядрами тех, что находятся в мишени, и образуют новые элементы.— "О"). Японцы получили три атома за 10 лет — это рекорд. Однако мы синтезировали более тяжёлый изотоп 113-го элемента, причём годом раньше. Правда, у нас он получился как дочерний продукт распада 115-го элемента, возможно, это сыграло свою роль при определении приоритета в открытии. Что ж, дождёмся официального заключения.
Зато вас уже сейчас можно поздравить с пальмой первенства в открытии остальных элементов. Как назовёте? Московием?
- Да, такое название давно предлагается. Но поймите, наш институт — международная организация, мы сотрудничаем с коллегами из-за рубежа, так что это как с именем для ребёнка — нужно, чтобы оба супруга были единодушны, хорошо бы также выяснить мнение дедушек и бабушек. Различные формальности продлятся ещё примерно год, время есть.
С открытиями новых элементов вообще история непростая: можно вспомнить про 102-й элемент — нобелий. Его сначала открыли шведы, потом американцы доказали, что они ошиблись, а потом мы уже доказали, что ошиблись американцы, однако название, данное шведами, осталось — к нему как-то привыкли. А вот для некоторых элементов приоритет открытия был разделён между лабораториями в Дубне и Беркли (США), в Дубне и Дармштадте (ФРГ). Приятно, что тот же 105-й элемент назван дубнием...
Можете объяснить, за счёт чего мы вырвались вперёд?
- Это ещё с советских времён: после того как вопросы с ядерным оружием были решены, учёные переключились на научные аспекты изучения тяжёлых ядер. И, конечно, правильная стратегия была выбрана в 1990-е: в нашем институте решили сосредоточиться именно на этих исследованиях. У нас же, в Дубне, были предложены и методы синтеза тяжёлых и сверхтяжёлых элементов путём холодного (используются мишени из свинца и висмута) и горячего слияния (используются мишени из трансурановых элементов, а в качестве бомбардирующей частицы — ядра кальция-48). С их помощью получены 12 наиболее тяжёлых новых элементов от 107-го до 118-го. Да, сегодня японцы, китайцы, корейцы заявляют о себе в науке всё громче — идёт настоящая восточная волна. Но тем важнее удержать планку.
Простите, а насколько вообще это сложно: "родить" новый химический элемент?
- Судите сами: вероятность слияния двух ядер, на чём и построен процесс получения новых элементов, очень мала. К тому же супертяжёлые элементы, которые мы изучаем, нестабильны: получаемые атомы живут доли секунды. За эти мгновения их нужно "поймать" и изучить, проследить за процессом распада. А ведь количество вещества измеряется единичными атомами!
Для самого процесса синтеза требуется наработка материала для мишеней (например, элементов вроде кюрия, берклия, калифорния) — здесь требуются реакторы, где производят изотопы, технологии очистки и разделения изотопов, технологии изготовления мишеней из высокорадиоактивных материалов. В мире таких уникальных ядерных реакторов всего два — один в Окридже в США, другой в нашем Димитровграде.
Нужны и ускорители, производящие мощные потоки тяжёлых частиц. Но не надо думать, что если построить такой ускоритель, как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, то можно решить все проблемы: для синтеза новых элементов требуются пучки частиц, ускоренных "только" до 10 процентов скорости света, а это совсем другая, хоть и не менее сложная технология.
Как найти и выделить из "каши", образовавшейся в результате ядерной реакции, интересующий элемент? Для этого также требуются специальные сепараторы и детекторы. Ну и, конечно, без специалистов самой высшей квалификации всё это работать не будет — эксперименты по синтезу идут круглосуточно и длятся годами.
И каково научное значение ваших исследований? Есть представление, что вы именно ищете?
- А вы что-то слышали про остров стабильности? Так называют сверхтяжёлые элементы, расположенные в таблице Менделеева гораздо дальше урана, чьи ядра не распадаются столь быстро, как считалось ранее. Долгое время — с 1960-х — существование такого "острова" было чистой теорией, и вот сегодня мы можем, наконец, констатировать: "остров" существует, пусть мы и зацепили пока лишь его край.
Так вот интересно, а есть ли предел? Насколько можно увеличивать массу ядра и в какой момент оно начнёт мгновенно разваливаться? И не приобретёт ли какие-то новые формы? В этих вопросах мы фактически подходим к границам существования привычной нам материи... Не случайно Виталий Гинзбург в своей нобелевской речи назвал синтез сверхтяжёлых элементов одним из ключевых направлений научного поиска в XXI веке.
Эти новые элементы вообще очень интересны: предполагается, к примеру, что они могли образовываться при взрывах сверхновых в космосе, а значит, влиять на эволюцию планет.
А простые смертные когда-либо смогут оценить такие теоретические изыскания?
- Прикладное значение, разумеется, тоже есть. Например, изучая химию одиночных атомов, вы учитесь создавать редкие изотопы, незаменимые в ядерной медицине (применении радионуклидных препаратов для лечения и диагностики.— "О"). А в экологии такие изотопы могут пригодиться как своего рода "метки" (например, при изучении микроорганизмов и среды их обитания.— "О"). Перспективное направление — поиск и создание новых материалов, которые будут обладать невиданными свойствами. Или давайте вспомним об актуальной проблеме — космическое излучение часто выводит из строя электронику на спутниках. С помощью той же технологии, благодаря которой мы получаем пучки ускоренных частиц, можно тестировать электронные компоненты техники на устойчивость к такому излучению, одним словом, перспектив множество.
В каком направлении будете искать дальше? Станете изучать тот самый "остров стабильности"?
- Скорее всего. Наибольший интерес в ядерной физике сейчас к необычным ядрам: например, предсказано, что должен быть гелий-10, но его никак не могут найти. Мы двигаемся к более тяжёлым элементам — это сфера неизвестного,
Сенсация грянула ровно под Новый год: в 11 вечера 30 декабря на сайте Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) был опубликован пресс-релиз о пополнении таблицы Менделеева сразу четырьмя новыми химическими элементами — 113-м, 115-м, 117-м и 118-м. Напомним вкратце: когда Дмитрий Иванович предложил свою знаменитую классификацию химических элементов, там было много свободных мест, постепенно они заполнялись, и вот на наших глазах "закрылся" седьмой ряд таблицы. Фактически это означает, что в своём классическом виде таблица Менделеева завершена и начинает новую жизнь.
Если первые элементы, занесённые в таблицу, повсеместно встречались в природе, то новые создаются в лабораторных условиях. Учёные уверены: таблица будет пополняться и дальше — в ней появятся новые ряды, а в них — новые элементы. Главная же интрига в том, что новые открытия могут ни много ни мало "поправить" знаменитый периодический закон Менделеева (свойства элементов зависят от величины зарядов ядер их атомов). Известный популяризатор науки химик Эрик Скерри из Калифорнийского университета (США) приводит в пример эксперименты с резерфордием и дубнием — в ходе этих исследований они вели себя не так, как должны были в соответствии с тем местом, которое занимают в таблице. Подобные эффекты проявляются при скоростях, близких к скорости света, с которыми электроны обращаются вокруг ядер, и названы релятивистскими. Скерри, впрочем, ставит вопрос ещё радикальнее: если периодический закон не будет работать, то химия в некотором роде станет частью физики.
кликабельно
Между тем в самом IUPAC полны оптимизма.
- Ключевой момент, связанный с новыми элементами, состоит в том, что они продвигают нас в понимании фундаментальных вещей, — сообщила исполнительный директор организации Линн Соби.— Речь о физике — в том смысле, как сливаются ядра атомов, и о химии — в том смысле, как они себя ведут. В целом же эти знания могут приблизить нас к пониманию более "нормальных" элементов.
Госпожа Соби особо отмечает важность того, что два из наиболее тяжёлых новых элементов относятся к группе галогенов и благородных (инертных) газов (соответственно 17-я и 18-я группа химических элементов согласно таблице Д.И. Менделеева), которые обладают ярко выраженными индивидуальными химическими свойствами, и здесь мы снова возвращается к релятивистским эффектам.
- Предполагается, что по мере того, как скорость электронов в более тяжёлых элементах приближается к скорости света, релятивистские эффекты могут смазать эти характеристики,— уточняет Линн Соби. — До какой степени — никто не знает. Не меньшая проблема и то, как оценить эти эффекты.
На повестке дня, впрочем, не только вопросы мироустройства, но и вещи более приземлённые — к примеру, как будут называться новые элементы? Сейчас у них лишь рабочие названия — Uut (унунтрий), Uup (унунпентий), Uus (унунсептий) и Uuo (унуноктий), но предложений по названиям много. Например, 117-й элемент просят назвать Oc (октарином) — одноимённое волшебное вещество фигурирует во вселенной, придуманной популярным фантастом Терри Пратчеттом. В интернете развернулось масштабное голосование: за октарин уже 45 тысяч человек. 113-й элемент предложено назвать япониумом. Ещё один из элементов вполне может стать московием... Главная же интрига в том, что хотя сам выбор ограничен (элементы "положено" называть в честь мифологического понятия, минерала, некоего конкретного места, страны или, допустим, учёного), последнее слово всё же принадлежит первооткрывателям, а таковых в этом году несколько.
Хорошая новость для российской науки в том, что приоритет в синтезе 115-го, 117-го и 118-го элементов отдан учёным из Объединённого института ядерных исследований в Дубне (Россия), а также Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии (США) и Окриджской национальной лаборатории в Теннесси (США). 113-й обязан появлением специалистам из Института естественных наук RIKEN (Япония) — для японцев это, кстати, большая научная премьера. Правда, без споров не обошлось: в Дубне дали понять, что удивлены решением по 113-му элементу — у наших заслуг в его изучении не меньше. Цена вопроса велика, ведь для учёных, по словам нобелевского лауреата Редзи Ноери, подобное открытие значит больше, чем для спортсменов — олимпийское золото.
Чтобы выяснить, как шли изыскания, "Огонёк" связался с замдиректора лаборатории ядерных реакций им. Флёрова ОИЯИ в Дубне физиком-ядерщиком Андреем Попеко.
Андрей Георгиевич, все перечисленные новые элементы в вашей лаборатории синтезировали несколько лет назад. Почему же официальное признание от IUPAC пришло только сейчас?
- Таковы международные правила. Всего за последнее время нам удалось открыть шесть элементов. Два из них, 114-й и 116-й, включены в таблицу Менделеева ещё в 2012 году. 114-й был назван флеровием в честь нашей лаборатории и её основателя, академика Флёрова, 116-й — ливерморием, в честь города Ливермора (Ливерморская национальная лаборатория в США — наш давний партнёр по исследованиям). И вот под конец прошлого года стало известно о признании ещё четырёх элементов. Задержка объяснима строгими правилами IUPAC: недостаточно получить новый элемент — нужно, чтобы этот результат повторили независимые лаборатории, а все данные проверила специальная комиссия. Вот и получается, что между публикацией первой работы и признанием её результатов проходит лет десять.
Основные вопросы с нашей стороны — к открытию 113-го элемента, первенство в котором отдано японцам. Им действительно многое удалось: "лёгкий" изотоп 113-го элемента они синтезировали в результате прямой реакции, бомбардируя мишень на ускорителе (ядра атомов, которыми бомбардируют мишень, сливаются с ядрами тех, что находятся в мишени, и образуют новые элементы.— "О"). Японцы получили три атома за 10 лет — это рекорд. Однако мы синтезировали более тяжёлый изотоп 113-го элемента, причём годом раньше. Правда, у нас он получился как дочерний продукт распада 115-го элемента, возможно, это сыграло свою роль при определении приоритета в открытии. Что ж, дождёмся официального заключения.
Зато вас уже сейчас можно поздравить с пальмой первенства в открытии остальных элементов. Как назовёте? Московием?
- Да, такое название давно предлагается. Но поймите, наш институт — международная организация, мы сотрудничаем с коллегами из-за рубежа, так что это как с именем для ребёнка — нужно, чтобы оба супруга были единодушны, хорошо бы также выяснить мнение дедушек и бабушек. Различные формальности продлятся ещё примерно год, время есть.
С открытиями новых элементов вообще история непростая: можно вспомнить про 102-й элемент — нобелий. Его сначала открыли шведы, потом американцы доказали, что они ошиблись, а потом мы уже доказали, что ошиблись американцы, однако название, данное шведами, осталось — к нему как-то привыкли. А вот для некоторых элементов приоритет открытия был разделён между лабораториями в Дубне и Беркли (США), в Дубне и Дармштадте (ФРГ). Приятно, что тот же 105-й элемент назван дубнием...
Можете объяснить, за счёт чего мы вырвались вперёд?
- Это ещё с советских времён: после того как вопросы с ядерным оружием были решены, учёные переключились на научные аспекты изучения тяжёлых ядер. И, конечно, правильная стратегия была выбрана в 1990-е: в нашем институте решили сосредоточиться именно на этих исследованиях. У нас же, в Дубне, были предложены и методы синтеза тяжёлых и сверхтяжёлых элементов путём холодного (используются мишени из свинца и висмута) и горячего слияния (используются мишени из трансурановых элементов, а в качестве бомбардирующей частицы — ядра кальция-48). С их помощью получены 12 наиболее тяжёлых новых элементов от 107-го до 118-го. Да, сегодня японцы, китайцы, корейцы заявляют о себе в науке всё громче — идёт настоящая восточная волна. Но тем важнее удержать планку.
Простите, а насколько вообще это сложно: "родить" новый химический элемент?
- Судите сами: вероятность слияния двух ядер, на чём и построен процесс получения новых элементов, очень мала. К тому же супертяжёлые элементы, которые мы изучаем, нестабильны: получаемые атомы живут доли секунды. За эти мгновения их нужно "поймать" и изучить, проследить за процессом распада. А ведь количество вещества измеряется единичными атомами!
Для самого процесса синтеза требуется наработка материала для мишеней (например, элементов вроде кюрия, берклия, калифорния) — здесь требуются реакторы, где производят изотопы, технологии очистки и разделения изотопов, технологии изготовления мишеней из высокорадиоактивных материалов. В мире таких уникальных ядерных реакторов всего два — один в Окридже в США, другой в нашем Димитровграде.
Нужны и ускорители, производящие мощные потоки тяжёлых частиц. Но не надо думать, что если построить такой ускоритель, как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, то можно решить все проблемы: для синтеза новых элементов требуются пучки частиц, ускоренных "только" до 10 процентов скорости света, а это совсем другая, хоть и не менее сложная технология.
Как найти и выделить из "каши", образовавшейся в результате ядерной реакции, интересующий элемент? Для этого также требуются специальные сепараторы и детекторы. Ну и, конечно, без специалистов самой высшей квалификации всё это работать не будет — эксперименты по синтезу идут круглосуточно и длятся годами.
И каково научное значение ваших исследований? Есть представление, что вы именно ищете?
- А вы что-то слышали про остров стабильности? Так называют сверхтяжёлые элементы, расположенные в таблице Менделеева гораздо дальше урана, чьи ядра не распадаются столь быстро, как считалось ранее. Долгое время — с 1960-х — существование такого "острова" было чистой теорией, и вот сегодня мы можем, наконец, констатировать: "остров" существует, пусть мы и зацепили пока лишь его край.
Так вот интересно, а есть ли предел? Насколько можно увеличивать массу ядра и в какой момент оно начнёт мгновенно разваливаться? И не приобретёт ли какие-то новые формы? В этих вопросах мы фактически подходим к границам существования привычной нам материи... Не случайно Виталий Гинзбург в своей нобелевской речи назвал синтез сверхтяжёлых элементов одним из ключевых направлений научного поиска в XXI веке.
Эти новые элементы вообще очень интересны: предполагается, к примеру, что они могли образовываться при взрывах сверхновых в космосе, а значит, влиять на эволюцию планет.
А простые смертные когда-либо смогут оценить такие теоретические изыскания?
- Прикладное значение, разумеется, тоже есть. Например, изучая химию одиночных атомов, вы учитесь создавать редкие изотопы, незаменимые в ядерной медицине (применении радионуклидных препаратов для лечения и диагностики.— "О"). А в экологии такие изотопы могут пригодиться как своего рода "метки" (например, при изучении микроорганизмов и среды их обитания.— "О"). Перспективное направление — поиск и создание новых материалов, которые будут обладать невиданными свойствами. Или давайте вспомним об актуальной проблеме — космическое излучение часто выводит из строя электронику на спутниках. С помощью той же технологии, благодаря которой мы получаем пучки ускоренных частиц, можно тестировать электронные компоненты техники на устойчивость к такому излучению, одним словом, перспектив множество.
В каком направлении будете искать дальше? Станете изучать тот самый "остров стабильности"?
- Скорее всего. Наибольший интерес в ядерной физике сейчас к необычным ядрам: например, предсказано, что должен быть гелий-10, но его никак не могут найти. Мы двигаемся к более тяжёлым элементам — это сфера неизвестного,
Кирилл Журенков Журнал "Огонёк" №2 18.01.2016