В школе всех нас знакомили с периодической системой химических элементов. Однако на уроках обычно мало говорят о её последних периодах. Исследовательская работа в этой области давно перешла от привычной химии к ядерной физике, в которой, начиная с прошлого века, проводят удивительные эксперименты. В конце прошлого года таблица вновь пополнилась благодаря труду русских, американских и японских учёных.

На фото: Ускорительный комплекс У-400

Из истории

Самым тяжёлым из существующих на Земле элементов является уран 92U. Все остальные, начиная с атомного номера 93, – синтезированы искусственно. Элементы с 93 по 100 получают в ядерных реакторах, а со 101 по 118 – на ускорителях заряженных частиц. В 2012 году официальное название дали недавно открытым в Дубне 114 и 116 элементам – Флеровий (Fl) и Ливерморий (Lv).

Среди 18 синтезированных элементов за последние 60 лет право первооткрывателей 11 из них получили учёные Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ). Группа исследователей продолжает работу под руководством Ю.Ц. Оганесяна. 30 декабря IUPAC сообщил о признании открытия элементов с порядковыми номерами 113, 115, 117 и 118. О процессе синтеза, его истории и значении мы узнали у учёного секретаря ЛЯР имени Г.Н. Флёрова ОИЯИ Александра Владимировича Карпова.

На фото: Александр Владимирович Карпов

Как это происходит

Мы расскажем о синтезе элементов с атомными номерами от 113 до 118. Новые элементы получают с помощью ускорителей, сливая ядра более лёгких элементов, словно капли воды. Идентифицировать сверхтяжёлое ядро можно, зарегистрировав его попадание в детектор, а затем, поскольку оно радиоактивное, и свойства его распада (вид, время жизни, энергии продуктов распада и так далее).

Все ядра состоят из протонов и нейтронов, и, следовательно, заряжены положительно. При слиянии они отталкиваются, проявляя кулоновские силы взаимодействия. Для того, чтобы частицы, по крайней мере, соприкоснулись, их разгоняют в ускорителе до очень больших скоростей –  0,1 скорости света. Пучок разогнанных частиц направляют на мишень. В последних, интересующих нас, экспериментах в Дубне используют мишени из искусственных трансурановых элементов (от 93 до 98 номера), и пучок изотопа кальция Ca (20 протонов и 28 нейтронов). Этот редкий и дорогой изотоп уникален тем, что содержит много нейтронов. Кальций ускоряется и сталкивается с ядрами мишени. При этом с очень небольшой вероятностью происходит процесс слияния – получается одно большое ядро с избыточной энергией возбуждения. 

Но процесс синтеза сверхтяжёлых элементов ещё не закончен. Ядру нужно сбросить лишнюю энергию, испустив нейтроны или поделившись, что наиболее вероятно. Лишь одно из миллиона ядер остаётся неделимым. Если ядро выживает, испустив три-четыре нейтрона, оно остаётся целым достаточно долго, чтобы «обрасти» электронами, то есть сформировать сверхтяжёлый атом. 

Теперь в игру вступает новый герой, называемый сепаратором. Его задача – убрать лишние частицы, которые вылетают из мишени – прежде всего ядра пучка, которые не провзаимодействовали с мишенью, и сделать так, чтобы в детектор, регистрирующий сверхтяжёлые ядра, попадало минимальное количество примесей. Когда тяжёлое ядро (охлаждённое) достигает детектора, регистрируют, в какой участок оно попало, и ждут радиоактивный распад. В основном происходит альфа-распад с испусканием альфа-частиц. Все цепочки распада заканчиваются спонтанным делением ядра, на чём процесс регистрации образования сверхтяжёлого ядра заканчивается. Длительность эксперимента составляет несколько месяцев. Всё это время происходит непрерывное облучение. В самом хорошем случае регистрируют одно ядро в неделю.

Остров стабильности

Многие десятилетия учёные ищут ответы на вопросы: «Что следует после урана? Какой самый тяжёлый элемент в природе? Где конец таблицы Менделеева и предел материального мира?» Поиски продолжаются и по сей день. Когда исследователи стали получать трансурановые (стоящие за ураном) элементы и дошли до фермия (100), то обнаружили, что времена жизни новых элементов уменьшаются по мере роста заряда ядра. Учёные предсказывали, что через два-три новых элемента времена жизни сократятся настолько, что ядро не сумеет «обрасти» электронами и сформировать атом. Это и будет конец Периодической системы. Однако ровно 50 лет назад в Дубне и тогда же в Германии была высказана идея, что в области с числом протонов – 114 и нейтронов – 184 ядра снова могут жить необычно долго. Её назвали «островом стабильности», который можно увидеть на так называемой «карте ядер». С увеличением стабильности элементов (с ростом времени жизни) цвета на островах темнеют. 

«Карта ядер»

С момента предсказания «острова» учёные пытаются доказать или опровергнуть его существование, добраться до центра и проверить правильность представлений о ядерном взаимодействии. По протонам они уже достигли цели и продвинулись дальше (до 118 элемента). Самые долгоживущие изотопы в районе «острова стабильности», которые уже получили, существуют 30 секунд. В экспериментах в Дубне видят, что добавление к ядру одного нейтрона приводит к увеличению времени жизни в несколько раз. Есть надежда, что, двигаясь вправо, учёные достигнут центра острова, где период полураспада будет сравним с временем жизни человека или даже составит сотни лет. Однако трудность в том, что по числу нейтронов пока невозможно добраться до центра: нет таких комбинаций условно стабильных ядер, живущих хотя бы годами, чтобы их можно было столкнуть и получить ядро с нужным числом протонов и нейтронов. Так уж устроена природа. Сегодня в Дубне создают новый, рекордный по характеристикам, ускорительный комплекс – первую в мире Фабрику сверхтяжёлых элементов, которая станет базой для будущих исследований. Учёные надеются получать на на ней в десятки раз больше сверхтяжёлых ядер, что существенно расширит возможности  исследований.

Я назову тебя...

Пока ещё четыре новых элемента не имеют официальных названий, которые бы навеки запечатлели в истории. Те, что используют сейчас, происходят от латинского: унунтрий Uut (113), унунпентий Uup (115), унунсептий Uus (117) и унуноктий Uuo (118). Коллектив учёных скоро представит свои варианты на рассмотрение IUPAC. Предложение по 115 элементу неоднократно анонсировалось – «Московий». По поводу 113, 117 и 118 элементов вопрос открыт.

Для чего

Синтез и изучение сверхтяжёлых элементов – задача из области фундаментальной науки, стремящейся познать законы окружающего мира. Сами по себе эти исследования не имеют прикладного значения, точнее таких целей изначально не ставится. Однако в ходе экспериментов могут возникнуть «побочные продукты», полезные  обществу, например, ядерная энергетика, ускорители для производства радиоактивных изотопов в медицине, терапия труднодоступных опухолей, уникальные трековые мембраны – основы различных фильтров. Побочным результатом экспериментов в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) стала магнитно-резонансная томография (МРТ), помогающая в диагностике болезней.

***

IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry (Международный союз теоретической и прикладной химии).

Деление ядра - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) с близкими массами, называемых осколками деления. В результате могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты.

Анастасия Мокшина