Строим атомы: Получение новых элементов

Периодическая таблица, на которую ссылается Муди, — это всем знакомый плакат, украшающий стены любого помещения, где могут встретиться больше двух химиков одновременно. Все мы изучали ее на уроках химии в старших классах или на младших курсах ВУЗа. Таблица эта создана для того, чтобы объяснить, почему различные элементы вступают в соединения так, а не иначе. Химические элементы размещены в ней в строгом соответствии с атомным весом и химическими свойствами. Относительное положение того или иного элемента помогает предсказать, в какие отношения он будет вступать с другими элементами. После создания 113-го и 115-го общее число известных науке элементов достигло 116-ти (117-ти, если считать и элемент с порядковым номером 118, синтез которого уже наблюдали в Дубне в 2002 году, но официально это открытие пока не подтверждено. — Редакция «ПМ»).

История создания периодической таблицы началась в 1863 году (впрочем, и раньше делались робкие попытки: в 1817 году И.В. Дёберейнер попробовал объединить элементы в триады, а в 1843-м Л. Гмелин попытался расширить эту классификацию тетрадами и пентадами. — Редакция «ПМ»), когда молодой французский геолог Александр-Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа расположил все известные к тому времени элементы в цепочку в соответствии с их атомным весом. Затем ленточку с этим списком он обернул вокруг цилиндра, и получилось так, что химически аналогичные элементы выстроились столбиками. По сравнению с методом проб и ошибок — единственным исследовательским подходом, которым пользовались тогдашние химики, — этот фокус с ленточкой выглядел радикальным шагом вперед, хотя серьезных практических результатов он не принес.

Примерно в то же самое время молодой английский химик Джон А.Р. Ньюландс точно так же экспериментировал с взаимным расположением элементов. Он отметил, что химические группы повторяются через каждые восемь элементов (подобно нотам, поэтому автор назвал свое открытие «законом октав». — Редакция «ПМ»). Полагая, что впереди великое открытие, он гордо выступил с сообщением перед Британским химическим обществом. Увы! Старшие, наиболее консервативные члены этого общества зарубили эту идею, объявив ее абсурдом, и на долгие годы она была предана забвению. (Не стоит слишком винить консервативных ученых — «закон октав» правильно предсказывал свойства лишь первых семнадцати элементов. — Редакция «ПМ»).

В XIX веке обмен научной информацией шел не так активно, как сейчас. Потому и неудивительно, что до возрождения забытой идеи прошло еще пять лет. На этот раз озарение явилось русскому химику Дмитрию Ивановичу Менделееву и его немецкому коллеге Юлиусу Лотару Мейеру. Работая независимо друг от друга, они додумались разместить химические элементы в семь столбцов. Положение каждого элемента задавалось его химическими и физическими свойствами. И вот тут, как это раньше заметили де Шанкуртуа и Ньюландс, элементы самопроизвольно объединились в группы, которые можно было бы назвать «химическими семействами».

Менделееву удалось глубже заглянуть в смысл происходящего. В результате возникла таблица с пустыми клетками, точно показывающими те места, где следует искать еще не открытые элементы. Это озарение выглядит еще более фантастичным, если вспомнить, что в те времена ученые не имели никакого представления о структуре атомов.

В течение следующего столетия периодическая таблица становилась все более и более информативной. Из простой приведенной здесь схемки она разрослась в огромную простыню, включив в себя удельный вес, магнитные свойства, точки плавления и кипения. Сюда же можно добавить сведения о строении электронной оболочки атома, а также список атомных весов изотопов, то есть более тяжелых или легких двойников, которые имеются у многих элементов.

Пожалуй, самая главная новость, которую несли химикам первые варианты периодической таблицы, — это указание, где находятся еще не открытые элементы.

К началу XX века среди физиков стало крепнуть подозрение, что атомы устроены совсем не так, как об этом было принято думать. Начнем хотя бы с того, что это вовсе не монолитные шарики, а скорее — растянутые в пустом пространстве объемные структуры. Чем яснее становились представления о микромире, тем быстрее заполнялись пустые ячейки.

Прямые указания на пробелы в таблице радикально ускорили поиск еще не открытых, но реально присутствующих в природе элементов. А вот когда сформировалась точная теория, адекватно описывающая строение атомного ядра, родился новый подход к «дописыванию» периодической таблицы. Была создана и отработана методика для создания «искусственных» или «синтетических» элементов путем облучения имеющихся металлов потоками высокоэнергетических элементарных частиц.

Если добавить к ядру электрически незаряженные нейтроны, элемент станет тяжелее, но его химическое поведение не изменится. Зато при наращивании атомного веса элементы становятся все более нестабильными и обретают способность к самопроизвольному распаду. Когда это случается, некоторое количество свободных нейтронов и других частиц разлетается в окружающее пространство, однако большая часть протонов, нейтронов и электронов остается на месте и переструктурируется в форму более легких элементов.

В нынешнем феврале исследователи из LLNL (Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса) и российского Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), используя вышеописанную методику бомбардировки атомов, получили два абсолютно новых элемента.

Первый из них — элемент 115 — был получен после того, как америций обстреляли радиоактивным изотопом кальция. (Для справки — америций, нечасто встречаемый в быту металл, используется в дымовых датчиках обычной пожарной сигнализации.) В результате бомбардировки образовалось четыре атома 115-го элемента, однако через 90 миллисекунд они распались, и получился еще один новорожденный — элемент 113. Эти четыре атома прожили почти полторы секунды, прежде чем из них образовались более легкие, уже известные науке элементы. Искусственные элементы редко отличаются долгожительством — их врожденная нестабильность является следствием чрезмерного количества протонов и нейтронов в ядрах.

А теперь — касательно их несуразных имен. Несколько лет назад Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) с штаб-квартирой в Research Triangle Park, N.C. постановил, что новым химическим элементам должны присваиваться культурно-нейтральные имена. Такой нейтральности можно достичь, если воспользоваться латинским произношением порядкового номера этого элемента в периодической таблице. Так, цифры 1, 1, 5 будут читаться «ун, ун, пент», а окончание «иум» прибавляется из соображений лингвистической связности. (Нейтральное латинское наименование и соответствующий трехбуквенный символ дается элементу временно — до тех пор, пока Международный союз чистой и прикладной химии не утвердит его окончательное название. Рекомендации этой организации, опубликованные в 2002 году, таковы: авторы открытия имеют приоритет в предложении имени для нового элемента, по традиции элементы могут называться в честь мифологических событий или персонажей (включая небесные тела), минералов, географических регионов, свойств элемента, известных ученых. — Редакция «ПМ»).

Пусть эти новые элементы живут совсем недолго и не встречаются за стенами лабораторий — все равно их создание означает больше, чем просто заполнение пустых ячеек и увеличение общего количества известных науке элементов. «Это открытие позволяет нам расширить применимость фундаментальных принципов химии, — говорит шеф Ливермора Муди, — а новые успехи химии ведут к созданию новых материалов и разработке новых технологий».