Сверхтяжелые элементы нарушают таблицу Менделеева

В отдаленных уголках периодической таблицы, начиная с элемента 104 (Резерфордий), существуют области, где все идет не так, как должно. Эти элементы, такие как дубний, сиборгий, борий и другие, никогда не встречались в природе. Их ядра, насыщенные протонами и нейтронами, разрушаются через мгновения после создания из-за деления или радиоактивного распада.

Эти элементы называют сверхтяжелыми. Самый тяжелый из них – оганесон (элемент 118). С 2002 года, когда он был впервые создан в лаборатории, ученые смогли синтезировать всего пять его атомов. Оганесон настолько радиоактивен, что его невозможно держать в руках – он больше похож на тепло, чем на материю.

Исследователи используют ультрабыстрые методы для изучения этих неведомых областей периодической таблицы. Здесь, на границе химии, атомы обладают удивительными свойствами: от тыквообразных ядер до электронов, подчиняющихся законам относительности. Изучение этих свойств может пролить свет на первичные элементы, созданные в астрофизических явлениях, таких как сверхновые и слияния нейтронных звезд.

Постер с таблицей элементов, организованной по количеству протонов и нейтронов, висит в коридоре Лоуренс-Беркли лаборатории. Этот график содержит всю известную информацию о структуре и распаде ядер элементов и их изотопов. Он постоянно обновляется, как карта мореплавателей с новыми островами, где острова - это изотопы тяжелых элементов, видимые только в ускорителях частиц.

Первыми синтезировали Резерфордий в 1969 году в лаборатории Беркли и в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, Россия. С тех пор различные научные институты соревнуются за создание новых элементов. Сегодня в гонке участвуют лаборатории в Германии и Японии. Например, элемент 113, названный нихонием , был впервые синтезирован в 2004 году в Японии.

Исследования сверхтяжелых элементов продолжаются не только ради права наименование новых элементов, но и потому, что теоретики предсказывают возможность создания элементов, обладающих большей стабильностью. Такие элементы могут иметь полураспад в течение года или даже тысячи дней, что открыло бы новые возможности для экспериментов и технологий.

Создание этих элементов сложно. Ученые используют пучки тяжелых ионов, направленных на материал-мишень. Например, для создания флеровия (114 протонов) необходимо столкнуть кальций (20 протонов) с плутонием (94 протона). Большинство времени пучок ионов проходит через мишень без взаимодействий, но при удачных столкновениях создаются временные новые атомы.

Эти атомы улавливаются и измеряются с помощью гелия и электрических полей. Ученые изучают их свойства, наблюдая за реакциями, которые они успевают совершить до распада. Например, флеровий, по последним данным, образует сильные связи с золотом при комнатной температуре, что отличает его от благородных газов.

Электроны в этих тяжелых атомах испытывают мощное притяжение ядра, что заставляет их двигаться с огромной скоростью, близкой к скорости света. Это создает релятивистские эффекты, которые изменяют химическое поведение элементов. В результате, тяжелые элементы могут не подчиняться привычным химическим правилам периодической таблицы. Оганессон, например, обладает размытым облаком электронов, что затрудняет его изучение.

Споры о расположении некоторых элементов в периодической таблице продолжаются. С 2015 года группа экспертов Международного союза теоретической и прикладной химии обсуждает, где должны находиться элементы лантан и актиний, а также лютеций и лоуренсий. Это связано с тем, что релятивистские эффекты влияют на расположение их внешних электронов.

Помимо химических экспериментов, ученые изучают форму ядер сверхтяжелых элементов. Эти ядра часто имеют овальную форму, а у более тяжелых элементов теоретически могут быть формы, напоминающие летающие тарелки или даже пузырьки. Форма ядра влияет на его стабильность и может помочь ученым определить, какие комбинации протонов и нейтронов могут существовать.

Существуют так называемые магические числа протонов и нейтронов, которые делают ядра более стабильными. Например, остров стабильности может быть достигнут при определенных сочетаниях магических чисел. Однако, пока неясно, существуют ли такие комбинации, которые могут удерживать тяжелые ядра от распада.

Интересно, что существует теоретическая возможность нахождения ядер без электронных облаков, которые не способны к химическим реакциям. Это ставит под сомнение привычные представления о периодической таблице и химии в целом.

Астрофизики также изучают сверхтяжелые элементы в космосе. Эти элементы могут образовываться в результате быстрого захвата нейтронов, который происходит при катаклизмических событиях, таких как столкновение нейтронных звезд. Наблюдения за такими событиями, как слияние нейтронных звезд, помогают понять процессы образования тяжелых элементов.

В 2017 году ученые впервые наблюдали слияние нейтронных звезд, зафиксировав гравитационные волны, вызванные этим событием. Это подтвердило теорию о том, что r-процесс происходит при таких событиях. Исследователи обнаружили изотопы лантаноидов в этом событии, что свидетельствует о присутствии тяжелых элементов. Однако, чтобы обнаружить сверхтяжелые элементы, необходимо более точно определить спектры света, которые они излучают и поглощают.

В декабре 2023 года астрономы сообщили об избытке нескольких более легких элементов — рутения, родия, палладия и серебра — в некоторых звездах. Эти элементы могут быть результатом распада тяжелых или сверхтяжелых элементов, что указывает на возможность существования ядер с числом протонов и нейтронов до 260.

В Мичиганском университете недавно были проведены исследования, в которых создали тяжелые изотопы тулия, иттербия и лютеция с использованием нового мощного ускорителя редких изотопов. Эти изотопы могут помочь ученым понять процессы, происходящие при захвате нейтронов и их роль в образовании тяжелых элементов.

Во всем мире ученые продолжают совершенствовать свои методы и оборудование для синтеза и изучения сверхтяжелых элементов. Например, в лаборатории Лоуренс Беркли устанавливаются новые инструменты для более точных измерений массы отдельных атомов. Это позволит получить новые данные о свойствах и поведении сверхтяжелых элементов.

Изучение сверхтяжелых элементов открывает перед учеными новые горизонты в понимании химических и ядерных процессов. Эти элементы, созданные искусственным путем, обладают уникальными свойствами, которые не встречаются в природных условиях. Исследования в этой области помогают ученым не только лучше понять структуру и поведение материи, но и проливают свет на процессы, происходящие в самых экстремальных условиях во Вселенной.

По мере совершенствования технологий и методов исследования, ученые продолжают открывать новые аспекты сверхтяжелых элементов. Эти открытия могут привести к новым достижениям в науке и технологиях, а также помочь в понимании фундаментальных законов природы.