Отвъд масата, списание Popular Mechanics
Химически континент
Преди век и половина, когато Дмитрий Иванович Менделеев откри Периодичния закон, бяха известни само 63 елемента. Подредени в таблица, те лесно се разлагат на периоди, всеки от които се отваря с активни алкални метали и завършва (както се оказа по-късно) инертни благородни газове. Оттогава периодичната таблица е почти удвоена и с всяко разширяване периодичният закон се потвърждава отново и отново. Рубидий също прилича на калий и натрий, като ксенон - криптон и аргон, под въглерод се намира по много начини подобен на него силиций ... Днес е известно, че тези свойства се определят от броя на електроните, обикалящи около атомното ядро.
Те запълват „енергийните черупки“ на атома, един след друг, като зрители, които сядат по ред в театъра: този, който се окаже последен, ще определи химичните свойства на целия елемент. Атом с напълно напълнена последна обвивка (като хелий с двата си електрона) ще бъде инертен; елемент с един "допълнителен" електрон върху него (като натрий) ще образува активно химически връзки. Броят на отрицателно заредените електрони в орбитите е свързан с броя на положителните протони в ядрото на атома и това е броят на протоните, които различните елементи се различават.
Но неутроните в ядрото на един и същ елемент могат да имат различно количество, нямат заряд и не влияят на химичните свойства. Но в зависимост от броя на неутроните водородът може да бъде по-тежък от хелия и масата на лития може да достигне седем вместо „класическите“ шест атомни единици. И ако списъкът с известни елементи днес се приближава до 120, тогава броят на ядрата (нуклидите) е надхвърлил 3000. Повечето от тях са нестабилни и се разпадат след известно време, изхвърляйки „излишни“ частици по време на радиоактивен разпад. Дори повече нуклиди по принцип не могат да съществуват, незабавно се разпадат на парчета. Така че континентът от стабилни ядра обгражда цяло море от нестабилни комбинации от неутрони и протони.
Море на нестабилност
Съдбата на ядрото зависи от броя на неутроните и протоните в него. Според черупковата теория за структурата на ядрото, изложена през 50-те години на миналия век, частиците в него се разпределят по енергийните си нива по същия начин, както електроните, които се въртят около ядрото. Някои количества протони и неутрони дават особено стабилни конфигурации с напълно напълнени протонни или неутронни черупки - 2, 8, 20, 28, 50, 82, а за неутроните също 126 частици. Тези числа се наричат "магия" и най-стабилните ядра съдържат "два пъти магически" брой частици - например 82 протона и 126 неутрона в олово, или по два - в обикновен хелиев атом, вторият най-разпространен елемент в вселена.
Последователният "Химически континент" на елементите, открити на Земята, завършва с олово. Следва серия от ядра, които съществуват много по-малко от възрастта на нашата планета. В неговите дълбочини те могат да се съхраняват само в малки количества, като уран и торий, или дори в следи, като плутоний. Невъзможно е да се извлече от скалата и плутонийът се произвежда изкуствено, в реактори, чрез бомбардиране на уранова мишена с неутрони. Като цяло съвременните физици се отнасят към атомните ядра, сякаш са части от конструктор, принуждавайки ги да прикачат отделни неутрони, протони или цели ядра. Това прави възможно получаването на все повече и повече тежки нуклиди, преминаващи през пролива на "Морето на нестабилността".
Целта на пътуването се предлага от същата теория на черупката за структурата на ядрото. Това е районът на свръхтежки елементи с подходящ (и много голям) брой неутрони и протони, легендарният „Остров на стабилността“. Изчисленията казват, че някои от местните "обитатели" може вече да не съществуват за части от микросекунди, но за много порядъци по-дълго. „В определено приближение те могат да се разглеждат като капки вода“, обясни ни академикът от Руската академия на науките Юрий Оганесян. - До олово ядрата са сферични и стабилни. Те са последвани от полуостров с умерено стабилни ядра - като торий или уран - който се изважда от плитчина от силно деформирани ядра и се откъсва в нестабилно море ... Но още по-далеч, отвъд пролива, може да има нов регион от сферични ядра, свръхтежки и стабилни елементи с номера 114, 116 и по-нататък. " Животът на някои елементи на "Острова на стабилността" може да продължи години, дори милиони години.
Остров на стабилност
Трансурановите елементи с техните деформирани ядра могат да бъдат създадени чрез бомбардиране на цели от уран, торий или плутоний с неутрони. Като ги бомбардира с леки йони, ускорени в ускорител, човек може последователно да получи редица елементи, дори по-тежки - но в един момент границата ще дойде. „Ако разглеждаме различни реакции - прикрепването на неутрони, прикрепването на йони - като различни„ кораби “, тогава всички те няма да ни помогнат да достигнем„ Острова на стабилността “, продължава Юрий Оганесян. „Това ще изисква по-голям„ кораб “и различен дизайн. Като цел ще трябва да използвате богати на неутрони ядра от изкуствени елементи, по-тежки от урана, и те ще трябва да бъдат бомбардирани с големи, тежки изотопи, съдържащи много неутрони, като калций-48 ".
Само голям международен екип от учени успя да работи на такъв "кораб". Инженерите и физиците от завода в Електрохимприбор са изолирали изключително рядък 48-и изотоп от естествен калций, който се съдържа тук в количество по-малко от 0,2%. Мишени от уран, плутоний, америций, курий, калифорний бяха подготвени в изследователския институт за атомни реактори в Димитроград, в Националната лаборатория в Ливърмор и в Националната лаборатория на Оук Ридж в САЩ. Е, ключови експерименти върху синтеза на нови елементи бяха извършени от академик Оганесян в Съвместния институт по ядрена физика (ОИЯИ), в лабораторията за ядрени реакции Флеров. „Нашият ускорител в Дубна работи 6-7 хиляди часа годишно, ускорявайки йони на калций-48 до около 0,1 скорост на светлината“, обяснява ученият. - Тази енергия е необходима, за да могат някои от тях, удряйки целта, да преодолеят силите на отблъскването на Кулон и да се слеят с ядрата на своите атоми. Например, елемент 92, уран, ще даде ядрото на новия елемент 112, плутоний 114 и калифорний 118 ".
„Търсенето на нови свръхтежки елементи ни позволява да отговорим на един от най-важните въпроси на науката: къде е границата на нашия материален свят?“
„Такива ядра вече трябва да са доста стабилни и няма да се разпадат веднага, а последователно ще изхвърлят алфа частици, хелиеви ядра. И ние знаем как да ги регистрираме много добре “, продължава Ованесян. Свръхтежкото ядро ще изхвърли алфа частица, превръщайки се в елемент с два атомни числа по-лек. На свой ред дъщерното ядро ще загуби алфа частица и ще се превърне в „внучка“ - още четири по-леки и така нататък, докато процесът на последователно алфа разпадане завърши със случаен външен вид и незабавно спонтанно делене, смъртта на нестабилно ядро в „Морето на нестабилността“. Въз основа на тази "генеалогия" на алфа частиците, Оганесян и колегите му проследяват цялата история на трансформацията на нуклиди, получени в ускорителя, и очертават близкия бряг на "Острова на стабилността". След половин век ветроходство първите хора се приземиха на него.
Нова земя
Още през първото десетилетие на 21 век атомите на елементи с числа от 113 до 118 са синтезирани в реакциите на синтез на актиноиди с ускорени йони на калций-48, разположени на брега на „Острова на стабилността” далеч от „континента ”. Животът им вече е с порядъци по-дълъг от този на съседите им: например, елемент 114 се съхранява не за милисекунди, като 110-ия, а за десетки и дори стотици секунди. „Такива вещества вече са достъпни за химията“, казва академик Ованесян. - Това означава, че се връщаме в самото начало на пътуването и сега можем да проверим дали за тях се спазва Периодичният закон на Менделеев. Ще бъде ли 112-ият елемент аналогичен на живак и кадмий, а 114-ият - аналог на калай и олово? Още първите химически експерименти с изотопа на 112-ия елемент (коперник) показаха: очевидно ще има. Ядрата на коперникума, изхвърлени от целта по време на бомбардировката, учените насочват в дълга тръба, включваща 36 сдвоени детектора, частично покрити със злато. Меркурий лесно образува стабилни интерметални съединения със злато (това свойство се използва в древната техника на позлатяване). Следователно живакът и атомите в близост до него трябва да се утаят върху златната повърхност на първите детектори, докато радонът и атомите в близост до благородните газове могат да стигнат до края на тръбата. Покорно следвайки Периодичния закон, Коперник се оказа роднина на живака. Но ако живакът стана първият известен течен метал, тогава коперникумът може да бъде първият газообразен: точката му на кипене е под стайната температура. Според Юрий Ованесян това е само избледняло начало и свръхтежките елементи от „Острова на стабилността“ ще ни отворят ново, светло и необичайно поле на химията.
Но засега се задържахме в подножието на острова от стабилни елементи. Очаква се 120-то и следващите ядра да са наистина стабилни и да съществуват в продължение на много години или дори милиони години, образувайки стабилни съединения. Вече не е възможно да се получат с помощта на същия калций-48: няма достатъчно дълготрайни елементи, които биха могли, като се комбинират с тези йони, да дадат ядра с необходимата маса. Опитите за заместване на калциево-48 йони с нещо по-тежко досега също се провалят. Затова за ново търсене учените навигатори вдигнаха глави и погледнаха към небесата.
Космос и фабрика
Оригиналният състав на нашия свят не се различава по разнообразие: в Големия взрив се появява само водород с малки примеси на хелий - най-лекият от атомите. Всички други уважавани участници в периодичната таблица се появиха в реакции на ядрен синтез, във вътрешността на звездите и в експлозии на свръхнова. Нестабилните нуклиди бързо се разлагат, натрупват се стабилни, като кислород-16 или желязо-54. Не е изненадващо, че тежки нестабилни елементи като америций или коперний не могат да бъдат открити в природата.
Но ако някъде наистина има „Остров на стабилността“, то поне в малки количества трябва да се открият свръхтежки елементи в необятността на Вселената и някои учени ги търсят сред частиците на космическите лъчи. Според академик Оганесян този подход все още не е толкова надежден, колкото добрата стара бомбардировка. „Истински дълголетните ядра в„ върха “на Острова на стабилността съдържат необичайно големи количества неутрони“, казва ученият. „Ето защо богатият на неутрони калций-48 се оказа толкова успешно ядро за бомбардиране на богати на неутрони целеви елементи. Изотопите, по-тежки от калций-48, обаче са нестабилни и шансовете са изключително малки, че те естествено ще могат да се слеят, за да образуват суперстабилни ядра. ".
Следователно лабораторията в Дубна близо до Москва се насочи към използването на по-тежки ядра, макар и не толкова успешни като калция, за стрелба по изкуствени мишени. „Сега сме заети със създаването на така наречената Фабрика за свръхтежки елементи“, казва академик Оганесян. „В него същите цели ще бъдат бомбардирани с ядра от титан или хром. Те съдържат два и четири протона повече от калция, което означава, че могат да ни дадат елементи с маси от 120 и повече. Ще бъде интересно да се види дали те все още ще бъдат на "острова" или ще отворят нов пролив отвъд него ".