Борода Менделеева

В этом году Россия и весь мир отмечают 150-летие одного из важнейших открытий, которое совершил российский ученый. Полтора века назад Дмитрий Иванович Менделеев представил первую версию периодической таблицы и закона, послужившего основой современной химии.

В честь юбилея Генеральная ассамблея ООН единогласно приняла решение о проведении Международного года Периодической системы элементов Менделеева. Программа официально стартовала на прошлой неделе в штаб-квартире ЮНЕСКО в Париже.

В торжественной церемонии приняли участие более 1300 человек из 80 стран мира, в том числе крупные ученые — Бен Феринга, лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года, сэр Мартин Полякофф, один из самых известных популяризаторов науки и специалистов в области зеленой химии, а также десятки молодых исследователей разных национальностей.

Помимо ученых, выступили главы важнейших научных ведомств и представители общественности — министр науки и высшего образования России Михаил Котюков, президент РАН Александр Сергеев, его французский коллега Пьер Корволь и генеральный директор ЮНЕСКО Одри Азуле. Генеральный партнер мероприятия — благотворительный фонд Алишера Усманова "Искусство, наука и спорт".

Одним из героев церемонии стал Юрий Оганесян — научный руководитель лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне, где были открыты последние пять элементов периодической таблицы, в том числе и элемент-118, оганесон. Ученый объяснил РИА Новости, зачем в России планируют создать еще более тяжелые ядра и к чему это может привести.

Идея превращения свинца в золото и трансмутации одних элементов в другие, отмечает он, оставалась несбыточной мечтой как для средневековых алхимиков, так и для серьезных ученых. Все изменилось только после того, как Эрнст Резерфорд, Георгий Гамов и прочие основоположники современной физики поняли, как устроен атом и его ядро.

"Когда вы хотите что-то изменить, чего так жаждали алхимики, нужно понимать, что именно вам нужно поменять. Они грели свинец, проводили бесчисленное множество опытов, но ничего не добились, так как необходимо работать с ядром, а не электронными оболочками атомов. Резерфорд первым показал, что для этого требуется ядерная реакция", — продолжает Оганесян.

В данном случае российские ученые и их зарубежные партнеры и бывшие конкуренты, по словам академика, не воспроизводили природные процессы. Они сделали нечто другое, сталкивая ядра определенных легких элементов с мишенями из сверхтяжелых, но относительно стабильных изотопов.

В природе ядерный синтез выглядит иначе — сталкиваются протоны и нейтроны, возникает ядро, вокруг которого выстраиваются электроны. Все эти реакции происходят внутри чрезвычайно горячей плазмы, в них участвуют огромные массы материи — в лаборатории это осуществить нельзя. "По сути, мы берем готовые ядра и сталкиваем их, надеясь получить более тяжелые элементы", — поясняет ученый.

В отличие от "исследований" алхимиков, как пояснил научный секретарь лаборатории Александр Карпов, выбор ученых был далеко не случаен. Успехи российских исследователей и их зарубежных партнеров в удлинении "бороды" таблицы Менделеева напрямую связаны с решениями, принятыми еще в тяжелые для российской науки 1990-е годы.

"Наша главная задача и идея — подобраться как можно ближе к предсказанному "островку стабильности" тяжелых элементов. Поэтому мы не просто пытаемся создавать новые ядра, а стремимся к определенным комбинациям в числе протонов и нейтронов. Как правило, чем больше нейтронов в атомах, тем стабильнее результат их слияния", — уточняет физик.

И российские, и зарубежные ученые достаточно давно знают, что в природе не существует стабильных или относительно долгоживущих ядер, комбинация которых гарантированно помогла бы создать сверхстабильные элементы, находящиеся в центре этого острова и содержащие в себе около 114 протонов и 184 нейтрона.

"Проблемы вызывает именно второе число — природа так устроена, что чем тяжелее элемент, тем больше в нем нейтронов. Пока у нас нет ни мишеней, ни легких ионов с нужным числом частиц для выхода в эту зону. Тем не менее мне не кажется, что это нерешаемая проблема, нам просто нужно больше времени", — рассказывает Карпов.

Частичный выход из этой ситуации, по его словам, российские физики и зарубежные коллеги нашли в стабильном, но крайне редком изотопе кальция, чьи атомы содержат 20 протонов и 28 нейтронов. Оба эти числа считаются "магическими" в мире ядерной физики, что обусловливает ряд необычных и уникальных свойств этой версии металла.

"Кальций-48 присутствует в любом кусочке мела или извести, однако выделить его крайне сложно и дорого, намного сложнее, чем работать с изотопами урана. Производят его в одном месте в мире — на российском предприятии "Электрохимприбор" в Свердловской области. За год специалисты получают 10-12 граммов, что стоит примерно 2,5 миллиона долларов", — продолжает физик.

Многие экспериментаторы, добавляет ученый, пытались применять кальций-48 для подобных целей и в прошлом, но быстро отказывались от этой идеи из-за несовершенства измерительных приборов или же по другим причинам.

Все ядра в одной корзине

"У нас была еще одна критически важная проблема — нужно было как-то растянуть эти десять граммов кальция на все время работы установки и при этом сделать пучок ионов достаточно интенсивным для того, чтобы получить какой-то результат. Грубо говоря, в 1970-е и 1980-е годы этого количества кальция хватало примерно на час работы ускорителя. Нам же — больше чем на год", — подчеркивает Карпов.

Это стало возможным благодаря тому, что Оганесян и его единомышленники направили все имевшиеся у ОИЯИ средства и ресурсы на работу с пучками ионов кальция и мишенями из берклия, калифорния и некоторых других тяжелых элементов, почти способных "доплыть" до островка стабильности при столкновении с кальцием-48.

"Нашим успехам предшествовала масса неудач — подобные опыты проводили и в Германии, и у нас в Дубне. Ничего не выходило, причем не только из-за отсутствия технологий, позволяющих делать максимально яркие и плотные пучки, но и из-за непонимания того, как реакция происходит. В конце 1990 все сошлось в точку, и с 1999 года мы получили пять новых элементов, а также право присвоить им имена", — заключает научный секретарь.

Упорство российских ученых и их рисковое желание "положить все ядра в одну корзину" помогло вырваться вперед и стать признанными лидерами в этой области, после того как все остальные ведущие лаборатории мира забраковали кальций-48 и прекратили с ним экспериментировать.

Первые результаты опытов в Дубне встретили со скепсисом — коллеги просто не верили в то, что такие опыты в принципе возможны. Проверки в других лабораториях достаточно быстро развеяли все сомнения, таблица Менделеева пополнилась, а Оганесяна и его команду каждый год называют в числе главных претендентов на Нобелевскую премию по химии и физике.

Кроме того, успехи российских ученых убедили американских коллег, работающих в ведущих ускорительных центрах и лабораториях Нового Света, что с ОИЯИ нужно не конкурировать, а тесно сотрудничать. Открытие флеровия, оганесона, теннессина и прочих сверхтяжелых элементов — результат сотрудничества, а не предмет споров между ОИЯИ и учеными из США.

"Что дальше? Понятно, что на этом таблица Менделеева не заканчивается и нужно попробовать получить 119-й и 120-й элементы. Но для этого придется совершить ту же технологическую революцию, которая помогла нам вырваться в лидеры в 1990-е годы, повысить интенсивность пучка частиц на несколько порядков и сделать детекторы настолько же более чувствительными", — подчеркивает физик.

К примеру, сейчас ученые получают один атом флеровия в неделю, обстреливая мишень триллионами частиц в секунду. Более тяжелые элементы (скажем, оганесон) удается синтезировать лишь раз в месяц. Соответственно, работа на нынешних установках потребует астрономически много времени.

Эти трудности российские исследователи рассчитывают преодолеть при помощи циклотрона ДЦ-280, запущенного в декабре прошлого года. Плотность вырабатываемого им пучка частиц в 10-20 раз выше, чем у предшественников, что, как надеются отечественные физики, позволит создать один из двух элементов ближе к концу года.

Первым, скорее всего, синтезируют 120-й элемент, так как калифорниевая мишень, необходимая для этого, уже была подготовлена в американской Национальной лаборатории в Ок-Ридже. Пробные пуски ДЦ-280, нацеленные на решение этой задачи, пройдут в марте этого года.

Ученые считают, что постройка нового циклотрона и детекторов поможет приблизиться к ответу на еще один фундаментальный вопрос: где перестает действовать периодический закон?

Гадания на амальгаме

"Есть ли разница между синтетическим и естественным элементом? Когда мы открываем их и вписываем в таблицу, там ведь не указано, откуда они взялись. Главное, чтобы они подчинялись периодическому закону. Но сейчас об этом, как мне кажется, уже можно говорить в прошедшем времени", — отмечает Оганесян.

Академик поясняет, что электроны в самых близких к ядру оболочках начинают двигаться так быстро, что разгоняются до околосветовых скоростей. В результате увеличивается масса, меняется конфигурация орбит и весь атом ведет себя совершенно не так, как предсказывает классическая теория.

"На первых порах нам казалось, что периодический закон перестанет работать где-то на 123-м элементе, теперь появились намеки на то, что этот момент уже наступил. Разница небольшая, но ее вполне можно увидеть, и она, как мы считаем, как раз связана с этими релятивистскими эффектами", — говорит ученый.

Как показали первые химические эксперименты с ядрами коперниция, элемент-112 ведет себя не так, как ртуть и другие его соседи по периодической таблице. Жидкий металл, как хорошо знали средневековые алхимики, художники и зодчие, растворяет золото, серебро и многие другие металлы, образуя твердые или жидкие сплавы.

"Коперниций может формировать амальгамы, однако они совершенно другие. Обычные сплавы ртути и других металлов распадаются при нагревании до 160 градусов Цельсия, а сплавы с элементом-112 теряют стабильность при нуле градусов. При этом с физической точки зрения различия в поведении электронов у ртути и коперниция крайне малы", — рассказывает Оганесян.

Еще сильнее, по его словам, различия между флеровием и свинцом. Сейчас ученые из Дубны пытаются понять, обладает ли оганесон свойствами благородных газов, однако это не удается выяснить из-за того, что 118-й элемент живет крайне недолго — меньше одной миллисекунды.

Оганесян надеется, что открытие новых сверхтяжелых ядер и их изучение позволит российским физикам и их зарубежным коллегам решить эту проблему, изучить свойства оганесона и дать ответ на один из главных вопросов физики: что именно определяет устройство ядер, взаимодействия нуклонов внутри них и как эти свойства можно предсказывать.

В отличие от атомов, чье поведение очень точно предсказывает квантовая электродинамика, у внутреннего устройства ядер пока нет теоретического описания. Открытие соответствующих принципов заполнит один из самых больших пробелов в современной науке.

"Я уверен, что элементы тяжелее оганесона существуют. В любом случае мы не остановимся на 119-м или 120-м элементе или их ядрах — мы продолжим двигаться дальше, пока нам будет хватать чувствительности. Потом придется создавать новые установки и искать новые пределы", — заключает Оганесян.

По материалам  РИА Новости от 01.02.2019 г