Аппарат для генерирования пучков ионов в Центре исследований тяжелых газов в Дармштадте, с помощью которого происходит синтез сверхтяжелых элементов.

Редкое радиоактивное вещество доставили из Соединенных Штатов в Россию коммерческим рейсом в июне 2009 года. Таможенники отказались пропустить пакет, который был скрыт за свинцовой защитой и украшен предупреждениями и зловещими символами трилистника (знак ионизирующих излучений), отправив его назад на другую сторону Атлантики.

Американские ученые приложили дополнительные сопроводительные материалы, и посылка отправилась во вторую поездку, чтобы снова получить отпор. Все это время ценный груз, 22 миллиграмма элемента под названием берклий, созданный в ядерном реакторе Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси, постепенно терялся. День за днем ​​его атомы распадались. «Мы все были безумно возмущены», — говорит Джули Эзольд, физик-ядерщик из Оук-Риджа.

С третьей попытки посылку растаможили. В лаборатории в Дубне, к северу от Москвы, ученые бомбардировали берклий ионами кальция, пытаясь создать еще более редкое вещество. После 150 дней бомбардировки исследователи обнаружили шесть атомов элемента, который никогда ранее не был замечен на Земле. В 2015 году, после того как другие эксперименты подтвердили открытие, элемент 117, теннесин, занял свое место в таблице Менделеева.


Реактор в Ок-Ридже, в котором и был получен берклий для отправки в Россию.

Ученые надеются продлить периодическую таблицу еще дальше, за пределы теннесина и трех других недавно открытых элементов (113, 115 и 118), которые попали в седьмую строку таблицы. Создание следующих элементов потребует кардинально новых технологий синтеза с использованием сверхмощных пучков ионов — электрически заряженных атомов. Не говоря уже о проблемах доставки большего количества радиоактивных материалов через границы.

Вопросы, связанные с пределами таблицы Менделеева, слишком заманчивы, чтобы не прилагать усилий для ответа на них. 150 лет назад русский химик Дмитрий Менделеев создал свою периодическую таблицу. Тем не менее, «мы до сих пор не можем ответить на вопрос: какой самый тяжелый элемент может существовать?», — говорит химик-ядерщик Кристоф Дюльман из Центра исследований тяжелых ионов в Дармштадте, Германия.

На дальнем краю таблицы Менделеева элементы распадаются практически в момент их формирования, что дает очень мало времени для изучения их свойств. На самом деле, ученые до сих пор мало что знают о последних новооткрытых элементах. Таким образом, в то время как некоторые ученые охотятся за никогда ранее не получаемыми элементами, другие хотят узнать больше о новичках в таблице и странном поведении, которое могут демонстрировать эти сверхтяжелые элементы.

Для таких огромных атомов химия может работать иначе, так как ядра, сердца в центре каждого атома, «распирает» от сотен протонов и нейтронов. Вокруг них кружатся огромные стаи электронов, некоторые из которых движутся со скоростью, близкой к скорости света. Такие экстремальные условия могут иметь серьезные последствия — например, они могут спутать привычный порядок периодической таблицы, в которой элементы в каждом столбце являются близкими родственниками, которые ведут себя схожим образом.


Владислав Щеглов осматривает емкости с берклием после их доставки в Россию.

Ученые продолжают открывать эти сверхтяжелые элементы в поисках того, что поэтично назвали «островом стабильности». Ожидается, что атомы с определенным количеством протонов и нейтронов будут жить дольше, чем их соседи, и сохраняться, возможно, часами, а не долями секунды. Такой остров даст ученым достаточно времени, чтобы более внимательно изучить эти элементы и понять их свойства. Первые проблески этого загадочного острова были обнаружены, но не ясно, как высадиться на его берегах.

Движущей силой всех этих усилий является любопытство — как элементы действуют на границах периодической таблицы? «Это может показаться банальным, но на самом деле это просто чистое научное любопытство», — говорит ядерный химик Дон Шонесси из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии. «У нас есть вещи, которые действительно находятся на краю материи, и мы не понимаем, как они себя ведут».

Каждый химический элемент определяется количеством протонов, которые он содержит. Создайте атом с большим количеством протонов, чем когда-либо прежде, и вы получите совершенно новый элемент. Каждый элемент имеет различные подвиды, известные как изотопы, различающиеся по количеству нейтронов в ядре. Изменение количества нейтронов в ядре атома изменяет тонкий баланс сил, что делает ядро ​​стабильным или заставляет его быстро распадаться. Разные изотопы элемента могут иметь совершенно разные периоды полураспада — то есть период времени, в течение которого половина атомов в образце распадается на более мелкие элементы.

Периодическая таблица Менделеева, представленная Российскому химическому сообществу 6 марта 1869 года, содержала только 63 элемента. Поначалу ученые дополняли ее, выделяя элементы из природных материалов: например, изучая минералы и разделяя их на составные части. Но было очевидно, что это рано или поздно закончится. Все элементы за пределами урана (элемент 92) должны быть созданы искусственно — они не существуют в значительных количествах в природе. Ученые открывают элементы за пределами урана, бомбардируя атомы нейтронами или маленькими атомными ядрами, или же просеивая «ядерные обломки» в результате испытаний термоядерного оружия.



Но, чтобы сделать самые тяжелые элементы, исследователи используют новый подход — грубую силу: бомбардируют тяжелыми атомами цель — диск, который состоит из атомов другого элемента. И, если ученым повезет, атомы в пучке и мишени сливаются, создавая новый атом с более тяжелым ядром, который, возможно, содержит больше протонов, чем любой другой известный.

Исследователи используют эту стратегию для поиска элементов 119 и 120. Ученые хотят создать такие невиданные ранее атомы, чтобы проверить, как далеко заходит периодическая таблица, удовлетворить любопытство о силах, которые удерживают атомы вместе, и понять, какая странная химия может происходить с этими экстремально тяжелыми атомами.

Такой процесс объединения двух легких элементов в новый, более тяжелый, происходит только на узкоспециализированных объектах в нескольких точках земного шара, включая лаборатории в России и Японии. Исследователи тщательно выбирают структуру пучка и цели в надежде создать атом желаемого элемента. Так были созданы четыре новейших элемента: нихоний (элемент 113), московий (115), теннесин (117) и оганесон (118).


Текущий вид таблицы Менделеева. Синим показаны сверхтяжелые элементы, красным — те, которые сейчас активно ищут.

Например, для создания теннесина ученые объединили пучки кальция с мишенью из беркелия — когда, наконец, берклий прошел через таможню в России. Объединение имеет смысл, если учесть количество протонов в каждом ядре. В кальции 20 протонов, а в беркелии — 97, что в сумме составляет 117 протонов: количество, найденное в ядре теннесина. Объедините кальций со следующим элементом в таблице, калифорнием, и вы получите элемент 118, оганесон.

Использование пучков кальция — в частности, стабильного изотопа кальция с общим числом протонов и нейтронов, равным 48, известного как кальций-48 — было очень успешным. Но для создания сверхтяжелых ядер потребовались бы все более экзотические материалы. Калифорний и берклий, использовавшиеся в предыдущих работах, настолько редки, что целевые материалы приходилось изготавливать в Ок-Ридже, где исследователи «варят» материалы в ядерном реакторе в течение нескольких месяцев и тщательно обрабатывают выходящий высокоактивный продукт. Вся эта работа может производить только миллиграммы материала.

Чтобы обнаружить элемент 119 с использованием пучка кальция-48, исследователям понадобится мишень из эйнштейния (элемент 99), который встречается еще реже калифорния и берклия. «Мы не можем сделать достаточно эйнштейния», — говорит физик Джеймс Роберто из Оук-Риджа. Ученым нужен новый подход. Они переключились на новые, пока еще непроверенные методы, основанные на использовании различных пучков частиц. 


Процесс получение оганесона: бомбардировка ионами кальция мишени из калифорния.

Но любой новый подход должен позволять производить новые элементы достаточно часто, чтобы иметь смысл. Японскому эксперименту потребовалось почти девять лет, чтобы доказать существование нихония. За это время исследователи обнаружили признаки синтеза этого элемента всего три раза.

Чтобы избежать такого долгого ожидания, ученые тщательно выбирают свою тактику и приборы, чтобы ускорить поиск. Команда из центра RIKEN недалеко от Токио использует пучки ванадия (элемент 23), а не кальция, бомбардируя ими мишень из кюрия (элемент 96), в надежде найти элемент 119 и обрести славу. Группа начинала с существующего ускорителя и вскоре переключится на более новый ускоритель, модернизированный для откачки ионных пучков, что должно усилить бомбардировку. Этот обновленный ускоритель должен быть готов в течение года, говорит ядерный химик из RIKEN Хиромицу Хаба.

Между тем, новая лаборатория в Объединенном институте ядерных исследований, или ОИЯИ, в Дубне, называемая Заводом сверхтяжелых элементов, может похвастаться ускорителем, который будет запускать пучки ионов, которые бьют по цели в 10 раз быстрее, чем его предшественник. В предстоящем эксперименте ученые планируют направить пучки атомов титана (элемент 22) в мишени из берклия и калифорния, чтобы попытаться получить элементы 119 и 120.


Установка в Дубне, с помощью которой будут синтезировать элементы с индексами 119 и 120.

Как только новый эксперимент ОИЯИ будет запущен, элемент 119 может быть обнаружен через пару лет, говорит физик-ядерщик ОИЯИ Юрий Оганесян, в честь которого был назван один из открытых там элементов — оганесон.

На этом мы заканчиваем первую часть статьи — во второй (и заключительной) поговорим о том, есть ли конец у таблицы Менделеева, и как в открытие новых элементов вмешивается теория относительности Эйнштейна.