Продолжаем говорить о таблице Менделеева — с первой частью статьи можно ознакомиться здесь.
Простое обнаружение элемента не означает, что ученые много знают о его свойствах. «Как бы вел себя один килограмм флеровия, если бы он у меня был?» — спрашивает Дюльман, ссылаясь на элемент 114. «Это будет непохоже на любой другой материал».
Известные сверхтяжелые элементы — те, которые стоят за номером 103 в таблице — слишком недолговечны, чтобы создать кусок, достаточно большой, чтобы держать его на ладони. Поэтому ученые ограничиваются изучением отдельных атомов, знакомясь с каждым новым элементом путем анализа его свойств, в том числе того, насколько легко он реагирует с другими веществами.
Один большой вопрос заключается в том, относится ли периодичность, которая легла в название таблицы, к сверхтяжелым элементам. В таблице элементы упорядочены в соответствии с количеством протонов в них и расположены таким образом, чтобы элементы в каждом столбце имели схожие свойства. Например, литий, натрий и другие металлы первой группы бурно реагируют с водой. Элементы в последнем столбце, известные как благородные газы, отличаются инертностью. Но для самых новых, самых тяжелых элементов на конце таблицы Менделеева это давнее правило химии может распасться: некоторые сверхтяжелые элементы могут вести себя иначе, чем их соседи по столбцу.
Для ядер, имеющих более чем 100 протонов, все большее значение имеет непривычная нам квантовая физики. Электроны, летающие вокруг этих гигантских ядер, могут иметь скорости до 80% световой. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, когда частицы движутся так быстро, кажется, что они набирают массу. Это свойство меняет то, насколько близко электроны могут подлетать к ядру, и, как результат, насколько легко атомы делятся электронами, вызывая химические реакции. В таких атомах «правила относительности и общепринятые законы рушатся», — говорит физик-ядерщик Витольд Назаревич из Мичиганского государственного университета в Восточном Лансинге. «Мы должны написать новые учебники по этим атомам».
Сравнение оганесона и углерода: 118 протонов против 6.
Некоторые из более знакомых элементов периодической таблицы уже подвержены влиянию специальной теории относительности. Теория объясняет, почему золото имеет желтоватый оттенок, а ртуть жидкая при комнатной температуре. «Без относительности машина не заводилась бы», — говорит химик-теоретик Пекка Пийккё из Хельсинкского университета. Реакции, которые приводят в действие автомобильный аккумулятор, зависят от специальной теории относительности.
Влияние относительности может возрасти по мере продвижения ученых по периодической таблице. В 2018 году в Physical Review Letters Назаревич и его коллеги сообщили, что оганесон может быть очень странным. Самый тяжелый элемент таблицы на данный момент, он находится среди инертных газов, которые избегают реакций с другими элементами. Но теоретические расчеты показывают, что оганесон противостоит этой тенденции и вместо этого может быть более активным.
Химия оганесона — горячая тема, но ученые еще не смогли напрямую исследовать его свойства с помощью экспериментов, потому что он слишком редок и быстро распадается. «Все теоретики сейчас бегают вокруг этого элемента, пытаясь делать впечатляющие прогнозы», — говорит химик-теоретик Валерия Першина из Института тяжелых газов. Аналогичным образом, некоторые расчеты показывают, что флеровий также может нарушить привычный уклад таблицы, будучи относительно инертным, хотя он обитает в том же столбце, что и более активные элементы, такие как свинец.
Химики пытаются проверить расчеты того, как ведут себя сверхтяжелые элементы. И в этих химических экспериментах нет ничего традиционного. Ученые не проводят их в белых халатах с колбами и бунзеновскими горелками. «Поскольку мы получаем эти элементы по одному атому за раз, мы не можем делать то, что большинство людей считает химией», — говорит Шонесси из Ливерморской лаборатории.
FIONA — установка в Беркли, с помощью которой нашли массу элементов 113 и 115.
Эксперименты идут всего с несколькими атомами и могут длиться месяцами, дабы получить эти атомы. Ученые связывают эти атомы с другими элементами, чтобы увидеть, как они с ними реагируют. В Институте тяжелых газов Дюльман и его коллеги изучают, прилипает ли флеровий к золотым поверхностям. Точно так же Шонесси и его коллеги проверяют, будет ли флеровий налипать на кольцевые молекулы, выбранные таким образом, чтобы тяжелый элемент мог поместиться в кольце молекулы. Эти исследования позволят проверить, насколько легко флеровий связывается с другими элементами, и показывают, ведет ли он себя так, как ожидалось, исходя из его места в периодической таблице.
К тому же, эти химические реакции могут просто не работать для сверхтяжелых элементов. Атомные ядра могут быть искривлены в различные формы, когда они имеют настолько большое число протонов. Так, у оганесона может быть «пузырь» в его ядре, с меньшим количеством протонов в его центре, чем на его краях. Еще более экстремальные ядра могут иметь форму пончиков, говорит Назаревич.
Даже самые основные свойства этих элементов, такие как их масса, должны быть измерены экспериментально. В то время как ученые оценили массы различных изотопов последних новых элементов используя косвенные измерения, аргументы в пользу этих оценок не были «железобетонными», говорит Джеклин Гейтс из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Калифорния. «Они зависят от физики, а не от неожиданного поворота событий».
Таким образом, Гейтс и его коллеги напрямую измерили массы изотопов нихония и московия с помощью ускорителя в Беркли. Прибор под названием FIONA помог исследователям измерять массы благодаря электромагнитным полям, которые направляли ион каждого элемента на детектор. Место попадания каждого иона указывало, насколько он был массивным.
Сверхтяжелые элементы (серые) на фоне острова стабильности.
Исследованный учеными изотоп нихония имел массовое число 284, что означало, что в его ядре было в общей сложности 284 протона и нейтрона. Массовое число московия составило 288. Эти массы были такими, как и предсказывалось, сообщили ученые в ноябре в Physical Review Letters. Потребовалось около месяца, чтобы найти по одному атому каждого элемента.
Если бы исследователи могли уговорить эти мимолетные элементы жить дольше, изучение их свойств могло быть куда проще. Речь идет об легендарном острове стабильности — ученые надеются, что изотопы на этом острове, которые будут иметь большое количество нейтронов, смогут прожить достаточно долго, чтобы их химию можно было изучить более подробно.
Когда в 1960-х годах была предложена идея острова стабильности, ученые предположили, что изотопы на его берегах могут жить миллионы лет. Достижения в теоретической физике с тех пор сильно уменьшили этот период, говорит Назаревич. Вместо этого физики-ядерщики теперь ожидают, что жители острова смогут прожить минуты, часы или, может быть, даже целый день — почти вечность для сверхтяжелых элементов.
Чтобы достичь острова стабильности, ученые должны создать новые изотопы известных элементов. Исследователи уже знают, в каком направлении им нужно грести: они должны втиснуть больше нейтронов в ядра сверхтяжелых элементов, которые уже были обнаружены. В настоящее время ученые не могут создать атомы с достаточным количеством нейтронов, чтобы достичь центра острова, где, ожидается, изотопы будут наиболее стабильными. Но признаки существования этого острова уже ясны. Периоды полураспада сверхтяжелых элементов, как правило, стремительно растут, когда ученые собирают больше нейтронов в каждое ядро, приближаясь к острову. Например, период полураспада флеровия увеличивается почти в 700 раз при добавлении к нему еще пяти нейтронов, с трех миллисекунд до двух секунд.
Достижение этого острова «является нашей большой мечтой», говорит Хаба. «К сожалению, у нас нет очень хорошего способа добраться до острова». Считается, что этот остров сконцентрирован вокруг изотопов, которые имеют около 184 нейтронов и что-то вроде 110 протонов. Создание таких нейтронно-богатых ядер потребовало бы новых сложных методов, таких как использование пучков радиоактивных частиц вместо стабильных. По словам Хабы, хотя на RIKEN можно производить радиоактивные лучи, они недостаточно интенсивны, чтобы создавать новые элементы с разумной скоростью.
Чтобы полностью понять крайности природы, ученые хотят знать, где заканчивается периодическая таблица. «Все знают, что когда-нибудь наступит конец», — говорит Дюльман. «В конечном итоге будет найден самый тяжелый элемент». Таблица будет закончена, когда мы обнаружим все элементы с изотопами, которые живут не менее одной сотой триллионной доли секунды. Это предел того, что считается элементом в соответствии со стандартами, установленными Международным союзом прикладной химии. Эфемерные ядра, живущие меньший промежуток времени, банально не успеют собрать вокруг себя электроны. А поскольку обмен электронами является основой химических реакций, одинокие ядра не будут ни с чем реагировать, поэтому и не заслуживают места в таблице.
RIKEN — линейный ускоритель в Японии, на котором нашли 113 элемент. Сейчас переоборудуется для нахождения 119 элемента.
«Где именно все закончится, сказать сложно», — говорит Назаревич. Расчеты того, как быстро ядро распадется в результате деления на две части, являются неопределенными, что затрудняет оценку того, как долго элементы могут жить, без их непосредственного синтеза.
В итоге финальный вид таблицы может содержать дыры или другие странные особенности. Это может произойти, если в ряду элементов есть один, для которого ни один из изотопов не является стабильным достаточно долго, чтобы считаться элементом.
Другая особенность: сейчас все элементы таблицы последовательно выстроены по увеличению числа протонов, однако в будущем этот строй может нарушиться. Например, элемент 139 может находиться справа от элемента 164, если такие тяжелые элементы действительно существуют. Это связано с тем, что специальная теория относительности изменяет нормальный порядок, по которому электроны заполняют энергетические уровни — механизм, определяющий, как электроны вращаются вокруг атома. Именно эта схема заполнения уровней и придает периодической таблице ее форму, а необычное заполнение электронных уровней может означать, что ее вид придется менять.
Но, вполне возможно, ученые достигнут предела возможностей по созданию более тяжелых элементов раньше, чем придется менять под них таблицу. Когда элементы живут всего доли секунды, даже полет атома к детектору может занять слишком много времени: элемент может распасться еще до того, как его обнаружат.
На самом деле, нет ясного представления о том, как искать элементы за пределами 119 и 120. Но картина кажется мрачной только нам. «Мы не должны недооценивать следующие поколения. У них могут быть умные идеи. У них будут новые технологии», — говорит Дюльман. «Каждый следующий элемент всегда самый сложный. Но, вероятно, он не последний».
