Введение
Количество разных химических элементов чем-то ограничено или может увеличиваться без ограничений? Почему в тяжелом атоме, с ядром, начиненным положительными протонами, электрические силы отталкивания не разрывают ядро на части? Ответ, подтвержденный экспериментом, состоит в том, что существует не подозревавшееся ранее, притягивающее взаимодействие протонов, которое аннулирует отталкивание и сохраняет ядро в целости. Притягивание оказывается сильнее электромагнитного взаимодействия отталкивания его стали называть «сильным». Но вдали от ядра атома следы такого взаимодействия не обнаруживаются, следовательно, его радиус действия мал.
Этим Джон Гриббин, в работе Вселенная: Биография, Penguin Books / Allen Lane, Великобритания, 2007, стр. 11.объяснил отсутствие ядер крупнее урана. Существуют два разных макета Стандартной модели, которая, как известно, является кратким изложением понимания физиками строительных блоков материи (фермионов) и сил, склеивающих их вместе (бозонов). Стандартная модель также, как Периодический закон, является периодической и имеет три поколения (периода) фермионов (I, II, III) с повторяющимися для каждого зарядовыми и спиновыми свойствами.
По одной из гипотез, учитывающих предельные релятивистские эффекты, о том, что ни один электрон, вращающийся вокруг атомного ядра SHE, не может иметь скорость, равную или превышающую 0,92c (где c — скорость света), без значительного увеличения вероятности захвата электрона (т. е. обратного бета-распада) этим атомным ядром.
Гипотеза положена в основание статьи доктора Ф. В. Джакоббе, опубликованной в Electronic Journal of Theoretical Physics ( www.ejtp.com) .) (№1, 2004 г.), в которой предлагается «метод оценки максимально возможного атомного номера (т. е. значения Z), которым могут обладать относительно стабильные сверхтяжелые элементы (СТЭ).
О силах природы
Основу вещества в нашем мире образует неорганическая материя – химические элементы. Их устройство подчинено действию известных человечеству сил.
В физике известны четыре вида взаимодействий:
сильное ядерное взаимодействие;
слабое ядерное взаимодействие;
электромагнитное взаимодействие;
гравитационное взаимодействие.
Для удобства теоретического построения и описания теории частицы–переносчики классифицируют (искусственно) на четыре класса. Мировая физика стремится создать объединенную теорию, которая представит все четыре взаимодействия как разные проявления единственного взаимодействия. Это стремление можно назвать главной целью современной физики.
Самое мощное взаимодействие из всех сильное ядерное взаимодействие. Человек не сталкивается с ним непосредственно. Оно ответственно за удержание кварков внутри протонов и нейтронов и не дает протонам и нейтронам покинуть ядро атома. Это та сила, которая скрепляет большую часть окружающего нас мира. При ее отсутствии отталкивание положительно заряженных протонов разорвало бы все атомные ядра во Вселенной, кроме ядер водорода, состоящих из одного протона. Переносчиком сильного ядерного взаимодействия считается глюон – частица, которая взаимодействует только сама с собой и с кварками. При бомбардировке ядер протонами они просто отталкиваются протонами ядра, если их энергия недостаточна для преодоления этого отталкивания. Э. Ферми стал экспериментировать с нейтронами (не имеют заряда), которым силы отталкивания не мешали проникать в ядра, но их энергия не могла быть увеличена ускорениями в циклотронах.
Следующее по силе слабое ядерное взаимодействие. Оно также не имеет непосредственного отношения к нашему повседневному опыту, но это та самая сила, которая отвечает за самопроизвольный распад атомных ядер, за радиоактивность. В 1967 году два автора Абдус Салам и Стивен Вайнберг (Нобелевская премия 1979) независимо друг от друга предложили теории, которые объединяли слабое ядерное взаимодействие с электромагнитным, подобно тому, как ранее (1865), Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме. Теоретические предсказания подтвердились с очень высокой точностью.Частицами-переносчиками этого взаимодействия являются бозоны, обладающие значительной массой.
Электромагнитное взаимодействие следующее по силе. Оно возникает между электрически заряженными частицами, такими как электроны и кварки, но не влияющее на нейтральные частицы типа нейтрино. Электрический заряд может быть положительным и отрицательным. Частицы с одинаковым по знаку зарядом отталкиваются, а с разным знаком заряда – притягиваются. Электрические силы между двумя электронами во много раз сильнее гравитационных сил. Такие тела как Солнце или планеты содержат почти равное число положительных и отрицательных зарядов, поэтому силы отталкивания и притяжения между отдельными частицами практически уравновешивают друг друга и результирующая электрическая сила очень невелика.
В масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Эти силы удерживают электроны на орбите вокруг ядра атома, так же как гравитационное притяжение заставляет Землю обращаться вокруг Солнца. Электромагнитное притяжение объясняется обменом большим количеством частиц, называемых фотонами. Эти фотоны – виртуальные частицы. Но когда электрон перемещается с одной орбиты на другую, более близкую к ядру, высвобождается энергия и испускается реальный фотон. При перемещении на более высокую орбиту электрон поглощает поступающий в атом фотон. Эти фотоны может регистрировать даже человеческий глаз, если частота фотона соответствует видимому спектру. Другим детектором таких фотонов может быть фотопленка.
Гравитационное взаимодействие – самое «слабое» из всех. Это универсальная сила, так как каждая частица испытывает на себе действие гравитации соразмерно своей массе или энергии. Под гравитационным притяжением понимают обмен виртуальными частицами, называемыми гравитонами. Человек замечает гравитацию благодаря двум ее свойствам: она может действовать на очень больших расстояниях, и она всегда притягивает. Это означает, что самые слабые гравитационные взаимодействия между отдельными частицами таких двух больших тел как Солнце и Земля способны складываться в суммарную, весьма существенную силу. Три ранее рассмотренные силы либо короткодействующие, либо могут, как притягивать, так и отталкивать, а потому обнаруживают тенденцию к взаимному погашению.
Повторяемость свойств элементов
На настоящий момент на Земле известно 118 химических элементов. Их все включает Периодическая таблица Менделеева. Как устроена таблица химических элементов (таблица Менделеева 1869 г.) известно всем. Имеются несколько отличающиеся одно от другого представлений таблиц, но существо при этом не меняется. Таблица представляется редким в науке примером естественной классификации объектов, а именно – химических элементов. Структурными элементами таблицы являются периоды от 1-го до 7-го и группы элементов от 1-й до 8-й. Часть периодов разбита на ряды. Каждый из элементов таблицы занимает своё место в зависимости от атомного числа. Оно показывает, сколько протонов содержит ядро атома элемента и сколько электронов в атоме движутся (находятся) вокруг него. Атом каждого последующего элемента содержит на один протон больше, чем предыдущий.
Периоды — это строки таблицы. На данный момент их семь. У всех элементов одного периода одинаковое количество заполненных электронами энергетических уровней.
Группы — это столбцы таблицы. В группы в Периодической таблице объединяются элементы с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. В кратком варианте таблицы, используемой в школьных учебниках, элементы разделены на восемь групп. Каждая из них делится на главную (A) и побочную (B) подгруппы, которые объединяют элементы со сходными химическими свойствами.
Таблица отображает закон природы, включающий все известные элементы и прогнозируемые места (позиции) для новых неизвестных неоткрытых еще элементов.
Сейчас таблица ограничена седьмым периодом. Возникает вопрос – это ограничение принципиальное или возможно продолжение? Если продолжение возможно, то каким оно будет? Седьмой период включает 32 элемента. Логично было бы предположить, что подобно другим большим периодам, в частности седьмому восьмой период будет включать также 32 элемента.
Однако в 1968 г. член-корреспондент АН СССР В.И. Гольданский выдвинул гипотезу о ином строении восьмого периода. Согласно гипотезе новый период должен содержать не 32 элемента, а 50 элементов. Как рождаются такие гипотезы? Что делает их необычными?
Автор объяснял свою гипотезу следующим. Ученым казалось, что вопрос о химических свойствах труднодостижимых элементов восьмого периода – чисто схоластический. У физиков были надежды получить изотопы еще нескольких новых элементов, примерно до №118, но считалось, что химикам с ними будет делать нечего: слишком мало будет время жизни новых ядер.
Однако со временем появились более оптимистические прогнозы, теоретики вычислили возможность существования «островов стабильности». Этому способствовали методы радиохимии, которые становились все более быстрыми. Новые элементы в реальности получать все труднее. И тем не менее есть основания ожидать «скачка» в далекую трансурановую область. Седьмой период заканчивается элементом №118, значит, один из предполагаемых «обитателей» «остров стабильности» – элемент №126 – это уже элемент восьмого периода.
«Группа ученых из лаборатории Беркли, объявившая два года назад (1999 г.) о наблюдении того, что оказалось элементом 118 — самым тяжелым неоткрытым трансурановым элементом в то время, — отозвала свою первоначальную статью после того, как несколько подтверждающих экспериментов результаты не смогли воспроизвести». Лаборатория Беркли, Калифорния, 27 июля 2001 г.
Процитируем физика Джериса А. Рихани «В какой-то момент стабильность орбитальных электронов в обычном смысле должна быть нарушена, поскольку к ядру добавляется больше протонов. Следовательно, существует критический атомный номер или диапазон атомных номеров, который представляет собой конец периодической таблицы. Следует отметить, что эта цель отделена, по крайней мере с философской точки зрения, от вопроса о стабильности самого ядра, т. е. стабильность ядра — это не то же самое, что стабильность электронных оболочек Максимальный атомный номер, согласно современным теориям , лежит где-то между 170 и 210. Однако в практическом смысле конец периодической таблицы наступит намного раньше из-за ядерной нестабильности (возможно, при Z = 120 или раньше)». Трансурановые элементы, Британская энциклопедия, 1999–2000 гг. (Britannica.com).
Новые периоды таблицы Д.И. Менделеева
Не исключено, что химикам в недалеком будущем придется столкнуться с элементом или даже с элементами восьмого периода. К этим элементам у химиков должен быть теоретический «ключ». А ключ только один – периодическая система Д.И. Менделеева, ее строжайшая логика и основанное на этой логике ее дальнейшее развитие.
Электронная конфигурация. Организация электронов в атомах демонстрирует определённый повторяющийся периодический образец. Электроны занимают последовательность оболочек, которые идентифицируются числами (оболочка 1, оболочка 2 и т. д.), а те, в свою очередь, состоят из подуровней, определяемых литерами s, p, d, f и g. По мере увеличения атомного числа электроны постепенно заполняют эти оболочки; каждый раз, когда электрон впервые занимает новую оболочку, начинается новый период в таблице. Сходства в электронной конфигурации обусловливают подобие свойств элементов (наблюдение за которыми, собственно, и привело к открытию периодического закона)
Основанием к сказанному можно считать результаты теории оболочечного строения ядра. В 1963 г. авторы теории М. Гепперт-Майер и Г. Иенсен были удостоены Нобелевской премии. Согласно этой их теории в ядре как и в атоме, могут быть случаи предельного заполнения определенных оболочек. Только, если в атоме – это электронные оболочки, то здесь – протонные и нейтронные.
Возникло понятие «магические числа»: 2, 8, 20, 28,50, 82, 126, 184 и др., о которых много писали в журналах и газетах тех лет, как раз отвечают случаям предельного заполнения ядерных протонных и нейтронных оболочек в ядре. Возьмем лишь два из таких магических чисел 126 и 184. Значит у изотопа 310126, ядро которого содержит 126 протонов и 184 нейтрона, время жизни должно быть значительно больше, чем у других ядер далекой трансурановой области. Он же «дважды магический».
И возможно, что где-то в этой же области есть менее «живучие», но все-таки приемлемые (по времени жизни) для химических исследований изотопы.
Из гипотезы вытекает, что восьмой период будет сверхбольшим ( 50 элементов). Для него просматривается нарушение аналогии, на которой построены предыдущие закономерности периодического закона. Но как раз закономерности системы Менделеева, примененные к восьмому периоду, позволяют предсказать не аналогию, а отличие нового периода от существующих. Объяснить это возможно только с привлечением положений квантовой химии.
Известен длиннопериодный вариант таблицы Менделеева, в котором лантаноиды и актиноиды не занимают отдельных строк. Эта таблица (рис. 1) основана на том, что s- и р-элементы, составляющие основные подгруппы всех групп, отделены от d-элементов побочных групп. Лантаноиды и актиноиды – f-элементы.
В восьмом и девятом периодах, согласно опущенным квантовомеханическим расчетам, помимо всех элементов должны быть еще и g-элементы, по 18 элементов. Впервые появляется совершенно новое семейство химических элементов, которое было названо октадеканидами (от латинского слова, означающего число 18).
Сходство химических свойств у октадеканидов по прогнозу должно быть даже большим, чем у лантаноидов и актиноидов. Так у лантаноидов отличия в строении электронных оболочек существует лишь в третьей, если считать снаружи, оболочке, то у октадеканидов – лишь в четвертой. Для лантаноидов ближайшим аналогом, своего рода «образцом поведения», служит иттрий, то для октадеканидов – актиний.
Таким образом, прогнозируемый №126-й элемент химически окажется одним из «сверхблизнецов». Может оказаться, что и у соседних элементов будут относительно стабильные изотопы. При этом возникает новый ворох проблем: химикам придется решать проблемы «сверхразделения» и ряд не менее трудных других проблем.
Элемент №126 будет одним из октадеканидов и химикам, которые будут его изучать, нужно, наверное, ожидать встречи с тяжелым трехвалентным металлом, очень похожим как на актиний, так и на соседние с №126 элементы.
Все до сих пор не обнаруженные (или не подтверждённые) элементы уже именуются Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) согласно временной системе обозначений; данное обозначение применяется до тех пор, пока открытие соответствующего элемента не будет подтверждено, а самому элементу не будет присвоено официальное название.
С помощью компьютерных расчётов учёные попытались определить строение атомов и оценить важнейшие свойства таких «сверхэлементов», вплоть до огромных порядковых номеров (Z = 172 и даже Z = 184). Полученные результаты оказались весьма неожиданными. Например, в атоме элемента с Z = 121 предполагается появление 8р-электрона, это после того, как в атомах с Z = 119 и 120 завершилось формирование 8s-подоболочки. А ведь появление р-электронов вслед за s-электронами наблюдается только в атомах элементов второго и третьего периодов. Расчеты показывают также, что у элементов гипотетического восьмого периода заполнение электронных оболочек и подоболочек атомов происходит в очень сложной и своеобразной последовательности (рис. 2).
Согласно расчётам, 8-й период должен завершаться у элемента с Z = 164, то есть на 4 порядковых номера раньше, чем предсказывает гипотеза. А новый вариант таблицы с добавленными 8-м и 9-м периодами должен выглядеть так, как показано на рис.1.
Заключение
Можно предположить, что все разнообразие материи (ее проявления) укладывается в Периодический закон. Таблица Менделеева выступает как некий алгебраический базис материального мира (векторного пространства), а линейные комбинации векторов этого базиса порождают все другие векторы (элементы) пространства. Известно,что сами химические элементы устроены из одинаковых частиц (кварков, электронов и др.). Более того, известно, что элементы образуют монотонную (линейную) цепочку атомов, отличающихся от соседних лишь единственным протоном в ядре атома, а также заполнением энергетических оболочек электронами. С другой стороны, одни атомы можно превращать в другие, или раскалывать их на другие. Это разрушает концепцию базиса, так как показывает зависимость исходных "вектороов".
Наши органы чувств и построенные человеком приборы воспринимают линейные комбинации базисных элементов, творимые природой и\или разумом человека, как различные, либо как одинаковые, не задаваясь вопросами о причинах сходства\различия. При таком взгляде на материальный мир легко предположить, что нас самих и все что нас окружает возможно подвергнуть утилизации, преобразованию в атомы водорода.
Впрочем, наука нам объясняет, что все как раз с этого и начиналось, а эволюция материи вместе с той бабочкой привела мир к тому, что мы сегодня имеем и воспринимаем и осязаем.
Литература
1. jeries.rihani.com ptable — orbital— Расширенная периодическая таблица элементов. 2. James Hodge. Extended elements: new periodic table // Highlights in Chemical Scienc 3. Менделеев Д. И. Периодическая законность химических элементов //
Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1898. — Т. XXIII. — С. 311—323.
4. Менделеев Д. И. Попытка химического понимания мирового эфира. СПб., 1905.
5. Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1973. — 208 с.
6. Дружинин П.А. Загадка «Таблицы Менделеева»: История публикации открытия Д. И. Менделеевым Периодического закона. — Москва: Новое Литературное Обозрение, 2019. — 164 с. — ISBN 978-5-4448-0976-1.
7. Дудин С. А. Атлас-определитель главных минералов и горных пород. — Екатеринбург: Издательские решения, 2016. — 78 с.
8. Евдокимов Ю., кандидат химич. наук. К истории периодического закона. Наука и жизнь, № 5 (2009), С. 12—15.
9. Крицман В. А., Станцо В. В. Энциклопедический словарь юного химика / Ведущий редактор Минина Т. П. — 2-е изд., испр. — М.: Педагогика, 1990. — 320 с. — (ЭС). — ISBN 5-7155-0292-6. 10. Макареня А. А., Рысев Ю. В. Д. И. Менделеев. — М.: Просвещение, 1983. — 128 с.
11. Макареня А. А., Трифонов Д. Н. Периодический закон Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1969. — 160 с.
12. Некрасов Б.В. Основы общей химии. — 3-е изд. — М.: Химия, 1973. — Т. 1. — 656 с.
13. Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1963. — Т. 1. — 920 с.
14. Scerri E. R. The Periodic Table: Its Story and Its Significance (англ.). — N. Y.: Oxford University Press, 2007. — 368 p. — ISBN 978-0-19-530573-9.
