Сегодня я вновь затрону полюбившуюся моим читателям тему знаковых иллюстраций в науке и напомню об одной из важнейших идей на стыке химии и физики, появившихся в XX веке. Это недостижимый (пока?) «остров стабильности» — область дальних трансурановых химических элементов, период полураспада которых значительно дольше, чем у более лёгких атомов, расположенных между ураном и «ближней отмелью» этого «острова». Гипотеза о существовании «острова стабильности» была выдвинута в середине 1960-х, а получением элементов, теоретически расположенных на этом «острове» в 2000-2010 занимались группы физиков из Дубны, Дармштадта и Ливермора. Благодаря их усилиям удалось достроить последний полный период таблицы Менделеева, известный в настоящий момент. Он начинается с франция (Fr), открытого в 1937 году и радия (Ra), открытого в 1898 году, а заканчивается оганесоном (Og), открытым в 2002-2005 годах под руководством Юрия Цолаковича Оганесяна.
Обратите внимание: радий расположен на одну клетку правее франция, а получен был почти на 40 лет ранее. Кроме того, торий, уран и плутоний обладают значительно более долгоживущими изотопами, чем расположенные выше них полоний, астат и франций, до сих пор в изобилии встречаются в природе. Что касается урана, ещё примерно 3 миллиарда лет назад его было на Земле настолько много, что в районе современного Габона действовали один-два естественных ядерных реактора. Таким образом, длительность полураспада изотопов после урана меняется нелинейно. Этот феномен Оганесян проиллюстрировал знаменитой картой Острова Стабильности и расположенного перед ним архипелага:
Уже в начале XX века физики выяснили, что масса атомного ядра меньше, чем суммарная масса тех протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Эта разница приходится на энергию связи ядра. Эта энергия выше в некоторых ядрах, где комбинация из определённого числа протонов с определённым числом нейтронов даёт одно из «магических чисел». Напомню, что во всех изотопах одного химического элемента количество протонов одинаковое, но количество нейтронов отличается. Более того, протоны и нейтроны в ядре не пребывают в покое, а движутся по собственным энергетическим оболочкам, напоминающим электронные. «Магические числа» впервые стала исследовать Мария Гёпперт-Майер в 1940-е годы, и в 1946 году предложила модель (периодическую, как и система Менделеева), при которой атомы с определённым числом протонов являются «магическими», а если в них при этом содержится и подходящее количество нейтронов — дважды магическими. В следующей таблице N — это нейтроны, а Z — это протоны:
Соответственно, наиболее стабильными элементами должны являться гелий (2), кислород (8), кальций (20), никель (28), олово (50), свинец (82) и гипотетический на тот момент элемент 114. Самым устойчивым элементом должен быть изотоп свинца-208, в котором содержится ровно 82 протона и 126 нейтронов. Действительно, это самый тяжёлый нерадиоактивный изотоп, известный в природе. Теперь, вернувшись к образной «карте» Оганесяна, вы заметите, что кальций, олово и свинец он обозначает в виде пиков, а уран и торий — в виде гор. Периодический закон подсказывает, что за «морем нестабильности» может быть скрыт «остров стабильности», на котором находятся сверхтяжёлые атомные ядра. Рассмотрим, как соотносятся атомный вес и периоды полураспада самых тяжёлых элементов, открытых к настоящему времени, условно — от резерфордия (104) до оганесона (118) — по данным Википедии.
Как видим, пиковый всплеск полураспада наблюдается у рентгения и коперниция — элементов 111 и 112, расположенных в таблице Менделеева ровно под золотом и ртутью. В соответствии с периодическим законом, рентгений также может проявлять свойства благородного металла, а коперниций — жидкого металла, но проверить это пока невозможно, поскольку эти вещества не удаётся получить в макроскопических количествах. В конце этого «атолла стабильности» расположен коперниций-285, который имеет 112, а не 114 протонов. В его атоме содержится 173 нейтрона, то есть до магического числа в 184 нейтрона всё ещё далеко. Поэтому в настоящее время в научном сообществе всерьёз не ожидают найти в следующем периоде таблицы Менделеева полноценно стабильные элементы.
Уточнение карты сверхтяжёлых элементов
Сейчас, когда седьмой период достроен, существенно пересматриваются прогнозы о том, что нас ждёт впереди. Резкое сокращение периода полураспада у теннессина и оганессона означает, что «островок» рентгения и коперниция мы уже миновали. С другой стороны, более крупный остров стабильности может располагаться ближе к атому с 184 нейтронами. Ядра сверхтяжёлых элементов могут существовать в условиях, серьёзно отличающихся от типичных для Земли, а также не воспроизводимых пока в лаборатории. Спектральный анализ подсказывает, что следы сверхтяжёлых элементов могут наблюдаться в газопылевых облаках, образующихся после взрывов сверхновых. Кроме того, вкрапления таких элементов логично искать на поверхности нейтронных звёзд.
В течение последних 50 лет поиск новых элементов уверенно перешёл из области химии в область физики. Работа осложняется тем, что современные методы позволяют получить считанные атомы с искомым составом ядра и атомным весом. Зачастую с ними просто не успевают провести химические опыты сложнее, чем, по выражению уважаемого @MeurglysIII, «просто бросить в солянку». Последним химическим элементом, открытым химиками, был дубний (105 протонов), полученный в 1968 году методом газовой термохроматографии. Кроме того, особняком стоит сиборгий (106 протонов), полученный методом ядерного синтеза при облучении атомов свинца (82 протона) ускоренными ионами хрома (24 протона), фактически «суммированием» этих атомов. Все более тяжёлые ядра получены с применением мощных электромагнитных разделителей, при помощи которых ядра нового элемента отводятся как от пучка частиц, так и от массы возникающих в процессе «осколков». Далее очищенные таким образом сверхтяжёлые элементы попадают в детектор на основе кремния, где регистрируется их распад. Именно так были получены нихоний (Nh 113 протонов), московий (Mc 115 протонов), теннессин (Ts 117 протонов) и оганесон (Og 118 протонов). Оганесон, подобно сиборгию, стал вторым элементом, названным в честь ныне живущего учёного — Юрий Цолакович Оганесян родился 14 апреля 1933 года.
Сегодня для получения новых изотопов (или хотя бы для повышения шансов на возникновение сверхтяжёлого ядра) требуются две вещи: во-первых, интенсивный пучок тяжёлых ионов, а во-вторых — максимально стабильная мишень из актиноида, которая не разрушалась бы в ходе облучения. Облучение может длиться более месяца. Постепенно мишень обогащается всё более тяжёлыми изотопами. Размер мишени постепенно увеличивается, то есть облучаемый металл постепенно добавляют к имеющейся порции.
В начале нового периода, с элемента 121, должен начаться новый «нижний» ряд, расположенный под актиноидами так, как актиноиды расположены под лантаноидами. Семейства лантаноидов и актиноидов возникают за счёт того, что электроны в атомах этих элементов могут размещаться на дополнительной f-орбитали, которая не наблюдается выше шестого периода. В восьмом периоде ожидается открытие следующей g-орбитали, благодаря которой «суперактиноиды» могут приобрести новые физические свойства. Исследовать химические свойства таких веществ вряд ли удастся, удовлетворившись их экстраполяцией в соответствии с периодическим законом.
Ионные пучки и мишени
Все последние элементы периодической таблицы были получены с применением ионных пучков, состоящих из дважды магического изотопа 48Ca. Мишень для облучения собирают из калифорния (элемент 98) — это самый тяжёлый элемент, который можно получать в промышленно значимых объёмах (10 мг в год). Для сравнения: следующий за калифорнием элемент эйнштейний можно получать в количестве десятков микрограмм в год, это примерно в 300 раз меньше, чем требуется для сборки одной мишени. Таким образом, этот метод упирается в естественные границы, которые, возможно, удалось бы немного отодвинуть, увеличивая интенсивность пучка. Пусть ионный пучок и проникает в тонкую мишень всего на несколько микрометров, из-за этого сама мишень сильно разогревается. В результате чистые атомы элемента активно смешиваются с образующимися соединениями, качество мишени падает. Типичные мишени изготавливаются методом молекулярного электроосаждения, и следующим шагом в развитии этой технологии могут быть интерметаллические мишени. Они не так быстро разрушаются, как мишени из чистого калифорния; следовательно, саму мишень можно сделать меньше и потратить на её изготовление меньше радионуклида. В качестве опытных образцов такого рода предлагались мишени из сплава америция-241 и палладия.
Не менее интересные «встречные» эксперименты связаны не только с оптимизацией мишени, но и с утяжелением изотопа-снаряда. Вместо кальция-48 в таком качестве опробовались ванадий-51, хром-54 и титан-50. Наиболее перспективным оказался титан.
В Национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнийском университете города Беркли, сыгравшей определяющую роль в открытии первых трансурановых элементов, сегодня работает 88-дюймовый циклотрон, на котором в 20-е годы XXI века ставятся эксперименты с титаном и плутонием. В 2024 году в ходе таких опытов удалось получить ядро ливермория-290 (элемент ливерморий был включён в таблицу Менделеева в 2011 году).
На этом циклотроне сгенерировали пучок титана-50 мощностью 6 триллионов ионов в секунду и в течение 22 дней облучали им плутониевую мишень диаметром 12,2 см. Две цепочки распада привели к возникновению атомов ливермория-290 (не самого устойчивого изотопа этого элемента). Аналогичным образом планируется получить элемент 120, но в качестве мишени будет использоваться не плутоний, а калифорний:
Естественное облучение
Теперь предполагается, что «остров стабильности» в таблице Менделеева расположен ещё минимум через один полный период, даже при условии, что в 8-м периоде откроется новая g-орбиталь. Речь идёт о регионе близ элемента с атомным номером 164. У всех элементов, отделяющих нас от этой области, период полураспада должен быть всё короче и короче. Здесь, в заключение этой статьи, я остановлюсь на расчётах команды учёных под руководством Йохана Рафельски из университета штата Аризона. В пресс-релизе, сделанном в 2023 году, Рафельски сравнил элементы из восьмого периода с фантастическим «унобтанием» из фильма «Аватар», но заявил, что сверхтяжёлые элементы вполне могут существовать в солнечной системе — на некоторых астероидах.
К такому выводу он пришёл, набросав структуру сверхтяжёлых атомов в соответствии с моделью Томаса-Ферми, сформулированной ещё в 1927 году и описывающей квантовомеханическую систему многих тел. Согласно этой модели, плотность слитка, состоящего из элементов с атомным весом около 164, составляла бы от 36 до 68,4 г/см3. Среди известных элементов наивысшей плотностью обладает осмий (22,59 г/см3).
Такие элементы могли бы образовываться на астероидах, орбиты которых располагают к постоянному мощному облучению астероидных пород солнечным ветром. В таком случае астероид значительно превышал бы по плотности любые известные минералы. Наиболее интересным кандидатом такого рода является Полигимния (астероид 33),расположенный в главном поясе и открытый в 1854 году.
Согласно имеющимся расчётам, плотность Полигимнии составляет около 75,3 г/см3. Известны и другие сверхплотные астероиды, которые сегодня объединяют в класс «компактных сверхплотных объектов» или CUDO.
В исследовании, выполненном под руководством Рафельски и опубликованном в октябре 2023 года, предполагается, что в Солнечной системе может быть множество астероидов, ядра которых состоят из сверхтяжёлых элементов, но сверху они покрыты обычным реголитом. Реголит не препятствует проникновению космических лучей в их породы, но снаружи эти глыбы могут выглядеть совсем непримечательно — их выдаёт только плотность.
В настоящее время NASA уже организовала экспедицию к другому аномальному астероиду — Психее, о котором рассказано на сайте «Элементы», а также в статье на Хабре, подготовленной уважаемым @Petr0v1.
Не буду пересказывать эти источники; лишь оговорюсь вкратце, что Психея является одним из самых тяжёлых астероидов, и на неё приходится до 1% всей массы пояса астероидов. Нет чёткого понимания, что там может быть обнаружено, однако, согласно имеющимся моделям, Психея может представлять собой ядро несформировавшейся планеты и практически полностью состоять из железа и никеля. В таком случае в будущем она представляла бы коммерческий интерес как источник чистейших металлов. Однако подобные экспедиции позволили бы подготовить техническую базу и для дальнейших визитов к объектам CUDO, в которых могут скрываться ключи к пониманию «острова стабильности» и реальных пределов таблицы Менделеева.
