​Периодическая таблица постоянно расширяется — новые элементы появляются в среднем каждые четыре года. Есть ли этому предел? Юрий Оганесян, "мистер 118-й элемент", и его коллеги рассказывают, как Россия стала лидером в области синтеза элементов и на какие вопросы ученые пока не могут ответить.

Международный год периодической таблицы
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.

 
 
Грезы алхимиков

"Я никогда не думал, что буду заниматься именно синтезом новых элементов - по специальности я физик. Ядерная физика - это не только элементы, но и атомная энергия и многое другое. Но потом оказалось, что все это имеет огромное значение и для химии", - говорит академик.

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.

 

Похожие новости

  • 04/01/2019

    Кабмин распорядился провести в России международный год таблицы Менделеева

    ​​Премьер-министр Дмитрий Медведев подписал распоряжение о проведении в России в 2019 году Международного года Периодической таблицы химических элементов. Документ опубликован на официальном портале правовой информации.
    673
  • 06/02/2019

    Григорий Трубников выступил на открытии Всероссийского съезда учителей и преподавателей химии

    ​5 февраля в МГУ им. М.В. Ломоносова состоялось открытие Всероссийского съезда учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов. В мероприятии поучаствовали более шестисот делегатов из разных регионов нашей страны.
    237
  • 28/06/2018

    Третья Международная конференция «Спиновая физика, спиновая химия и спиновые технологии» (SPCT-2018)»

    С 10 по 15 сентября 2018 г. в Новосибирском институте органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук состоится Третья Международная конференция «Спиновая физика, спиновая химия и спиновые технологии» (SPCT-2018)».
    784
  • 07/02/2019

    В РАН прошло заседание организационного комитета по подготовке и проведению Международного года Периодической таблицы химических элементов

     Дмитрий Медведев провёл заседание оргкомитета, осмотрел выставку научно-исследовательских проектов в области химии, а также принял участие в открытии Международного года Периодической таблицы химических элементов в России.
    221
  • 30/01/2019

    Исследования по химии получат комплексную поддержку в рамках нацпроектов

    ​Исследования в области химии получат поддержку в рамках национальных проектов "Наука" и "Образование", в том числе в плане создания новых лабораторий, развития инфраструктуры, участия бизнеса.
    164
  • 19/02/2018

    Задача нефтехимиков - максимум переработки

    Что бы ни говорили об альтернативных источниках энергии, как бы их ни восхваляли, а углеводороды и по сей день остаются незаменимыми. Попробуйте обойтись, скажем, без полимеров, лаков, красок... и многого чего еще получаемого из черного золота! Понятно, что нефтяной бум, возникший в 50-60-е годы прошлого века в нашей стране, когда открылись огромные месторождения Западной Сибири, давно позади.
    519
  • 30/01/2019

    В Париже дали старт Международному году таблицы Менделеева

    Официальная церемония открытия Международного года периодической таблицы химических элементов состоялась 29 января в парижской штаб-квартире ЮНЕСКО. Она прошла при участии министра науки и высшего образования РФ Михаила Котюкова, президента Российской академии наук (РАН) Александра Сергеева и других руководителей международных научных организаций из более чем 80 стран.
    239
  • 07/02/2019

    В Москве состоялось открытие Года Периодической таблицы химических элементов

    6 февраля в здании президиума Российской академии наук (РАН) состоялось торжественное открытие Международного Года Периодической таблицы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Инициативу России в проведении Года таблицы Менделеева поддержали зарубежные страны, международные научные организации, а также более 80 национальных академий наук и научных обществ.
    260
  • 30/01/2019

    Президент РАН предложил создать в России центры мирового уровня в области химии

    ​Среди научных образовательных центров мирового уровня, которые планируется создать в рамках национального проекта "Наука", необходимо создать центры по исследованиям в области химических наук.
    208
  • 25/01/2019

    29 января состоится Церемония открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов

    29 января 2019 года в Париже в штаб-квартире ЮНЕСКО состоится Церемония открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов при поддержке Всероссийского Фестиваля NAUKA0+.  В Церемонии открытия примут участие министр науки и высшего образования РФ Михаил Котюков, президент РАН Александр Сергеев, генеральный директор по науке и инновациям Министерства высшего образования, науки и инноваций Франции Ален Беретц, генеральный директор ЮНЕСКО Одри Азуле и другие руководители международных научных, образовательных и общественных организаций из более чем 80 стран мира.
    318