Согласно решению ООН, 2019 год объявлен Международным годом периодической таблицы химических элементов. Открытие Менделеева, революционизировавшее химию, было сделано полтора века назад. Однако последняя точка в истории этой научной концепции до сих пор не поставлена.
В момент открытия периодического закона химикам было известно 63 элемента. С тех пор было открыто еще 55 — в среднем новый химический элемент открывали каждые три года. Однако сам характер подобных исследований существенно изменился. С середины ХХ века новые клетки таблицы заполняются искусственными элементами, синтезированными с помощью ускорителей. Главные действующие лица этого процесса уже не химики, а физики. А поскольку синтез новых элементов представляет собой высокотехнологичный и дорогостоящий процесс, в гонке за приоритет осталось лишь несколько участников — крупнейших лабораторий из России, США, Европы и Японии. Как и в космических исследованиях, здесь нашлось место и для элемента геополитического соперничества.
Самый тяжелый элемент, встречающийся в природе в сколько-нибудь заметных количествах, — это уран с атомным номером 92 (это значит, что в его ядре 92 положительно заряженных протона). Для получения более тяжелого элемента необходим ускоритель, где более легкие ядра будут врезаться в тяжелые и иногда сливаться с ними с образованием новых элементов, которые затем будут распадаться. По продуктам распада физики делают заключения о том, что именно там произошло. К примеру, если ядра урана бомбардировать ядрами неона с атомным номером 10, иногда будут получаться ядра синтетического элемента нобелия, занимающего в таблице 102-ю клетку (92+10=102).
До начала 1960-х приоритет в синтезе новых элементов принадлежал США. Однако вскоре важным игроком стал Объединенный Институт Ядерных Исследований (ОИЯИ) в Дубне под Москвой. Элементы со 101-го по 106-й советские и американские физики синтезировали практически наперегонки. Приоритет в некоторых случаях оказывался предметом споров: так, элемент 104 (резерфордий) в СССР довольно долго был известен как «курчатовий», а элемент 102 (нобелий) по инициативе советских физиков первоначально получил имя «жолиотий» (в честь Фредерика Жолио-Кюри). Окончательное решение о названии элемента и приоритета в его открытии принимает Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).
На рисунке изображена таблица Менделеева со всеми элементами, экспериментально полученными к настоящему времени (источник иллюстрации — статья Сэма Кина в журнале Science). Можно видеть, как приоритет в заполнении новых клеток на протяжении конца ХХ — начала XXI вв. переходил от одного региона мира к другому.
Приоритет СССР и России был связан с несколькими важными технологическими разработками, выполненными в ОИЯИ при участии или под руководством академика Юрия Оганесяна. К примеру, получение элементов с номером больше 104 (их называют сверхтяжелыми) требует специальных трюков, поскольку отталкивание положительно заряженных ядер становится слишком сильным, а если сталкивать их на большой скорости, избыток энергии приводит к тому, что ядро разваливается, не успев образоваться. Юрий Оганесян предложил в 1970-х метод «холодного слияния» — соединения двух ядер таким образом, чтобы вся кинетическая энергия в точности уходила на преодоление кулоновского отталкивания и в момент слияния ядра лишь «мягко касались» друг друга. Эта техника впоследствии была использована немецкими физиками из Дармштадта (Центр Гельмгольца по исследованию тяжелых ионов), которые с ее помощью получили элементы со 107-го по 112-й. Затем холодное слияние взяли на вооружение японцы из института RIKEN в Вако: в 2005 году они получили всего пару атомов элемента 113 (нихоний), обстреливая висмут ядрами цинка. Чтобы получить третий атом — именно столько нужно было для официальной регистрации открытия — понадобилось еще 7 лет. Именно тогда, в начале 2000-х, впервые дала сбой закономерность «каждые три года — новый элемент».
Между тем, в конце 1990-х ОИЯИ был разработан новый способ синтеза, основанный на ядрах кальция-48. Это очень редкий и дорогой изотоп обычного кальция (атомный номер 20) с большим избытков нейтронов. Этот способ позволил российским физикам окончательно оторваться от погони. Их усилиями был заполнен 7-й ряд таблицы Менделеева. В 2012 году элемент №118 (впервые полученный еще в 2005-м) получил официальное имя «оганессон» — в честь академика Юрия Оганесяна, чей персональный вклад в синтез новых элементов признан во всем мире.
Чтобы продолжить заполнять таблицу дальше, исследователям понадобится решить несколько принципиальных вопросов. Один из них состоит в том, что для 119-го элемента фокус с ядрами кальция по техническим причинам неприменим. Большие надежды возлагают на новую установку, получившую название Superheavy Element Factore («Фабрика сверхтяжелых элементов», SHEF), которая была запущена в Дубне в конце прошлого года. Ожидается, что установка позволит получить элементы с номерами 119, 120 и 121. Тем самым будет начато заполнение восьмого ряда таблицы.
Сколько всего рядов у таблицы Менделеева, конечна ли она? Теоретики дают на эти вопросы самые разные ответы. Согласно одной из теорий, при числе протонов больше 172-х ядро начинает захватывать электроны, так что протоны превращаются в нейтроны и атомный номер возвращается к 172. Экспериментальная проверка этой и всех прочих теорий — один из резонов продолжения экспериментов по синтезу новых элементов. И хотя некоторые ученые ставят под сомнение научную ценность подобных работ (и, главным образом, оправданность огромных финансовых затрат), никто не отменял человеческого и идеологического аспекта: открытие новых элементов — один из способов утвердить приоритет национальной науки и тем самым убедить общество и государство в необходимости выделять достаточное финансирование для физических исследований.
Подробный рассказ о синтезе новых химических элементов в ОИЯИ опубликован на прошлой неделе в журнале Science. Статья отдает должное приоритету российских исследователей в синтезе новых элементов и признает особые заслуги 85-летнего Юрия Оганесяна, чья личная энергия легла в основу лидерства России в этой области науки.