Периодическая законность в поисках границ

В белых рамках – химические элементы, полученные в период с 2000 по 2005 год. Элемент № 105 дубний назван в честь ученых из города Дубны, впервые синтезировавших его.
Источник: Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна), Лаборатория ядерных реакций им. Г.А.Флерова

В 1902 году в работе «Попытка химического понимания мирового эфира» Дмитрий Иванович Менделеев признавался: «Никогда мне в голову не приходило, что именно водородом должен начинаться ряд элементов, хотя легче нет ни одного другого элементарного или сложного газа». «Вожатый» естественного ряда элементов, водород действительно не сразу удостоился этой роли.

Судьба нулевого периода

В этом были свои резоны. Действительно, водород – единственный элемент в первом периоде. После него не было других элементов, и неизвестно, сколько их должно бы быть. Атомная масса водорода принята за 1, но почему ему не могут предшествовать элементы с меньшими атомными массами? Однако если не водород возглавляет таблицу, то какая же другая материальная структура предназначена на эту роль?!

Что же особенно беспокоит Менделеева? Мировой эфир, некая невесомая жидкость, наполняющая пространство, проникающая во все тела, являющаяся причиной света, тепла и электричества. Эфир должен иметь материальную природу и определенную «весомость» – полагал Менделеев, считая его наилегчайшим химическим элементом, к тому же наиболее инертным.

Менделееву в поисках эфира способствовали два обстоятельства. Во-первых, открытие плеяды благородных газов и включение их в периодическую систему в качестве нулевой группы. Во-вторых, обнаружение в спектрах солнечной короны линий, якобы принадлежащих гипотетическим, неизвестным на Земле элементам, названных коронием и небулием. Открытие земного гелия (1895) позволяло надеяться, что их ожидает такое же признание. Причем именно они могли оказаться легче водорода.

Менделеев ввел в таблицу нулевой период, в котором разместил два элемента: элемент Х (для него ученый предложил название ньютоний и считал наилегчайшим и химически наиболее инертным элементом) и элемент Y, гипотетический газ короний.

Ученый немного не дожил до фундаментальных физических открытий. Виктор Гесс начал изучать космические лучи; Бор реабилитировал резерфордовскую модель атома, применив к ней квантовую теорию Планка; Мозли, изучая характеристические рентгеновские спектры элементов, сформулировал закон, открывающий путь к физическому обоснованию периодического закона и периодической системы. Порядковый номер элемента в ней оказывался равным заряду ядра (Z) соответствующего атома. Минимальный заряд ядра имел водород. Эти выводы окончательно похоронили представления о мировом эфире и разрушили надуманную конструкцию нулевого периода. Но «фантомные боли» остались...

Нулевой период стали использовать в различных попытках модификаций периодической системы или «наполнять» его элементарными частицами: электронами, протонами, нейтронами и т.п.

Страж верхней границы

В отношении верхней границы дело обстояло далеко не так просто. Часто принято считать, что она соответствует заряду ядра того элемента, который к настоящему времени был синтезирован последним (Z=118).

Открытый 220 годами ранее немцем Мартином Клапротом уран в минерале «смоляная обманка» не привлек фактически внимания. То было время, когда многие металлы извлекались из минералов в виде оксидов. Лишь в 1843 году француз Эжен Пелиго пришел к выводу, что Клапрот также допустил ошибку. Пелиго извлек из оксидов черный порошок, считая, что получил металл, но неверно определил его атомную массу (120).

В менделеевском «Опыте системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» (1869) уран располагался в третьем столбце, под бором, алюминием и неизвестным элементом с атомной массой 68, над индием и таллием. Развивая представления о периодичности, Менделеев увеличил атомные массы нескольких элементов (в том числе урана) примерно в два раза. Тем самым уран оказался естественной верхней границей системы с наибольшей атомной массой 240.

Но нет ли в природе элементов тяжелее урана? Имеются ли основания считать, что Менделеев предсказывал их существование?

Действительно, в некоторых опубликованных им таблицах после урана стоят прочерки. Например, в таблице из первого издания «Основ химии» под прочерками после урана проставлены величины атомных масс: 245, 246, 248, 249, 250. Число прочерков от издания к изданию колеблется от 1 до 11, но под ними не приведены величины атомных масс и никаких комментариев не следует. Только в восьмом издании «Основ химии» (1906) за ураном вообще нет прочерков. Высказывать какие-либо суждения по этому поводу не имеет смысла.

Почему же именно уран завершает систему? Вот какими словами ученый заканчивает статью «Периодическая законность химических элементов» (1871): «Судя по ограниченности и, так сказать, замкнутости системы известных поныне элементов, судя по тому, что в метеорных камнях, на Солнце и звездах существуют те же элементы, какие мы знаем, судя по тому, что при высоком атомном весе сглаживаются кислотные свойства элементов, я обращаю внимание на окисляемые и тяжелые металлы. Можно думать, что число доступных нам элементов очень ограниченно, и если существуют немногие новые тяжелые элементы внутри массы Земли, то число и количество их очень ограниченно». Из этой тяжело построенной фразы можно заключить, что Менделеев все же оставлял несколько мест для элементов с атомными массами, большими, чем у урана...

Уран продолжал оставаться естественной верхней границей системы.

Радиоэлементы в одной клетке

Открытие радиоактивности (1896) никак не повлияло на положение «стража» верхней границы системы. Между тем совершенно чистый уран не способен испускать невидимые лучи, которые, проникая через плотную бумагу, засвечивали бы фотопластинку – как это было в опыте Беккереля. Он пользовался старым, много раз использованным в других опытах урановым препаратом. В нем накопились продукты распада урана, более «энергичные», чем частицы, испускаемые самим элементом. Их излучения и вызывали почернение пластинки. Хотя в то время никто об этом и не подозревал.

Вскоре была обнаружена радиоактивность тория, выделены полоний и радий (1898). Число новых радиоактивных «веществ» (их стали называть радиоэлементами) быстро увеличивалось. Но каким образом это множество радиоэлементов (числом до 20) разместить в системе? Ведь от висмута до тория и урана оставалось ограниченное число вакансий.

Исследования показали, что некоторые радиоэлементы химически очень похожи как друг на друга, так и на свои стабильные аналоги в соответствующих группах таблицы. Вопрос можно было бы решить так: разместить «химических родственников» в одной клетке периодической системы. Так и поступил и назвал их изотопами Фредерик Содди (1913).

Спустя семь лет Фред Астон распространил представление об изотопии на все стабильные элементы. (Стоит заметить, что число изотопов стабильных элементов составляет примерно 280, тогда как количество искусственно полученных радиоактивных превышает 2000.)

Почему же радиоактивный уран занимает столь привилегированное положение? Периоды полураспада (Т) изотопов уран-238, уран-235 и тория-232 сопоставимы с возрастом нашей планеты (4,5 млрд. лет) или превосходят его (торий). Поэтому они сохранились до настоящего времени. Вот потому-то уран-238, как элемент с наибольшей атомной массой обозначающий верхнюю границу системы, остался непотревоженным.

Дальше, дальше, дальше...

Открытие нейтрона (Джеймс Чэдвик, 1932) фатально повлияло на судьбу 92-го элемента, урана. Энрико Ферми, обнаружил эффект замедления нейтронов, имевший большое значение для успехов ядерной физики. Бомбардировкой урана-238 медленными нейтронами несколько лет занимались Отто Ган и Лиза Мейтнер, но также без окончательных результатов, хотя позднее именно этот процесс позволил синтезировать первые трансурановые элементы – нептуний (Z=93) и плутоний (Z=94), а также ряд последующих.

Плутоний-239 оказался наиболее эффективным ядерным горючим. Воздействие же медленных нейтронов на уран-235 привело к открытию ядерного деления (Ган и Мейтнер, 1939). В 1940 году советские ученые Георгий Флеров и Константин Петржак открыли новый вид радиоактивной превращаемости – спонтанное деление урана...

Но почему бы не попытаться искусственно расширить систему в область больших Z. Нептуний и плутоний были синтезированы в 1940 году. (Оказалось, что их периоды полураспада не такие уж маленькие: примерно 600 млн. лет у нептуния, 24 500 лет у плутония.) Немудрено, что последовали попытки синтеза элементов с большими порядковыми номерами Z? Менее чем за 15 лет было синтезировано 12 элементов. Главная заслуга принадлежала американским физикам во главе с Гленном Сиборгом. Отечественные ученые внесли наибольший вклад в дело синтеза элементов начиная со 102-го по 104-й.

В нейтронных потоках были получены все трансурановые элементы вплоть до фермия (Z=100). Так осуществлялся синтез элементов от америция (Z=95) вплоть до менделеевия (Z=101).

По мере увеличения Z приходилось преодолевать все большие трудности. Уменьшались периоды полураспада образующихся изотопов. Все труднее и продолжительнее становилось изготовление бомбардируемых нейтронными потоками мишеней. Особенно остро эта проблема проявилась при синтезе элемента с Z=101 – менделеевия. Чтобы попытаться осуществить реакцию, мишень из элемента эйнштейний (Es) необходимо было бомбардировать нейтронными потоками. Исследователи сумели «наскрести» всего несколько миллиардов атомов эйнштейния – количество невидимое и почти невесомое. В первой серии экспериментов было зарегистрировано всего 17 атомов первого элемента «второй сотни». Позднее получили изотоп менделеевия-256 с периодом полураспада примерно 1,5 часа.

«Искусственное наращивание» могло происходить за счет элементов с Z=91 – 99. Продукты синтеза обычно накапливались в лабораториях, и если они время от времени не пополнялись, то происходил их распад, «сжатие» системы, и все в конце концов возвращалось... к урану. А между тем новые горизонты открылись бы перед теми исследователями, кому довелось бы работать с трансуранами «второй сотни». Испытанные методы синтеза не срабатывали.

Принципиально новый метод был назван «методом тяжелых ионов». В качестве бомбардирующих частиц сначала использовались многозарядные ионы легких элементов (например, углерода, азота, кислорода и ряда других). Первыми из новых трансуранов, полученных таким образом, стали нобелий (Z=102), лоуренсий (Z=103), а также элементы с Z=104 и Z=105. Все последующие элементы были синтезированы также с помощью этого метода.

В методе «тяжелых ионов» возможно два варианта комбинаций: бомбардирующая частица – мишень. Согласно первому, уран или актиниды бомбардируют ионами относительно легких элементов (от кислорода-8 до кальция-20). Согласно другому варианту, тяжелые стабильные элементы (например, таллий, свинец, висмут) облучаются ионами элементов – от аргона до цинка. Скорость бомбардирующих ионов должна быть близка к 1/10 скорости света, для преодоления отталкивающих кулоновских барьеров мишеней.

В реакциях на тяжелых ионах первоначально образуются сильно возбужденные составные ядра, которые почти мгновенно распадаются на два примерно равных осколка. В очень редких случаях они успевают испустить несколько нейтронов (как говорят, происходит их «испарение»). В итоге образуются определенные изотопы тяжелых трансурановых элементов. Были разработаны специальные устройства – датчики для идентификации таких изотопов. Существуют также специальные сигнализаторы, вмонтированные в общую схему процесса, позволяющие приблизительно оценивать свойства получаемого изотопа...

Успехи синтеза тяжелых трансуранов зависят от предварительной оценки важнейших свойств этих элементов.