Новый химический элемент: Российские ученые готовятся заполнить новую клетку таблицы Менделеева

Российские ученые готовятся заполнить новую клетку таблицы Менделеева

Сергей Карпухин/ТАСС

Надо подчеркнуть, что в этом году среди кандидатов на Нобелевскую премию многие авторитетные ученые особо выделяли исследователей, которые совершили настоящий научный прорыв, существенно пополнив таблицу Менделеева сразу несколькими новыми элементами. Они считались наиболее вероятными претендентами еще и потому, что по решению ООН в этом году во всем мире отмечалось 150-летие таблицы Менделеева. Но Нобелевский комитет решил иначе…

Юрий Оганесян стал вторым ученым, при жизни которого его именем назван химический элемент

Напомним, что, когда наш великий ученый Дмитрий Иванович Менделеев обнародовал свой знаменитый Периодический закон, было известно лишь 63 элемента. В начале ХХ века был открыт последний из существующих в природе химических элементов. Правда, ряд ученых утверждали, что картина неполная, так как на заре Вселенной элементов было намного больше, но часть не дотянула до наших дней, поскольку период их полного распада меньше, чем возраст Земли. Но даже великий Нильс Бор считал невозможным существование элементов с порядковым номером больше 100. Дело в том, что более тяжелые элементы были крайне неустойчивы. Если переходить от элемента с порядковым номером 92 — урана — к элементу номер 102, нобелию, период полураспада их ядер стремительно уменьшается — от 4,5 миллиарда лет до считанных секунд. Поэтому физики полагали, что продвижение в сторону еще более тяжелых элементов приведет очень быстро к пределу их существования и фактически обозначит границу существования материального мира.

Но в конце 1960-х годов теоретики выдвинули гипотезу о возможном существовании сверхтяжелых элементов. Более того, по их расчетам, время жизни атомных ядер элементов с номерами 110-120 должно было существенно возрастать. Эти «долгожители» создают целую область гипотетических элементов, которую назвали «островом Стабильности» и которая значительно отодвигает ранее обозначенные пределы существования химических элементов. Эта идея захватила ведущие научные центры мира, но осуществить ее оказалось непросто.

В центре внимания всех экспериментов — атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Его требовалось «слепить» сверхтяжелым, но чтобы оно прожило как можно дольше, а не распалось уже при рождении. Способ создания таких тяжеловесов был очевиден: бомбардировать ядра тяжелых элементов тяжелыми ионами, которые содержат много нейтронов. А разгонять снаряды надо на мощных ускорителях, чтобы частицы могли преодолеть силы кулоновского отталкивания и слиться с ядрами мишени.

— С 1970-го по 1985 г. во всех ведущих лабораториях мирах, в том числе и у нас в Дубне, пытались получить сверхтяжелые элементы, но это никому не удалось, — рассказывает академик Оганесян. — В итоге сформировалось мнение, что такие попытки обречены на неудачу. Анализируя ситуацию, мы пришли к выводу, что все существующие методы синтеза сверхтяжелых ядер себя исчерпали и следует искать новые подходы к решению трудной задачи.

Такой метод учеными из Дубны был предложен и применен в Германии, в США, Франции, Японии. С его помощью были синтезированы новые элементы с атомными номерами 107, 108, 109, 110, 111 и 112.

— Меня часто спрашивали: «Вот вы придумали новый метод синтеза. Почему сами его не используете?» — рассказывает Юрий Оганесян. — Дело в том, что он не ведет туда, где находится «остров Стабильности». В ядрах, полученных таким способом, большой дефицит нейтронов. Поэтому поняли, что надо усложнить схему эксперимента, где-то добыть недостающие нейтроны.

И тогда ученые Дубны решили использовать в мишени элементы, в которых содержится максимальный избыток нейтронов, например, самый тяжелый изотоп — плутоний-244, который может быть накоплен в реакторах с высоким потоком нейтронов. А снарядом стали тяжелые ионы кальция-48. В итоге этим методом мы за 15 лет получили шесть новых элементов таблицы Менделеева — 113-й, 114-й, 115-й, 116-й, 117-й, 118-й, — говорит академик Оганесян. — Время их жизни на порядки больше, чем соседей, скажем, 114-й сохраняется не миллисекунды, как 110-й, а десятки и даже сотни секунд.

По его мнению, пока наука только приблизилась к «острову Стабильности», находится у самого его подножия, а уже 120-й и следующие за ним окажутся очень устойчивыми, будут жить долгие годы, а может, и миллионы лет. Но чтобы добраться до таких долгожителей, надо искать новые методы.

Путешествие к «острову Стабильности» ученый намерен продолжить на первой в мире Фабрике сверхтяжелых элементов, которая недавно заработала в Дубне. Уже осенью этого года российские ученые вместе с зарубежными коллегами начнут эксперименты по получению нового 119-го элемента. В планах 120-й и 121-й. И подъем к вершине острова Стабильности.

Между тем

ЮНЕСКО учредило международную премию ЮНЕСКО-России им. Д.И. Менделеева за достижения в области фундаментальных наук. Первое вручение премии состоится уже в 2020 году. Эта награда «призвана подчеркнуть ведущую роль России в области фундаментальных наук». Размер премии составит 500 тыс. долларов и будет вручаться ежегодно двум отдельным лауреатам в размере 250 тыс. долларов каждому за прорывные открытия, выдающиеся инновации и активное содействие развитию фундаментальных наук. Это единственная и самая крупная премия в области фундаментальных наук в интересах устойчивого развития под эгидой ЮНЕСКО.

Как рождаются новые химические элементы?

Шеф-редактор сайта Года науки и технологий в России Светлана Соколова побеседовала с заместителем директора Лаборатории ядерных реакций Андреем Попеко о синтезе сверхтяжелых элементов и перспективах в этом направлении, а также о том, какую пользу обществу могут принести эти исследования.

Объединенный институт ядерных исследований в Дубне строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов

Во второй половине XX века в Периодической таблице появилось 16 новых элементов, в XXI веке еще пять. Сейчас таблица заканчивается на оганесоне (Og 118). Его синтезировали в 2002 и 2005 годах в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном городе Дубне.

Оганесон — один из так называемых сверхтяжелых элементов, следующих за ураном (U 92). Некоторые из них появились около 10 млрд лет назад в результате ядерных реакций внутри звезд. Большинство уже давно распалось. К 40-м годам XX века все существующие в природе химические элементы были найдены. Последним стал франций (Fr 87). Все последующие элементы создавались — и создаются — в лабораториях.

Сейчас ОИЯИ строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов, чтобы синтезировать 119-й, 120-й, 121-й и детально изучать свойства ранее полученных элементов. Об этом суперпроекте мы поговорили с Андреем Попеко, заместителем директора лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ.

«Это просто арифметика»

Андрей Георгиевич, во-первых, почему «фабрика»? И чем она будет отличаться от, например, коллайдера?

«Фабрика» — потому что это ускоритель плюс вся инфраструктура вокруг него. Отличие от коллайдера принципиальное. В коллайдерах частицы разгоняют почти до скорости света, а потом сталкивают друг с другом. Получаются новые частицы или другие интересные события. А для синтеза сверхтяжелых элементов нельзя использовать сверхвысокие энергии. Наоборот, чем сильнее вы ударите одним ядром по другому, тем быстрее развалится система. Ничего путного вы не получите.

А что вы будете делать, чтобы получить «что-то путное»?

Надо будет сближать ядра атомов так, чтобы они коснулись друг друга. Дело в том, что, когда ядра заряжены одинаково, они отталкиваются. Для преодоления отталкивания нужно разогнать частицы до скорости, которая составляет примерно 10% от скорости света.

Ядрами из ускорителя облучают мишень — слой материала, нанесенный на тонкую титановую фольгу. В результате реакции бомбардирующих частиц с материалом мишени будут получаться новые частицы. Их будет «ловить» детектирующая система — пластинки из кристаллического кремния. Она будет давать в некотором смысле электронную фотографию. Можно будет определить координаты, время прихода и энергию частицы.
В дальнейшем, мы надеемся, эффективность фабрики будет примерно в десять раз выше, чем раньше. Тогда откроются уже очень большие перспективы для экспериментов. Совсем другая жизнь у нас начнется.

Так. Если очень коротко. Есть вещество, из которого сделана мишень, и есть вещества, которые через эту мишень пролетают. В результате можно получить какой-то совершенно новый химический элемент. Правильно? Все равно непонятно, как это работает.

Важно правильно подобрать комбинацию из мишенного материала и вещества, которое будет с ним сталкиваться. Условия здесь следующие: материал для мишени должен существовать в природе или может быть произведен искусственно в весовых количествах. Это первое требование.Но здесь надо смотреть не на Периодическую таблицу. Она в данном случае мало поможет. А надо смотреть на карту изотопов. Черные клеточки — это долгоживущие изотопы, существующие в природе. Теперь вы можете брать частицу, которая приводила бы к образованию желаемого элемента. Здесь действует закон сохранения электрического заряда. Например, если вам нужен 118-й элемент, вы берете для мишени изотоп, у которого заряд ядра 98 (калифорний), а для бомбардировки мишени кальций с зарядом ядра 20. 20 + 98 = 118. Все просто.

Можете брать любые другие комбинации, пожалуйста. Если вы хотите 120 элемент, то 120 — это два раза по 60. Берем элемент 60 — неодим. Делаем из него мишень и им же облучаем эту мишень. Получаем элемент 120. Это просто арифметика. Здесь не надо всю жизнь что-то перебирать. Плюс есть известные законы.

Ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр Карпов у карты изотопов химических элементов. Сергей Карпухин/ТАСС

«Ядро — это не капля жидкости»

Какова вообще вероятность получить сверхтяжелый элемент?

Она складывается, как минимум, из двух частей — вероятности слияния ядер и вероятности выживания получившегося ядра в процессе остывания. Потому что ядра остывают точно так же, как, например, жидкость. Только в жидкости испаряются молекулы, а в ядрах нейтроны. Нейтроны уносят энергию из ядра, и система остывает. Это первое. Второе — ядра должны сливаться. К сожалению, чем ближе друг к другу масса мишени и масса бомбардирующей ее частицы, тем хуже они сливаются. Это только некоторые из обстоятельств, которые ограничивают получение сверхтяжелых ядер.

Какие эксперименты на «фабрике» сейчас проводятся?

Естественно, после того, как мы сделали новый ускоритель, самый верный способ показать его работоспособность, — это воспроизвести прежние результаты. Поэтому в январе этого года мы успешно провели эксперименты по синтезу 115-го элемента московия. Он был впервые получен в 2003 году.

Сейчас проводятся эксперименты по получению пучков ускоренных частиц, которые нужны для синтеза более тяжелых элементов.

До этого мы работали в основном с кальцием. Это элемент 20 в Периодической таблице. Им бомбардировали мишень. А самый тяжелый элемент, из которого можно сделать мишень, — это калифорний, 98. Соответственно, 98 + 20 — это 118. То есть,чтобы получить элемент 120, надо идти к следующей частице. Это, скорее всего, титан — 22 + 98 = 120.

Работы по отладке системы еще очень много. Я не хочу забегать вперед, но если получится провести успешно все модельные эксперименты, то в этом году, возможно, начнутся первые эксперименты по синтезу 120-го элемента.

А почему вообще существуют сверхтяжелые элементы? Благодаря каким законам природы?

Ядра атомов имеют структуру, которая чем-то похожа на структуру атомных оболочек. Электроны ведь удерживается на орбитах не просто так, а потому что орбиты имеет специальную сложную структуру. Примерно то же самое происходит и в ядрах. Структурные эффекты объясняют, почему существуют сверхтяжелые элементы. В обычном состоянии ядро не ведет себя подобно капле жидкости, не является аморфным телом, а имеет внутреннюю структуру. Без нее сверхтяжелые ядра вообще бы не существовали. А наличие структурных свойств ядерной материи приводит к тому, что эти ядра живут секунды, а мы надеемся, что они могут жить часы, сутки, а может быть даже миллионы лет.

Бесструктурные ядра после 103-го и 104-го элемента уже не имели бы права существовать. Это открытие структурных эффектов — очень большое достижение в понимании природы ядерных сил.

«Это никогда не скучно»

Можно ли как-то использовать сверхтяжелые элементы «в народном хозяйстве»?

Это совершенно законный вопрос, но мы занимаемся фундаментальными исследованиями. Накопить хоть какое-то количество атомов 118-го, сами понимаете, совершенно невозможно. За всю историю было зарегистрировано, по-моему, пять атомов этого элемента. И живут они меньше миллисекунды.

В частности, очень интересно, как будут эволюционировать химические свойства элементов, если двигаться дальше по таблице. Лишь две трети элементов таблицы Менделеева «вписываются» в периодический закон, который связывает зависимость свойств химических элементов с зарядами атомных ядер. А дальше начинаются нестыковки: совершенно инертных элементов — нет, элементы, которые должны быть газами, становятся твердыми, да еще и с металлическими свойствами и т.д.

Канал транспорта пучков сверхтяжелых элементов циклотрона ДЦ-280. Сергей Карпухин/ТАСС

Еще очень интересно, как образовались элементы в природе. Не только сверхтяжелые. Теория не исключает, что сверхтяжелые элементы могли дожить до наших времен после, скажем, образования Солнечной системы. А в таком случае их можно искать в природе.

Кроме всего прочего, открытие новых элементов демонстрирует высокий уровень науки, техники и образования, который, в свою очередь, приносит экономические и политические дивиденды.

Какие страны сейчас лидируют в поиске сверхтяжелых элементов?

В одиночку проводить такие исследования могут только две страны — Соединенные Штаты Америки и Россия. И причина здесь в том, что необходимо иметь материал для изготовления мишеней, а это тяжелые трансурановые элементы, такие как кюрий, берклий и калифорний. Чтобы эти элементы производить, требуются специальные реакторы.

Еще в поиске сверхтяжелых элементов активно участвуют Германия и Япония, но не в одиночку, а в кооперации с теми, у кого есть изотопы. Эти эксперименты очень длительные. Идет обычная работа: плановая, но интенсивная. Японцы получили три атома 113 элемента за 10 лет. Это некий мировой рекорд по настойчивости. По-моему, никто больше такого не делал и не станет делать.

Циклотронный комплекс ДЦ-280 для проведения экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов и изучению их химических свойств. Сергей Карпухин/ТАСС

В чем конкурентные преимущества России?

Во-первых, в России существует очень давняя и плодотворная школа синтеза новых элементов, основанная Георгием Флеровым. В частности, его группе принадлежит приоритет в открытии 102-го элемента нобелия.

Во-вторых, есть школа создания ускорителей. Как известно, первый ускоритель был построен в США, в Беркли, а второй — в Ленинграде, в Радиевом институте. И, в-третьих, мы умеем производить материал для изготовления мишеней — изотопы трансурановых элементов. Вот наши преимущества: научная школа, ускорители и изотопы. Это три составляющие успеха.

Андрей Георгиевич, вы всю жизнь занимаетесь синтезом новых элементов. Уже более полувека. Вам до сих пор это нравится?

Да. Мне все еще это нравится. Важно, что развитие методик на грани возможностей обязательно к чему-нибудь приводит. Например, к созданию новых технологий. И еще, это никогда не скучно. Поверьте, это высочайшая радость — открыть нечто, неизвестное никому. Это никогда не может надоесть.

СЛОВАРЬ

Георгий Флеров (1913–1990). Советский физик-ядерщик, один из основателей ОИЯИ и один из пионеров поиска трансуранов. Участвовал в открытии 103-го, 104-го, 105-го и 106-го элементов.

Юрий Оганесян (р. 1933). Ученик Флерова и один из тех, кто синтезировал резерфордий, дубний и другие сверхтяжелые элементы. Академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. В 2016 году в его честь был назван 118-й элемент — оганесон.

Изотоп — разновидность атома какого-либо химического элемента, которая имеет одинаковый с ним атомный номер, но разные массовые числа. Например, изотоп водорода Н — дейтерий 2Н, который применяется при создании термоядерного оружия.

Остров стабильности. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Но только строго определенное количество этих «кирпичиков» связано друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые «не срабатывают», оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Есть ядра, которые остались со времен образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть «континентом». Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы идем к более тяжелым элементам. Но, оказывается, если далеко уйти от суши, возникает остров стабильности, где рождаются ядра-долгожители.

Сверхтяжелые элементы. Элементы, которые следуют за ураном (его атомный номер 92). Некоторые из них появились около 10 млрд лет назад в результате ядерных реакций внутри звезд. Большинство уже давно распалось. Теперь лишь остается синтезировать их в лабораториях.

Светлана Соколова

Российские ученые намерены открыть новые элементы таблицы Менделеева

https://ria. ru/20210209/elementy-1596685632.html

Российские ученые намерены открыть новые элементы таблицы Менделеева

Российские ученые намерены открыть новые элементы таблицы Менделеева — РИА Новости, 09.02.2021

Российские ученые намерены открыть новые элементы таблицы Менделеева

Специалисты Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская область) могут в 2022 году приступить к работам по синтезу новых сверхтяжелых… РИА Новости, 09.02.2021

2021-02-09T15:10

2021-02-09T15:10

2021-02-09T15:10

наука

наука

дубна

объединенный институт ядерных исследований

российская академия наук

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155212/99/1552129914_0:0:1251:703_1920x0_80_0_0_cb52a7dcd8c57344a20f196f95eb9ae4.jpg

МОСКВА, 9 фев — РИА Новости. Специалисты Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская область) могут в 2022 году приступить к работам по синтезу новых сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева, заявил директор ОИЯИ академик РАН Григорий Трубников. «Главная наша задача (в 2021 году) – наработать максимальную статистику с тем, чтобы понимать, где искать новые элементы – 119-й, 120-й, 121-й, и какие у них будут свойства», — добавил он.Трубников пояснил, что на химические свойства сверхтяжелых элементов сильно влияют так называемые релятивистские эффекты, являющиеся следствием теории относительности. «Релятивистские эффекты сказываются таким образом, что по периодическому закону это должен быть газ, а он ведет себя как металл. И очень интересно, что же за границей оганесона – 118-го элемента, самого тяжелого элемента на данный момент», — добавил директор ОИЯИ.Все элементы тяжелее урана получают в ядерных реакторах или с помощью ускорителей при столкновении ядер других элементов. А сверхтяжелые элементы ученые синтезируют только на ускорителях путем бомбардировки тяжелыми ионами мишеней из трансплутониевых элементов. При слиянии ядер мишени и «снаряда» на короткое время возникает ядро сверхтяжелого элемента.К настоящему времени ученые из разных стран получили ряд сверхтяжелых химических элементов, заканчивающийся 118-м элементом. Наибольший вклад в достижение этих результатов внесли российские специалисты из ОИЯИ под руководством выдающегося мирового ученого академика Юрия Оганесяна. В его честь 118-й элемент назван «оганесон».Ранее Оганесян не исключил, что в будущем, по мере синтеза новых сверхтяжелых элементов и изучения их свойств, таблица Менделеева может изменить свой нынешний привычный вид.Сейчас в крупнейших ядерно-физических центрах мира фактически начаты работы по синтезу 119-го, 120-го и 121-го элементов, который назвали «большой гонкой». В Дубне намерены первыми получить новые элементы. В ОИЯИ работает уникальная по мировым меркам научная установка — так называемая «Фабрика сверхтяжелых элементов». Ее центральной частью стал ускоритель заряженных частиц — циклотрон DC-280. Благодаря этой новой технике эффективность экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов многократно повышается. В декабре 2020 года на этой «фабрике» начат цикл экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов.»Думаю, что… за полгода-год мы бы наработали статистику по сверхтяжелым элементам, которую все человечество нарабатывало последние 20-30 лет во всех лабораториях мира – от Японии до Америки. Ну разве это не достижение? Это абсолютно точно укрепляет Россию не просто в первых рядах, а на первом месте в этой физике», — отметил Трубников.

https://ria.ru/20190201/1550209465.html

https://ria.ru/20201225/nauka-1590929104.html

https://ria.ru/20210111/phosagro-1592528485.html

дубна

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155212/99/1552129914_156:0:1093:703_1920x0_80_0_0_9121e1ef07331941bbf5d2da6b48f554.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

наука, дубна, объединенный институт ядерных исследований, российская академия наук, россия

Наука, Наука, Дубна, Объединенный институт ядерных исследований, Российская академия наук, Россия

МОСКВА, 9 фев — РИА Новости. Специалисты Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская область) могут в 2022 году приступить к работам по синтезу новых сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева, заявил директор ОИЯИ академик РАН Григорий Трубников.

«Этот год мы посвятим исследованию свойств 114-го, 115-го и 118-го элементов с тем, чтобы в следующем году попробовать открыть новые элементы – 119-й, 120-й и 121-й», — сказал Трубников во вторник на пресс-конференции в Москве.

1 февраля 2019, 08:00Наука

«Борода Менделеева»: где кончается периодическая таблица элементов

«Главная наша задача (в 2021 году) – наработать максимальную статистику с тем, чтобы понимать, где искать новые элементы – 119-й, 120-й, 121-й, и какие у них будут свойства», — добавил он.

Трубников пояснил, что на химические свойства сверхтяжелых элементов сильно влияют так называемые релятивистские эффекты, являющиеся следствием теории относительности. «Релятивистские эффекты сказываются таким образом, что по периодическому закону это должен быть газ, а он ведет себя как металл. И очень интересно, что же за границей оганесона – 118-го элемента, самого тяжелого элемента на данный момент», — добавил директор ОИЯИ.

Все элементы тяжелее урана получают в ядерных реакторах или с помощью ускорителей при столкновении ядер других элементов. А сверхтяжелые элементы ученые синтезируют только на ускорителях путем бомбардировки тяжелыми ионами мишеней из трансплутониевых элементов. При слиянии ядер мишени и «снаряда» на короткое время возникает ядро сверхтяжелого элемента.

25 декабря 2020, 14:54

Путин подписал указ о проведении Года науки и технологий

К настоящему времени ученые из разных стран получили ряд сверхтяжелых химических элементов, заканчивающийся 118-м элементом. Наибольший вклад в достижение этих результатов внесли российские специалисты из ОИЯИ под руководством выдающегося мирового ученого академика Юрия Оганесяна. В его честь 118-й элемент назван «оганесон».

Ранее Оганесян не исключил, что в будущем, по мере синтеза новых сверхтяжелых элементов и изучения их свойств, таблица Менделеева может изменить свой нынешний привычный вид.

Сейчас в крупнейших ядерно-физических центрах мира фактически начаты работы по синтезу 119-го, 120-го и 121-го элементов, который назвали «большой гонкой». В Дубне намерены первыми получить новые элементы. В ОИЯИ работает уникальная по мировым меркам научная установка — так называемая «Фабрика сверхтяжелых элементов». Ее центральной частью стал ускоритель заряженных частиц — циклотрон DC-280. Благодаря этой новой технике эффективность экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов многократно повышается. В декабре 2020 года на этой «фабрике» начат цикл экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов.

«Думаю, что… за полгода-год мы бы наработали статистику по сверхтяжелым элементам, которую все человечество нарабатывало последние 20-30 лет во всех лабораториях мира – от Японии до Америки. Ну разве это не достижение? Это абсолютно точно укрепляет Россию не просто в первых рядах, а на первом месте в этой физике», — отметил Трубников.

11 января 2021, 11:12

Зеленая химия: безопасные химические катализаторыГрантовая программа финансовой и научной поддержки перспективных ученых-химиков от компании «ФосАгро»

Когда мы достигнем конца таблицы Менделеева? | Наука

Сколько еще мест осталось за столом?
JDawnInk/iStock

Учителям химии недавно пришлось обновить декор своих классов, объявив, что ученые подтвердили открытие четырех новых элементов в периодической таблице. Пока еще безымянные элементы 113, 115, 117 и 118 заполнили оставшиеся пробелы в нижней части знаменитой диаграммы — дорожной карты строительных блоков материи, которая успешно служила химикам почти полтора столетия.

Официальное подтверждение, предоставленное Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC), готовилось годами, поскольку эти сверхтяжелые элементы крайне нестабильны и их сложно создать. Но у ученых были веские основания полагать, что они существуют, отчасти потому, что периодическая таблица до сих пор была удивительно последовательной. Попытки создать элементы 119 и 120, которые будут начинать новую строку, уже предпринимаются.

Но сколько еще элементов существует, остается одной из самых постоянных загадок химии, тем более что наше современное понимание физики выявило аномалии даже у опытных игроков.

«В таблице Менделеева начинают появляться трещины, — говорит Уолтер Лавленд, химик из Университета штата Орегон.

Современное воплощение периодической таблицы элементов организовано по строкам на основе атомного номера — количества протонов в ядре атома — и по столбцам на основе орбит их самых удаленных электронов, которые, в свою очередь, обычно определяют их личности. Мягкие металлы, склонные к сильным реакциям с другими, например литий и калий, живут в одном столбце. Неметаллические реактивные элементы, такие как фтор и йод, обитают в другом.

Французский геолог Александр-Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа был первым, кто обнаружил, что элементы могут быть сгруппированы в повторяющиеся структуры. Он изобразил элементы, известные в 1862 году, упорядоченные по их весу, в виде спирали, обернутой вокруг цилиндра ( см. иллюстрацию ниже ). Элементы, расположенные вертикально на одной линии друг с другом на этом цилиндре, имели сходные характеристики.

Но именно организационная схема, созданная Дмитрием Менделеевым, вспыльчивым русским, утверждавшим, что видел во сне группы элементов, выдержала испытание временем. Его периодическая таблица 1871 года не была идеальной; например, он предсказал восемь элементов, которых не существует. Однако он также правильно предсказал галлий (теперь используемый в лазерах), германий (теперь используемый в транзисторах) и другие все более тяжелые элементы.

Периодическая таблица Менделеева легко приняла совершенно новую колонку для благородных газов, таких как гелий, которые ускользали от обнаружения до конца 19-го века из-за их склонности не реагировать с другими элементами.

Современная периодическая таблица более или менее соответствует квантовой физике, введенной в 20-м веке для объяснения поведения субатомных частиц, таких как протоны и электроны. Кроме того, группы в основном сохранились, поскольку были подтверждены более тяжелые элементы. Борий — название, данное 107-му элементу после его открытия в 19 г.81 настолько хорошо сочетается с другими так называемыми переходными металлами, которые его окружают, что один из исследователей, открывших его, заявил, что «борий скучен».

Но впереди могут быть интересные времена.

Один открытый вопрос касается лантана и актиния, которые имеют меньше общего с другими членами соответствующих групп, чем лютеций и лоуренсий. IUPAC недавно назначил целевую группу для изучения этого вопроса. Даже гелий, элемент 2, не является простым — существует альтернативная версия периодической таблицы, в которой гелий помещается с бериллием и магнием вместо его соседей из инертных газов, исходя из расположения всех его электронов, а не только самых удаленных.

«В начале, середине и конце периодической таблицы есть проблемы», — говорит Эрик Шерри, историк химического факультета Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная спустя десятилетия после таблицы Менделеева, также внесла в систему некоторые пробелы. Согласно теории относительности, масса частицы увеличивается с увеличением ее скорости. Это может привести к тому, что отрицательно заряженные электроны, вращающиеся вокруг положительно заряженного ядра атома, будут вести себя странно, влияя на свойства элемента.

Возьмем золото: ядро ​​содержит 79 положительных протонов, поэтому, чтобы не упасть внутрь, электроны золота должны вращаться со скоростью, превышающей половину скорости света. Это делает их более массивными и вытягивает на более узкую орбиту с более низкой энергией. В этой конфигурации электроны поглощают синий свет, а не отражают его, придавая обручальным кольцам характерный блеск.

Печально известный физик, играющий на бонго, Ричард Фейнман , как говорят, прибегнул к теории относительности, чтобы предсказать конец периодической таблицы на элементе 137. Для Фейнмана 137 было «магическим числом» — оно появилось без какой-либо очевидной причины в других областях физики. . Его расчеты показали, что электроны в элементах выше 137 должны двигаться быстрее скорости света и, таким образом, нарушать правила относительности, чтобы избежать столкновения с ядром.

Более поздние расчеты отменили это ограничение. Фейнман рассматривал ядро ​​как единую точку. Пусть это будет шар из частиц, и элементы могут продолжать существовать примерно до 173. Тогда начинается ад. Атомы за этим пределом могут существовать, но только как странные существа, способные вызывать электроны из пустого пространства.

Проблема не только в относительности. Положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга, поэтому чем больше вы упаковываете ядро, тем менее стабильным оно становится. Уран с атомным номером 92, является последним элементом, достаточно стабильным, чтобы встречаться в природе на Земле. У каждого элемента за его пределами есть ядро, которое быстро распадается, а их периоды полураспада — время, необходимое для распада половины материала, — могут составлять минуты, секунды или даже доли секунды.

Более тяжелые и нестабильные элементы могут существовать где-то еще во Вселенной, например внутри плотных нейтронных звезд, но ученые могут изучать их здесь, только сталкивая более легкие атомы, чтобы получить более тяжелые, а затем просеивая цепочку распада.

«Мы действительно не знаем, какой самый тяжелый элемент может существовать», — говорит физик-ядерщик Витольд Назаревич из Мичиганского государственного университета.

Теория предсказывает, что наступит момент, когда наши ядра, созданные в лаборатории, не будут жить достаточно долго, чтобы сформировать настоящий атом. Радиоактивное ядро, которое распадается менее чем за десять триллионных долей секунды, не успеет собрать вокруг себя электроны и создать новый элемент.

Тем не менее, многие ученые ожидают, что в дальнейшем будут существовать островки стабильности, где сверхтяжелые элементы имеют относительно долгоживущие ядра. Загрузка некоторых сверхтяжелых атомов большим количеством дополнительных нейтронов может обеспечить стабильность, предотвращая деформацию ядер, богатых протонами. Например, ожидается, что элемент 114 будет иметь магически стабильное число нейтронов, равное 184. Также было предсказано, что элементы 120 и 126 могут быть более долговечными.

Но некоторые заявления о сверхтяжелой стабильности уже развалились. В конце 1960-х химик Эдвард Андерс предположил, что ксенон в метеорите, упавшем на мексиканскую землю, появился в результате распада загадочного элемента между 112 и 119, который был бы достаточно стабилен, чтобы встречаться в природе. Потратив годы на сужение своего поиска, он в конце концов отказался от своей гипотезы в 1980-х годах.

Предсказать потенциальную стабильность тяжелых элементов непросто. Расчеты, требующие огромных вычислительных мощностей, не проводились для многих известных игроков. И даже если они это сделают, это совершенно новая область для ядерной физики, где даже небольшие изменения во входных данных могут оказать сильное влияние на ожидаемые результаты.

Одно можно сказать наверняка: создание каждого нового элемента будет становиться все труднее не только потому, что короткоживущие атомы труднее обнаружить, но и потому, что для создания сверхтяжелых атомов могут потребоваться пучки атомов, которые сами по себе радиоактивны. Независимо от того, наступит конец периодической таблицы или нет, может наступить конец нашей способности создавать новые.

«Я думаю, что мы еще далеко от конца таблицы Менделеева, — говорит Шерри. «Ограничивающим фактором сейчас, кажется, является человеческая изобретательность».

Примечание редактора: Принадлежность Витольда Назаревича исправлена.

Периодическая таблица Рекомендуемая литература

Сказка о семи элементах

Авторитетный отчет о ранней истории периодической таблицы можно найти в книге Эрика Шерри «Повесть о семи элементах» , в которой подробно рассматриваются споры, связанные с открытием семи элементов.

Периодическая таблица

Читатели, интересующиеся Холокостом, должны взять копию трогательных мемуаров Примо Леви, Периодическая таблица. Кроме того, убедительную автобиографию, в которой периодическая таблица описывает жизнь одного из самых любимых в мире неврологов, см. в статье Оливера Сакса New York Times «Моя периодическая таблица ».

Исчезающая ложка: и другие правдивые рассказы о безумии, любви и истории мира из Периодической таблицы элементов

Сэм Кин отправляет своих читателей в живую и хаотичную возню сквозь стихии в «Исчезающая ложка».

Потерянные элементы: теневая сторона периодической таблицы

Научные энтузиасты, интересующиеся бейсболом, стоящим за элементами, которые никогда не попадали в периодическую таблицу, могут ознакомиться с хорошо изученным The Lost Elements Марко Фонтани, Мариагразией Коста и Мэри Вирджинией Орна.

Рекомендуемые видео

Познакомьтесь с 115, новейшим элементом периодической таблицы

Если вы изучили все элементы от актиния до циркония, пришло время вернуться к периодической таблице, где есть новый, чрезвычайно тяжелый элемент.

У нового элемента пока нет официального названия, поэтому ученые называют его унунпентий, основываясь на латинском и греческом словах, обозначающих его атомный номер 115. (См. также: Прочтите статью об охотниках за элементами в журнале National Geographic.)

На случай, если вы забыли школьный курс химии, вот краткое напоминание: Атомный номер элемента — это количество протонов, содержащихся в его ядре.

Самый тяжелый элемент в природе — уран, имеющий 92 протона. Но более тяжелые элементы, в ядре которых содержится больше протонов, могут быть созданы путем ядерного синтеза. (См. также: Узнайте, как создать элемент.)

Искусственный элемент 115 впервые был создан русскими учеными в Дубне около десяти лет назад. На этой неделе химики Лундского университета в Швеции объявили, что они воспроизвели российское исследование в Центре исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI в Германии.

(См. фотографии лабораторий, где создаются новые элементы.)

Элемент 115 присоединится к своим соседям 114 и 116 — флеровию и ливерморию соответственно — в периодической таблице, как только комитет Международного союза чистых и Прикладная химия (IUPAC) принимает решение об официальном названии для 115.

Мы спросили Пола Хукера, профессора химии Вестминстерского колледжа в Солт-Лейк-Сити, штат Юта, что он думает о последнем дополнении к периодической таблице.

Получается, что 115 был создан десять лет назад в лаборатории в России. Почему мы только узнаем о его открытии?

Когда вы найдете новый элемент, его необходимо подтвердить. Вам нужны две разные лаборатории, чтобы подтвердить это, прежде чем [IUPAC] рассмотрит возможность добавления его в периодическую таблицу.

Это уже вторая лаборатория, которая повторяет один и тот же эксперимент, так что теперь это считается официальным новым элементом.

Так что же на самом деле сделали русские и шведские химики?

Сейчас вы создаете новые элементы, стреляя лучом одного элемента в другой элемент и затем наблюдая, что происходит, когда они сталкиваются.

В данном случае исследователи использовали америций, что довольно интересно, поскольку это нестабильный радиоактивный элемент. Они обстреливали америций атомами кальция, которые намного легче атомов америция, в течение недель или даже месяцев. Большинство атомов кальция отскакивали, но время от времени атомы сталкивались, и вместо того, чтобы кальциевый элемент отскакивал, он фактически прилипал к америцийному элементу. Когда это происходит, вы получаете короткоживущий атом с большим количеством протонов в ядре, которое является центром нового элемента 115.

Как они узнали, что создали новый элемент, если это произошло так быстро? Кажется, я читал, что он просуществовал меньше секунды, прежде чем распасться.

Они ищут продукты распада. Они ищут явные признаки распада 115 по так называемому испусканию альфа-частиц. Когда они видят достаточное количество этих сигналов, они могут сказать, что, вероятно, сформировали новый элемент.

Как они узнают, будет ли новый элемент нестабильным или нет?

Предсказывалось, что элемент 118 будет гораздо более стабильным; 115 не должен был быть особенно стабильным. Мы знаем, что стабильно. Определенные отношения протонов к нейтронам стабильны. По мере того, как ядро ​​становится все больше и больше, оно становится нестабильным — а затем оно может радиоактивно распадаться и выделять более мелкие частицы — это означает, что оно действительно не очень стабильно.

Кто-нибудь может попробовать создать новый элемент?

Нет. Вам нужна большая вакуумная камера, потому что вы не можете стрелять атомами кальция по воздуху. Вам понадобится много специализированного оборудования. Не так много лабораторий, которые могут делать такие вещи. Единственные люди, заинтересованные в этом, пытаются ответить на некоторые из более важных вопросов, таких как «Как вся материя держится вместе?»

Где создается больше всего новых элементов?

Большинство этих новых элементов сформировалось в России и Штатах за последние 30-40 лет. Это превратилось в гонку за тем, кто сможет получить следующий новый элемент, чтобы попытаться сделать самый большой из них, на который вы действительно способны. Но, конечно, из-за того, что они такие большие, они очень неустойчивы и очень быстро разваливаются.

Если они очень быстро разваливаются — и явно не существуют в природе — то какой в ​​этом смысл?

Я много говорю об этом со своими учениками. Я в основном говорю им: «Потому что это там». Новый, нестабильный элемент ни за что не найдет применения, потому что он так быстро изнашивается. Но это дает представление о силах, которые удерживают атомы вместе, поэтому мы можем больше узнать о том, как вселенная удерживается вместе.

Почему люди действительно это делают? Почему мы посылаем частицы через огромные коллайдеры? Почему мы врезаемся друг в друга со все большей и большей скоростью? Я думаю, что это удовлетворяет природное любопытство человеческой расы. Мы хотим знать, откуда мы пришли. И каждый раз, когда мы отвечаем на что-то, мы придумываем еще десять вопросов, на которые нужно ответить.

Это искусственный элемент. Откуда мы знаем, что нашли все встречающиеся в природе элементы?

Хорошая вещь с элементами заключается в том, что они определяются атомными номерами, то есть они определяются количеством протонов в ядре. Это число никогда не бывает дробью, поэтому в ядре не может быть, скажем, 3,2 протона. Итак, мы знаем, что у нас есть они все, потому что мы знаем элемент с одним протоном, элемент с двумя протонами и так далее.

Есть ли ограничение на количество элементов, которые мы можем создать?

Что ж, мы достигаем предела стабильности, когда в ядре содержится более 90 протонов, поэтому, хотя мы можем найти больше, мы точно не получим 1000 протонов. Это было бы слишком нестабильно.

Последний вопрос: на самом деле у меня есть занавеска для душа с таблицей Менделеева. Вы рекомендуете получить обновленный?

Я рекомендую обновить занавеску для душа после подтверждения 115. Когда комитет соберется и назовет его. А это совсем другой вопрос.

Так что я думаю, я должен спросить: Почему комитет делает это?

Потому что такие вещи становятся очень политическими. Когда-то американцы сказали бы: мы открыли его и как-то назвали. Русские сказали бы: мы сделали, и назвали это как-то иначе. Так что комитет должен собраться и обсудить. Они стараются держать его аполитичным — может быть, назовут в честь кого-то из Италии, Литвы или еще чего-нибудь.

Читать дальше

Впечатляющие ископаемые рыбы указывают на критический период эволюции

• Наука

Впечатляющие ископаемые рыбы указывают на критический период эволюции

Прежде чем животные выползли из моря и распространились на сушу, появление челюстей ознаменовало значительный период в развитии почти всех ныне живущих позвоночных, включая человека.

Неон возвращается. Вот почему.

• Путешествия

Неон возвращается. Вот почему.

Возрождение фантастических мерцающих знаков освещает придорожную Америку, от легендарной трассы 66 до полосы Вегаса.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы влияют на наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эра собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

9000 Почему люди так чертовски одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету эти элементы были выполнены [1, 2], первооткрывателям было предложено предложить имена, и теперь для общественного обсуждения раскрыты следующие:

• Нигоний и символ Nh для элемента 113,
• Московий и символ Mc для элемента 115,
• Tennessine и символ Ts для элемента 117 и
• Оганесон и символ Ог для элемента 118.

Отдел неорганической химии ИЮПАК рассмотрел и рассмотрел эти предложения и рекомендует их для принятия. В настоящее время назначен пятимесячный публичный обзор, который истекает 8 ноября 2016 года, до официального утверждения Советом IUPAC.

Руководство по присвоению названий элементам было недавно пересмотрено [3] и передано первооткрывателям, чтобы помочь им в их предложениях. По традиции вновь открытые элементы могут быть названы в честь:
(a) мифологическое понятие или персонаж (включая астрономический объект),
(b) минерал или подобное вещество,
(c) место или географический регион,
(d) свойство элемента или
( д) ученый.
Названия всех новых элементов в целом будут иметь окончание, отражающее и сохраняющее историческую и химическую согласованность. Обычно это «-ium» для элементов, принадлежащих к группам 1-16, «-ine» для элементов группы 17 и «-on» для элементов группы 18. Наконец, названия новых химических элементов на английском языке должны позволять надлежащий перевод на другие основные языки.

Для элемента с атомным номером 113 первооткрыватели RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (Япония) предложили название нихоний и символ Nh . Нихон — это один из двух способов сказать «Япония» на японском языке и буквально означает «Страна восходящего солнца». Название предложено для прямой связи с нацией, где был открыт этот элемент. Элемент 113 — первый элемент, открытый в азиатской стране. Представляя это предложение, группа под руководством профессора Косуке Мориты отдает дань уважения новаторской работе Масатака Огавы, проделанной в 1908 вокруг открытия элемента 43. Команда также надеется, что гордость и вера в науку заменят утраченное доверие тех, кто пострадал от ядерной катастрофы на Фукусиме в 2011 году.

Для элемента с атомным номером 115 предлагается название moscovium с символом Mc , а для элемента с атомным номером 117 предлагается название tennessine с символом Ts . Они соответствуют традиции чествования места или географического региона и предложены совместно первооткрывателями из Объединенного института ядерных исследований, Дубна (Россия), Окриджской национальной лаборатории (США), Университета Вандербильта (США) и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. (США).
Московиум в честь Московской области и древней Русской земли, на которой находится Объединенный институт ядерных исследований, где были проведены эксперименты по открытию с использованием Дубненского газонаполненного сепаратора отдачи в сочетании с возможностями ускорителя тяжелых ионов Лаборатория ядерных реакций им. Флерова.
Теннесси в знак признания вклада региона Теннесси, включая Национальную лабораторию Ок-Ридж, Университет Вандербильта и Университет Теннесси в Ноксвилле, в исследования сверхтяжелых элементов, включая производство и химическое разделение уникальных актинидных целевых материалов для синтеза сверхтяжелых элементов. в высокопоточном изотопном реакторе ORNL (HFIR) и в Центре развития радиохимической техники (REDC).

Для элемента с атомным номером 118 сотрудничающие группы первооткрывателей Объединенного института ядерных исследований в Дубне (Россия) и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) предложили название oganesson и условное обозначение Og . Предложение соответствует традиции чествования ученого и признательности профессору Юрию Оганесяну (1933 г.р.) за его новаторский вклад в исследование трансактиноидных элементов. Его многочисленные достижения включают открытие сверхтяжелых элементов и значительные достижения в ядерной физике сверхтяжелых ядер, включая экспериментальные доказательства существования «острова стабильности».

«Приятно видеть, что в этих четырех названиях распознаются определенные места и имена (страна, штат, город и ученый), связанные с новыми элементами. Хотя этот выбор, возможно, может быть расценен некоторыми как несколько самодовольный, имена полностью соответствуют правилам IUPAC», — прокомментировал Ян Ридейк, который переписывался с различными лабораториями и приглашал первооткрывателей вносить предложения. «На самом деле, я считаю захватывающим признать, что международное сотрудничество лежало в основе этих открытий и что эти новые имена также делают открытия несколько осязаемыми».

В конечном счете, после истечения срока публичного рассмотрения, окончательные Рекомендации будут опубликованы в журнале IUPAC Pure and Applied Chemistry . Предварительную рекомендацию относительно наименования четырех новых элементов можно найти на веб-сайте IUPAC по адресу: www.iupac.org/recommendations/under-review-by-the-public/.

Наконец, лаборатории уже работают над поиском элементов в 8-м ряду таблицы Менделеева, а также работают над закреплением идентификации коперниция и более тяжелых элементов. Чтобы иметь возможность оценить эту работу, IUPAC и Международный союз теоретической и прикладной физики (IUPAP) в настоящее время пересматривают принцип отбора и операции будущей совместной рабочей группы (JWP), и как только эти принципы будут определены, новая группа будет формироваться. Эта новая JWP рассмотрит новые заявления и соответствие новых результатов тем, которые уже были оценены предыдущими JWP.

Ссылки:
[1] P.J. Karol, R.C. Барбер, Б.М. Шерил, Э. Вардачи, Т. Ямадзаки, Pure Appl. Химия . 88 (2016) 139; https://dx.doi.org/10.1515/pac-2015-0502
[2] PJ Karol, RC Barber, B.M. Sherrill, E. Vardaci, T. Yamazaki, Pure Appl. Химия . 88 (2016) 155; https://dx.doi.org/10.1515/pac-2015-0501
[3] W.H. Koppenol, J. Corish, J. Garcia-Martinez, J. Meija, J. Reedijk, Pure Appl. Химия . 88 (2016) 401 ; онлайн 21 апреля 2016 г .; https://dx.doi.org/10.1515/pac-2015-0802

* За дополнительной информацией обращайтесь к д-ру Линн М. Соби, исполнительному директору IUPAC, по адресу [email protected] или [email protected].
> Загрузить pdf IUPAC-Press-Release_8June2016 

* См. Предварительные рекомендации , которые в настоящее время пересматриваются. Предварительные рекомендации представляют собой проекты рекомендаций ИЮПАК по терминологии, номенклатуре и символам, которые широко доступны, чтобы заинтересованные стороны могли высказать свои комментарии до того, как рекомендации будут окончательно пересмотрены и опубликованы в журнале ИЮПАК 9.