Zdjęcia Aleksandra Рюмина / TASS
W tym roku świat obchodzi 150-lecie otwarcia D. I. Менделеевым układu Okresowego pierwiastków. Tymczasem naukowcy z różnych krajów nadal wypełnić puste komórki słynnej tabeli
Zgodnie z decyzją ONZ, 2019 rok ogłoszony Międzynarodowym rokiem układu okresowego pierwiastków chemicznych. Otwieranie Mendelejewa, революционизировавшее chemii, powstał pół wieku temu. Jednak ostatni punkt w historii tej naukowej koncepcji do tej pory nie postawiono.
W momencie otwarcia okresowego ustawy chemików było wiadomo 63 elementu. Od tego czasu była jeszcze otwarta 55 — średnio nowy pierwiastek chemiczny odkrywali co trzy lata. Jednak sam charakter tych badań znacznie się zmienił. Od połowy XX wieku nowe komórki tabeli są wypełnione sztucznymi elementami, синтезированными za pomocą akceleratorów. Główni aktorzy tego procesu już nie chemicy i fizycy. A ponieważ synteza nowych elementów jest zaawansowany technicznie i kosztowny proces, w wyścigu o pierwszeństwo pozostało tylko kilku uczestników — największych laboratoriów z Rosji, USA, Europy i Japonii. Jak i w badaniach kosmicznych, znalazło się również miejsce dla pozycji geopolitycznej rywalizacji.
Najcięższy element, występujących w przyrodzie w ile ktoś znaczących ilościach, to uran o liczbie atomowej 92 (to znaczy, że w jego jądrze 92 dodatnio naładowane protony). Aby uzyskać więcej ciężkiego elementu wymaga akceleratora, gdzie lżejsze jądra będą wpadać na ciężkie i czasami łączą się z nimi z tworzeniem nowych elementów, które następnie będą się rozpadać. Produktów rozpadu fizyki sprawiają, że wnioski o tym, co dokładnie się tam stało. Na przykład, jeśli jądra uranu bombardowania jąder neon o liczbie atomowej 10, czasem zostaną uzyskane jądra syntetycznego elementu нобелия, który zajmuje w tabeli 102-tą komórkę (92+10=102).
Do początku lat 1960 priorytet w syntezie nowych elementów należał do USA. Wkrótce jednak ważnym graczem był Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych (ОИЯИ) w Dubnej pod Moskwą. Elementy ze 101-go do 106 radzieccy i amerykańscy fizycy syntetyzowali praktycznie się ścigać. Priorytet w niektórych przypadkach okazywał się przedmiotem sporów: tak, element 104 (rutherford) w ZSRR dość długo był znany jako “курчатовий”, a element 102 (nobel) z inicjatywy radzieckich fizyków początkowo otrzymał nazwę “жолиотий” (na cześć Fryderyka Жолио-Curie). Ostateczna decyzja o tytule elementu i priorytetu w jego otwarciu bierze Międzynarodowy związek teoretycznej i stosowanej, chemii (ИЮПАК).
Na rysunku przedstawiona jest tabela Mendelejewa ze wszystkimi elementami, eksperymentalnie uzyskanych do tej pory (źródło ilustracji — artykuł Sama keane ‘a w czasopiśmie “Science”). Można zobaczyć, jak priorytet w wypełnianiu nowych komórek od końca XX — początku XXI wieku przechodził od jednego regionu świata do drugiego.
Priorytet ZSRR i Rosji był związany z kilkoma ważnymi rozwiązań technologicznych, wykonanymi w ОИЯИ z udziałem lub pod kierunkiem prof. Jurija Оганесяна. Na przykład, odbieranie elementów z numerem więcej 104 (nazywa się je сверхтяжелыми) wymaga specjalnych sztuczek, ponieważ odpychanie dodatnio naładowanych jąder staje się zbyt silny, a jeśli przesunąć je na dużej prędkości, nadmiar energii powoduje, że jądro rozpada się, nie mogąc powstać. Jurij Оганесян zaproponował w 1970 metoda “zimnej fuzji” — połączenie dwóch rdzeni w taki sposób, aby cała energia kinetyczna dokładnie wyszłam na pokonanie кулоновского odpychania w momencie fuzji jądra tylko “delikatnie dotykały” siebie. Technika ta została później wykorzystana przez fizyków z Darmstadt (Centrum Helmholtza badań ciężkich jonów), które z jej pomocą otrzymałeś elementy ze 107-go na 112-th. Następnie zimna fuzja wzięli na warsztat japończycy z instytutu RIKEN w Waco: w 2005 roku otrzymali tylko kilka atomów elementu 113 (нихоний), ostrzeliwując bizmut jąder cynku. Aby uzyskać trzeci atom — dokładnie tyle trzeba było do oficjalnej rejestracji otwarcia — potrzeba jeszcze 7 lat. To właśnie wtedy, na początku lat 2000-tych, po raz pierwszy dała się zawiesza wzór “co trzy lata — nowy element”.
Tymczasem, w końcu lat 1990-tych ОИЯИ został opracowany nowy sposób syntezy, oparty na jądrach wapnia-48. Jest to bardzo rzadki i drogi izotop zwykłego wapnia (liczba atomowa 20) z dużym nadmiaru neutronów. Ten sposób pozwolił rosyjskim fizykom w końcu oderwać się od pościgu. Ich wysiłek został wypełniony 7. wiersz tablicy Mendelejewa. W 2012 roku pozycja nr 118 (po raz pierwszy otrzymany jeszcze w 2005 roku) otrzymał oficjalną nazwę “оганессон” — na cześć malarza Jurija Оганесяна, którego osobisty wkład w syntezę nowych elementów uznany na całym świecie.
Aby kontynuować wypełnianie tabeli dalej, badacze trzeba rozwiązać kilka zasadniczych pytań. Jeden z nich polega na tym, że 119-go elementu ostrość z jąder wapnia z przyczyn technicznych nie ma zastosowania. Duże nadzieje pokładają na nową instalację, gdzie nazwa Superheavy Element Factore (“Fabryka skrajnie trudnych elementów”, SHEF), która została uruchomiona w Dubnej pod koniec ubiegłego roku. Oczekuje się, że instalacja pozwoli uzyskać elementy o numerach 119, 120 i 121. Tym samym rozpocznie się wypełnianie ósmego rzędu tabeli.
Ile rzędów tabela Mendelejewa, zaiste, czy ona? Teoretycy dają na te pytania różne odpowiedzi. Według jednej z teorii, przy liczbie protonów więcej 172-x rdzeń zaczyna się uchwycić elektrony, więc protony zamieniają się w neutrony i liczba atomowa wraca do 172. Eksperymentalna weryfikacja tej i wszystkich innych teorii — jeden z резонов kontynuować eksperymentów na syntezę nowych elementów. I chociaż niektórzy naukowcy kwestionują wartość naukową tych prac (i, głównie, оправданность ogromnych nakładów finansowych), nikt nie został odwołany ludzkiego i ideologiczne aspekty: otwieranie nowych elementów — jednym ze sposobów, aby zatwierdzić priorytet narodowej nauki i tym samym przekonać społeczeństwo i państwo w razie potrzeby przeznaczyć wystarczającą finansowanie badań fizycznych.
Szczegółowa opowieść o syntezie nowych pierwiastków chemicznych w ОИЯИ opublikowany w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Science. Artykuł oddaje hołd priorytetu rosyjskich naukowców w syntezie nowych elementów i przyznaje szczególne zasługi 85-letniego Jurija Оганесяна, którego osobista energia jest podstawą przywództwa Rosji w tej dziedzinie nauki.