Kvant. За пределы таблицы

Кикоин А. К. За пределы таблицы //Квант. — 1991. — № 1. — С. 38,39,42-44.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В 1871 году Д. И. Менделеев предложил периодическую систему химических элементов в виде таблицы, выражающей открытый им же за два года до того периодический закон. В первой таблице не было привычных теперь клеток, а около каждого элемента стояло одно число — относительная атомная масса (тогда она называлась атомным весом). Не было также номера элемента в таблице, а число элементов было немногим — чуть более 60, хотя для некоторых еще не открытых элементов с самого начала были оставлены места.

Проходили годы, таблица изменялась. Появились клетки-«убежища» для каждого элемента, а в них — порядковый номер, который так и понимался как порядковый, вроде номера дома на улице или номера документа в канцелярии.

Периодическим законом и таблицей широко пользовались и химики, и физики, но ни тем, ни другим не была известна причина периодичности свойств элементов, а значит, не был известен и смысл таблицы. Положение изменилось только через сорок с лишним лет.

Д. И. Менделеев — известный во всем мире за исключением России — во время одного из визитов в Манчестер.

В 1911 году опыты Э. Резерфорда показали, что атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки вокруг него. А голландский юрист (?!) Ван дер Брук выяснил, что заряд ядра атома (если принять за единицу электрического заряда заряд электрона) как раз равен порядковому номеру элемента.

В 1913 году Н. Бор предложил новую, квантовую в своей основе, теорию строения атома, которая дала возможность, наконец, понять причину периоличности свойств элементов в периодической таблице. Связанный с этой теорией закон — закон Мозли — позволял прямо из опыта определять значение порядкового номера элемента. Теперь он перестал быть «порядковым» и стал атомным номером.

В 1932 году был установлен состав атомных ядер: ядро атома состоит из положительно заряженных частиц — протонов и электрически нейтральных частиц — нейтронов, масса которых почти равна массе протонов. Следовательно, атомный номер элемента (бывший порядковый) — это число протонов в его ядре и, соответственно, число электронов в электронной оболочке его атома.

К этому времени в таблице Менделеева было заполнено уже 92 клетки — от водорода до урана, правда 4 клетки еще пустовали. Четыре элемента никак не удавалось обнаружить ни в земной коре, ни в воде, ни в атмосфере. Правда, щедрость природы сказалась в том, что многие клетки таблицы оказались «убежищем» не для одного атома, а для многих — для изотопов одного и того же химического элемента, так что различных атомов оказалось много больше, чем 88 и даже 92. А не могут ли существовать химические элементы и за пределами таблицы Менделеева — влево от начала или вправо от ее конца?

Слева от начала таблицы

Эрнест Резерфорд — директор Кавендишской лаборатории в Кембридже.

Еще в 1920 году Э. Резерфорд высказал предположение, что может существовать элемент с нулевым номером. И когда в 1932 году был открыт нейтрон, стало ясно, что на роль «обитателя» нулевой клетки таблицы подходит именно он. Это и в самом деле химический элемент с нулевым атомным номером, хотя даже в самых современных таблицах рисовать нулевую клетку с нейтроном в ней не принято.

С расширением таблицы «влево» было, казалось, покончено — влево от нуля вроде бы идти некуда.

Вправо от конца таблицы

После открытия нейтрона и создания первых источников нейтронов они стали применяться для облучения различных веществ и изучения происходящих при этом ядерных реакций.

Оказалось, например, что очень часто происходят реакции типа такой:

\(~^{23}_{11}Na + ^1_0n \to \ ^{24}_{11}Na + \gamma\) .

Это так называемый радиационный захват нейтрона — нейтрон «захватывается» ядром натрия с испусканием (радиацией) гамма-кванта. Но изотоп \(~^{24}_{11}Na\) радиоактивен и с периодом T ≈ 14 часов распадается с испусканием β-частицы (электрона -\(~^0_{-1}e\)):

\(~^{24}_{11}Na \to \ ^{24}_{12}Mg + \beta\) . (*)

Таким образом, конечный результат облучения нейтронами состоит в том, что натрий превращается в своего соседа справа — в магний.

Энрико Ферми (1901—1954).

Аналогичные реакции наблюдались на очень многих элементах. Это навело Э. Ферми на счастливую мысль — поставить опыт с облучением нейтронами последнего тогда элемента таблицы Менделеева — урана. Быть может, и он превратится в своего реально не существующего в природе соседа справа, т. е. в элемент с атомным номером 93? Ферми с сотрудниками такой опыт поставили, но не смогли доказать, что «заурановый» элемент действительно был получен, хотя в осторожной форме и указали на такую возможность. Впоследствии выяснилось, что в их опытах получался не один даже, а по крайней мере два заурановых элемента.

Во-первых, происходит то, что и ожидал Ферми, — реакция, как две капли воды похожая на реакцию (*):

\(~\begin{matrix} ^{238}_{92}U + ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U + \gamma \\ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \beta \end{matrix}\) .

Период полураспада \(~^{239}_{92}U\) всего 2,3 минуты. Получившийся новый элемент нептуний тоже бета-радиоактивен, и с периодом полураспада T ≈ 2,3 дня он превращается в элемент с новым атомным номером — 94, названный плутонием:

\(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \beta\) .

Так были «открыты» первые два заурановых элемента — Np и Pu. Слово «открыты» поставлено в кавычки потому, что они были не открыты, а созданы. Открыть ведь можно то, что существует, но еще не обнаружено, здесь же была открыта лишь возможность создания новых элементов.

В дальнейшем было «приготовлено» более десятка изотопов нептуния. Наиболее стабильный из них — \(~^{237}_{93}Np\). у которого период полураспада около 2,2 миллионов лет. Сохранись он на Земле, он был бы «отцом» радиоактивного семейства, конечным продуктом распада которого был бы \(~^{209}_{83}Bi\). Получено много изотопов и плутония. Огромное практическое значение имеет один из них — \(~^{239}_{94}Pu\), который наряду с \(~^{235}_{92}U\) служит топливом в ядерных реакторах.

Настала очередь создания и следующих заурановых элементов.

Элемент номер 95 — америций (Am)

Этот элемент в атомных реакторах получается «сам собой»: один из изотопов плутония бета-радиоактивен и по правилу смещения превращается в америций:

\(~^{241}_{94}Pu \to \ ^{241}_{95}Am + \beta\) .

Элемент номер 96 — кюрий (Cm)

Впервые этот элемент был получен облучением \(~^{239}_{94}Pu\) альфа-частицами высокой энергии по реакции

\(~^{239}_{94}Pu + ^4_2He \to \ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n\) .

Известно более десяти изотопов кюрия. Самый стабильный из них — \(~^{249}_{96}Cm\), у которого период полураспада равен 16 миллионам лет.

Элемент номер 97 — берклий (Вк)

Чтобы получить этот элемент, облучению альфа-частицами был подвергнут один из изотопов америция:

\(~^{241}_{95}Am + ^4_2He \to \ ^{243}_{97}Bk + 2^1_0n\) .

Период полураспада этого изотопа берклия 4,5 часа, но есть и более долго живущие изотопы. Например, \(~^{247}_{97}Bk\), у которого Т = 7000 лет.

Элемент номер 98 — калифорний (Cf)

«Открыт» почти одновременно с берклием путем облучения альфа- частицами изотопа кюрия:

\(~^{242}_{96}Cm + ^4_2He \to \ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n\) .

У этого элемента тоже есть изотоп со значительным периодом полураспада. Это \(~^{251}_{98}Cf\) с Т = 800 лет.

Элемент номер 99 — эйнштейний (Es)

Для создания этого элемента потребовалось воздействие на ядра не легких альфа-частиц, а ускоренных ионов более тяжелых элементов — ионов азота с энергией около 100 МэВ:

\(~^{238}_{92}U + ^{14}_7N \to \ ^{246}_{99}Es + 6^1_0n\) .

Элемент номер 100 — фермий (Fm)

Этот элемент был получен почти таким же способом, как и предыдущий, с тем только различием, что здесь были использованы ионы кислорода, ускоренные до энергии 180 МэВ:

\(~^{238}_{92}U + ^{16}_8O \to \ ^{250}_{100}Fm + 4^1_0n\) .

Элемент номер 101 — менделевий (Md)

Он получен так:

\(~^{253}_{99}Es + ^4_2He \to \ ^{256}_{101}Md + ^1_0n\) .

У самого стабильного изотопа менделевия \(~^{258}_{101}Md\) период полураспада около 5 часов.

Элемент номер 102 — нобелий (No)

Перечисленные выше заурановые элементы были синтезированы усилиями главным образом американских ученых во главе с Г. Сиборгом. В создании 102-го элемента впервые участвовали и советские физики группы академика Г. Н. Флёрова. Ими было показано, что нобелий может быть получен облучением \(~^{238}_{92}U\) ускоренными ионами неона:

\(~^{238}_{92}U + ^{22}_{10}Ne \to \ ^{256}_{102}No + 4^1_0n\) .

Все изотопы этого элемента имеют небольшие периоды полураспада — от одной секунды до трех минут.

Элемент номер 103 — лоуренснй (Lr)

Для его получения была использована реакция облучения калифорния быстрыми ионами бора:

\(~^{252}_{98}Cf + ^{10}_5B \to \ ^{257}_{103}Lr + 5^1_0n\) .

Периоды полураспада всех известных изотопов лоуренсия исчисляются секундами.

Элемент номер 104 — курчатовий (Ku)

При синтезе этого элемента снова были использованы быстрые ионы неона, которыми облучали плутоний:

\(~^{242}_{94}Pu + ^{22}_{10}Ne \to \ ^{260}_{104}Ku + 4^1_0n\) .

Позже были синтезированы и другие изотопы курчатовия, периоды полураспада у всех у них очень малые.

Были сообщения о синтезе и элементов с более высокими атомными номерами — вплоть до 107. Получение таких элементов сильно затрудняется тем, что их периоды полураспада столь малы, что элементы распадаются почти тотчас после образования. К тому же радиоактивные ядра заурановых элементов распадаются не только с испусканием альфа- или бета-частиц, но и путем самопроизвольного деления ядер. Ясно, что при делении ядра зауранового элемента заурановый же элемент не получится.

Все это ограничивает возможность дальнейшего расширения таблицы Менделеева вправо. Существуют, однако, теоретические соображения, позволяющие надеяться на то, что некоторые ядра с высокими атомными номерами могут оказаться долгожи-

вущими (например, ядра с номерами 114, 126). Проверить это было бы, конечно, очень интересно.

Еще раз к вопросу о ... «слева»

Выяснив, что нейтрон — нулевой элемент, мы, казалось бы, пришли к выводу, что с вопросом о выходе за пределы таблицы влево покончено. Однако есть основания для того, чтобы еще раз к нему вернуться.

Дело в том, что наряду с известными элементарными частицами — электронами, протонами и нейтронами могут существовать и так называемые античастицы. Так, если считать электрон частицей, то существует его античастица — позитрон, отличающаяся от электрона только знаком электрического заряда. Наблюдались и антипротоны — такие же, как протоны, но только отрицательно заряженные частицы. Наблюдались даже антинейтроны — частицы такие же нейтральные, как и нейтроны, но все же «анти». В таком случае возможны и антиядра, состоящие из антипротонов и антинейтронов, и антиатомы, в которых антиядра окружены не электронной, а позитронной оболочкой. А поскольку атомный номер элемента в таблице Менделеева определяет положительный заряд его ядра, то антиэлементы должны располагаться слева от нулевого элемента.

Заурановые элементы в природе не существуют, однако, их можно «сделать». Антиэлементов в природе тоже нет, но и их, по крайней мере в принципе, тоже можно «сделать». Правда это очень трудная задача, потому что вещество и антивещество, атомы и антиатомы, частицы и античастицы не могут мирно сосуществовать. При близком соседстве они, как говорят, аннигилируют, исчезают. Но... не бесследно — при аннигиляции выделяется огромная энергия. В расчете на единицу массы она примерно в 1000 раз больше энергии, выделяющейся при обычных ядерных реакциях. Кто знает, не станет ли когда- нибудь аннигиляция «вещество — антивещество» управляемым и безопасным видом энергии? Пока это чистая фантазия, но ведь многое из того, чем мы сейчас пользуемся, когда-то тоже было фантазией.