За межами таблиці Менделєєва: навіщо шукають трансуранові елементи

У пошуках нових хімічних елементів вчені давно залишили звичний «материк» шкільної Періодичної таблиці, пройшли радіоактивним півостровом, перетнули протоку вкрай нестійких ядер і опинилися на довгоочікуваних берегах «острова Стабільності».

Хімічний материк

Півтора століття тому, коли Дмитро Іванович Менделєєв відкрив Періодичний закон, було відомо лише 63 елементи. Впорядковані в таблицю, вони легко розкладалися по періодах, кожен з яких відкривається активними лужними металами і закінчується (як з'ясувалося пізніше) інертними шляхетними газами. Відтоді таблиця Менделєєва збільшилася майже вдвічі, і з кожним розширенням Періодичний закон підтверджувався знову і знову. Рубідій так само нагадує калій і натрій, як ксенон - криптон і аргон, нижче вуглецю розташовується багато в чому схожий на нього кремній... Сьогодні відомо, що ці властивості визначаються числом електронів, що обертаються навколо атомного ядра.

Вони заповнюють «енергетичні оболонки» атома одну за одною, як глядачі, що по порядку займають сидіння на своїх рядах у театрі: той, хто виявився останнім, визначить хімічні властивості всього елемента. Атом з повністю заповненою останньою оболонкою (як гелій з його двома електронами) буде інертним; елемент з одним «зайвим» електроном на ній (як натрій) стане активно утворювати хімічні зв'язки. Кількість негативно заряджених електронів на орбітах пов'язана з кількістю позитивних протонів в ядрі атома, і саме числом протонів відрізняються різні елементи.

Зате нейтронів в ядрі одного і того ж елемента може бути різна кількість, заряду у них немає, і на хімічні властивості вони не впливають. Але залежно від числа нейтронів водень може виявитися важче гелію, а маса літію - досягати семи замість «класичних» шести атомних одиниць. І якщо список відомих елементів сьогодні наближається до позначки в 120, то число ядер (нуклідів) перевалило за 3000. Більшість з них нестабільні і через деякий час розпадаються, викидаючи «зайві» частинки в ході радіоактивного розпаду. Ще більше нуклідів нездатні існувати в принципі, моментально розвалюючись на шматки. Так материк стабільних ядер оточує ціле море нестійких поєднань нейтронів і протонів.

Море Нестійкості

Доля ядра залежить від числа нейтронів і протонів у ньому. Згідно оболонкової теорії будови ядра, висунутої ще в 1950-х, частинки в ньому розподіляються за своїми енергетичними рівнями так само, як електрони, які обертаються навколо ядра. Деякі кількості протонів і нейтронів дають особливо стійкі конфігурації з повністю заповненими протонними або нейтронними оболонками - по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронів ще й 126 частинок. Ці числа називаються «магічними», а найстабільніші ядра містять «двічі магічні» кількості частинок - наприклад, 82 протони і 126 нейтронів у свинцю або по два - в звичайному атомі гелію, другого за поширеністю елемента у Всесвіті.

Мета подорожі підказана тією ж оболонковою теорією будови ядра. Це - область надважких елементів з підходящим (і дуже великим) числом нейтронів і протонів, легендарний «острів Стабільності». Розрахунки говорять, що деякі з місцевих «жителів» можуть існувати вже не частки мікросекунд, а на багато порядків довше. "У певному наближенні їх можна розглядати як крапельки води, - пояснив нам академік РАН Юрій Оганесян. - Аж до свинцю йдуть ядра сферичні та стійкі. За ними йде півострів помірно стабільних ядер - таких як торій або уран, - який витягується відміллю сильно деформованих ядер і обривається в нестабільне море... Але ще далі, за протокою, може знаходитися нова область сферичних ядер, надважких і стійких елементів з номерами 114, 116 і далі ". Час життя деяких елементів на «острові Стабільності» може тривати вже роки, і то й мільйони років.