Ученые-атомщики наконец надеются начать восьмую строку таблицы Менделеева и открыть новые элементы, которых раньше никогда не видели. Для средневековых алхимиков стремление превратить «базовые» металлы, такие как свинец, в «благородное» золото было манящей, но неуловимой целью. Многие использовали мистику и магию в своем стремлении к этой трансформации, надеясь, что она позволит им раскрыть секреты продления человеческой жизни. На первый взгляд, это несколько противоречит современному научному подходу.
Но физики сегодня занимаются своей собственной формой алхимии, превращая один элемент в другой. Они делают то, что древние алхимики не могли: создают новые атомы, которые расширяют сферы того, что возможно и проливают свет на то, как ведет себя материя в нашей вселенной.
Современная алхимия
Одним из таких людей является Косуке Морита, физик-ядерщик из японского университета Кюсю и руководитель первой азиатской команды, которая синтезирует новый элемент таблицы Менделеева - сверхтяжелый элемент 113. Современные ученые не пытаются превратить бесполезный металл в благородный. Они сталкивают два атома вместе, чтобы получить более крупный.
Создание новых элементов
В периодической таблице известны уже 118 элементов. Теперь ученые заняты поисками элемента 119.
На Земле нет естественных элементов с более чем 92 протонами в ядре их атомов - особенность, обозначаемая атомным номером в периодической таблице. Однако возможно синтезировать атомы с большим количеством в лаборатории.
На практике технически сложно синтезировать сверхтяжелые элементы с атомными номерами более 103. Когда два атома сталкиваются, положительно заряженные протоны в их ядрах вызывают электростатическое отталкивание. Чтобы препятствовать тому, чтобы ядра просто отскакивали друг от друга, ученые должны столкнуть их вместе на чрезвычайно высоких скоростях. Обычно это предполагает использование одного элемента в качестве цели и бомбардировку его интенсивным пучком ионов второго элемента, движущегося со скоростью тысячи километров в секунду.
Самая большая трудность в синтезе нового сверхтяжелого элемента состоит в том, что ядро имеет крошечные размеры, всего одну триллионную часть сантиметра в поперечнике. И есть только один шанс на 100 триллионов, что они объединяться, даже если два ядра столкнуться.
Усилия ученых
Изотопы 113 - варианты атома, которые различаются по атомному весу из-за количества нейтронов, которые они имеют в своем ядре, появились в течение мимолетной тысячной доли секунды в Центре RIKEN Nishina в Вако, Япония.
И хотя Морита, по общему признанию, человек науки, это не помешало ему придерживаться суеверий, которые, возможно, отражают связь его работы с более древними формами алхимии. Пытаясь доказать существование элемента 113, он совершал подношение в размере 113 иен каждый раз, когда посещал синтоистский храм.
Но работа Мориты и его коллег была далека от колдовского дела.
«Элемент 113 был синтезирован, когда мы ускорили пучок ядер цинка и столкнули его с мишенью из висмута на скорости, которая составляла 10 % от скорости света», - поделился Морита. За девять лет понадобилось более четырех триллионов столкновений, чтобы всего три раза получить элемент 113. Но этого было достаточно, чтобы признать его новым элементом.
За девять лет понадобилось более четырех триллионов столкновений, чтобы добиться этого результата.
Результаты
Когда они обнаружили элемент, группа Мориты также получила право назвать его. После долгих размышлений в конце концов остановился на ниониуме с символом Nh. Город Вако назвал улицу в честь нового элемента в знак признания открытия.
«С точки зрения химии, это очень важно, так как мы заполняем один пробел в периодической таблице, и там может быть только 173 пробела», - пояснил Морита в бюллетене RIKEN, опубликованном примерно во время открытия элемента 113. Ученые подсчитали, что всего может существовать только 172 или 173 элемента, прежде чем ядра начнут распадаться, хотя некоторые полагают, что Периодическая таблица может расшириться еще больше.
Дальнейшие исследования
Теперь Морита и его команда стремятся к открытию еще одного нового элемента, который откроет восьмую строку в таблице Менделеева. Элемент 119, условно названный ununennium, по-прежнему является гипотетическим элементом, который будет седьмым щелочным металлом, обладающим свойствами, аналогичными другим летучим веществам в этой группе, включая литий, натрий, калий и цезий.
Синтезировать и затем обнаруживать его будет нелегкой задачей.
Создание элемента 119 потребует месяцев облучения мишени из кюрия интенсивным пучком ванадия. Даже тогда количество 119, которое будет произведено, вероятно, будет крошечным, а его существование невероятно коротким.
Японская команда сталкивается с острой конкуренцией со стороны других групп по всему миру, включая команду в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, Россия, во главе с Юрием Оганесяном, физиком, чье имя сейчас носит самый тяжелый элемент, который можно обнаружить, оганессон, который он помог синтезировать впервые в 2002 году. Российская команда имеет огромный послужной список, обнаружив четыре самых тяжелых известных элемента в периодической таблице, 114-118.
Обе команды используют реакцию горячего синтеза, чтобы найти элемент 119, тот же метод, который использовала команда Оганесяна для обнаружения элементов 114-118, где чрезвычайно высокие температуры используются для слияния ядер. Русские планируют использовать титановый луч для бомбардировки цели берклия, в то время как японцы используют ванадий для бомбардировки кюрия.
Чтобы улучшить свои шансы найти элемент 119, команда Мориты планирует провести эксперименты с использованием двух типов ускорителей частиц, начиная с циклотронного пучка, который запускает частицы вокруг замкнутого кольца, ожидая, пока линейный ускоритель начнет работать.
Если эксперименты будут успешными, это может стать началом новой эры атомной науки. Физики полагают, что в восьмой строке таблицы Менделеева находится так называемый «островок стабильности». Именно здесь, как предсказывают, изотопы сверхтяжелых элементов обладают «магическим числом», которое делает их удивительно стабильными, потенциально с периодом полураспада в сотни лет. Это дало бы возможность найти новые применения этих долгоживущих элементов в зависимости от их свойств.
Потенциальные практические применения открытия нового элемента могут быть не очевидными на первый взгляд, но могут быть чрезвычайно полезными в будущем. Например, открытие гадолиния в 1880 году и технеция в 1937 году. Это два металла, которые дают пациентам перед сканированием, таким как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ), чтобы облегчить визуализацию ткани.
Если новые элементы, которые исследуют Морита и его коллеги, окажутся полезными, они могут достичь другой цели древних алхимиков. И гораздо более ценно, чем обычное золото.
