Алхимии отцовой пережитки

28 ноября 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) присвоил названия четырем сверхтяжелым элементам: нихонию (113 элемент периодической системы), московию (115 элемент), теннесину (117 элемент) и оганесону (118 элемент). Московий, теннесин и оганесон впервые были получены в Российской Федерации в коллаборации с американскими физиками. В годовщину этой даты мы совместно с Издательством Яндекса приготовили ответы на распространенные в интернете вопросы про сверхтяжелые элементы.

Можно ли предсказать, сколько сверхтяжелых элементов еще можно будет открыть? Есть ли какое-то максимальное количество протонов, которое может быть в ядре и которое бы ограничивало массу элемента?

Все подобные предсказания основаны на современных моделях устойчивости атомных ядер. Исходя из самых наивных соображений кажется, что устойчивым может быть любое ядро, в котором кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами компенсируется силой связи между ними за счет сильного взаимодействия. Для этого, в любом случае, в ядре должно быть определенное количество незаряженных нейтронов, однако соотношение между количеством нейтронов и протонов — недостаточное условие для устойчивости атомных ядер. Здесь вступает в игру квантовая природа нуклонов: они обладают полуцелым спином и, как и электроны, стремятся собираться парами и формировать заполненные энергетические уровни.

Эти эффекты приводят к различию в устойчивости протонно-нейтронных систем относительно нескольких путей распада — спонтанного деления (которое происходит в результате квантово-механических эффектов и без внешнего возбуждения приводит к разделению на более легкие ядра и нейтроны), также α- и β-распада с испусканием α-частицы или электрона (или позитрона) соответственно. По отношению к каждому из каналов распада у каждого ядра есть свое время жизни. Так, при увеличении атомного номера элемента резко увеличивается вероятность спонтанного деления, что накладывает значительные ограничения на существование стабильных ядер сверхтяжелых элементов — все они должны быть неустойчивыми с довольно коротким периодом полураспада. Поэтому для всех элементов тяжелее свинца стабильных изотопов нет, все они радиоактивные.

Тем не менее, теория предсказывает, что даже среди сверхтяжелых элементов могут быть изотопы с относительно большим временем жизни. Они должны существовать для систем с подходящим соотношением протонов и нейтронов и полностью заполненными протонными и нейтронными уровнями. Тем не менее, синтезировать такие элементы пока не удалось, и если до ближайшего «острова стабильности» (который предсказывается для ядра флеровия со 184 нейтронами) добраться в ближайшем будущем кажется возможным, то отыскать среди абсолютно неустойчивых систем более тяжелые ядра со следующей заполненной оболочкой будет значительно тяжелее, если не невозможно.

Стоит, однако, отметить, что все эти предсказания основаны на моделях, которые хорошо работают для сравнительно небольших ядер, однако для сверхтяжелых элементов форма ядра, например, начинает довольно заметно отклоняться от сферической, что требует внесения поправок в эти модели.

Есть ли у сверхтяжелых элементов какое-то практическое применение? Или, возможно, оно появится в будущем?

На данный момент у сверхтяжелых элементов никакого практического применения нет. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, их синтез — крайне сложный технологический процесс, занимающий довольно долгое время, в результате которого происходит образование совсем небольшого количества ядер. Во-вторых, из всех элементов с порядковым номером больше ста только фермий (100-й элемент) и менделевий (101-й) имеют сравнительно стабильные изотопы с периодом полураспада 100 и 50 суток соответственно. У остальных же сверхтяжелых элементов даже самые устойчивые из синтезированных изотопов распадаются в лучшем случае за несколько десятков часов, а чаще — за секунды или даже миллисекунды.

Поэтому пока процесс синтеза сверхтяжелых ядер представляет лишь фундаментальный интерес, связанный с изучением нуклон-нуклонного взаимодействия и взаимодействия между кварками. Свойства синтезированных изотопов помогают строить более точные теоретические модели, которые можно использовать не только для исследования ядер атомов на Земле, но и, например, при изучении нейтронных звезд, в ядре которых плотность нуклонов значительно превышает плотность в ядрах атомов.

Ученые ожидают, что в будущем у сверхтяжелых элементов могут появиться и какие-то практические применения, связанные, в частности, с разработкой сенсоров или радиографических методов в медицине или промышленности. Возможно, это будут и какие-то новые способы использования, которые невозможно предсказать сейчас, однако в ближайшие годы их точно ожидать не стоит, потому что для этого должны кардинальным образом измениться технологии их получения.

Можно ли получить стабильные изотопы сверхтяжелых элементов, или все они будут только радиоактивными?

Стабильные изотопы элементов, расположенных в таблице Менделеева после свинца, сейчас неизвестны. Порядковый номер свинца в таблице Менделеева — 82-й. Это значит, что все элементы начиная с висмута будут так или иначе радиоактивными. Период полураспада этих элементов, однако, может варьироваться в очень широких пределах. Так, у наиболее устойчивого изотопа висмута, который раньше считался устойчивым, период полураспада составляет 2 × 10¹⁹ лет, что на несколько порядков больше возраста Вселенной.

У синтезированных на данный момент изотопов сверхтяжелых элементов (с порядковым номером в таблице элементов больше ста) период полураспада значительно меньше, чем у висмута, и варьируется от ста дней до долей миллисекунды. Все они тоже радиоактивны.

Однако, согласно теоретическим предсказаниям, для некоторых элементов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре возможно значительное увеличение периода полураспада. Нужное количество нейтронов и протонов в ядре соответствует полностью заполненным нейтронным и протонным оболочкам и предположительно должно равняться 114 для протонов и 184 для нейтронов. Теоретически такая конфигурация должна приводить к увеличению периода полураспада от сотен микросекунд до 10⁵ лет. Относительная устойчивость ядер с числом протонов и нейтронов, близким к этим значениям, позволяет предположить существование «острова стабильности» среди сверхтяжелых элементов. Тем не менее, подтвердить его существование экспериментально пока не удалось. Но даже столь значительное увеличение времени жизни ядер не сделает эти изотопы устойчивыми — они так и останутся радиоактивными.

Возможно ли, хотя бы теоретически, обнаружить сверхтяжелые элементы в природе? Или хотя бы продукты их распада, которые бы доказывали, что такие элементы существовали?

Ни один из сверхтяжелых элементов обнаружен в природе не был (что неудивительно, учитывая, что у всех из них очень короткие периоды полураспада). Элемент с самым большим порядковым номером, который удалось найти на сегодняшний день в природе, — это уран с его 92 протонами в ядре.

В начале 1970-х годов сообщалось о нахождения в природных минералах элемента с порядковым номером 108 (позднее был синтезирован под названием хассий), около десяти лет назад говорили об обнаружении в образцах тория следов 122-го элемента, однако подтверждены эти факты не были.

На Земле условий, необходимых для синтеза устойчивых сверхтяжелых ядер, нет и никогда не было, однако считается, что близкие к подобным условиям могут достигаться при взрывах сверхновых. Температура при этом поднимается до значений, достаточных для запуска быстрого поглощения ядрами нейтронов (так называемого r-процесса). Пока достоверных подтверждений естественного образования элементов с порядковым номером больше 100 в таких процессах зафиксировано не было, однако проводятся исследования состава космических лучей на предмет наличия в них следов сверхтяжелых элементов. В частности, об обнаружении в метеоритном веществе частиц с атомными числами более 100 говорили в 2011 году. Эти данные, однако, также не были подтверждены.

Откуда появилось выражение «трансфермиевые войны» и почему так часто возникает вопрос о первенстве той или иной группы в синтезе нового элемента?

Это выражение обычно используют для обозначения споров между США и СССР о приоритете при открытии элементов с порядковыми номерами 104,105 и 106, которые были были открыты в 60-х и 70-х годах XX века. Сам термин «трансфермиевые войны» (все эти элементы располагаются в таблице Менделеева как раз вслед за фермием) был впервые предложен в 1994 году. В Советском Союзе синтез проводился в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, в США — в Национальными лабораториями имени Лоуренса в Беркли и Ливерморе. Первые удачные попытки синтеза 104-го элемента сейчас датируются 1964 годом, 105-го элемента — 1970 годом, а 106-го — 1974-м.

Советская сторона считала, что именно в Дубне впервые удалось синтезировать 104-й и 105-й элементы, и использовала для них названия «курчатовий» и «нильсборий» соответственно. Американские ученые критиковали результаты советских экспериментов и доказывали, что первыми получили эти элементы физики в их лабораториях и назвали их «резерфордием» и «ганием» (в честь Эрнеста Резерфорда и Отто Гана соответственно). Однако из-за того, что значительная часть данных о синтезе была в то время закрыта, однозначно определить первенство той или иной группы было достаточно сложно.

Из-за этого процесс выяснения первенства растянулся на 30 лет и стал одним из элементов холодной войны. Лишь в 1994 году была собрана международная комиссия, которая рассмотрела известные данные и предложила свои варианты названий для элементов. Изначально некоторые из принятых решений вызывали споры, в частности о присвоении элементам имен в честь еще живущего человека (Гленна Сиборга), перенесении названия от одного элемента другому относительно начальных предложений (что вовлекло в споры третью сторону — немецкое Общество исследования тяжелых элементов, ученые которого синтезировали 107-й, 108-й и 109-й элементы).

В результате было найдено компромиссное решение, и в 1997 году произошло окончательное утверждение приоритетов и названий элементов. В частности, было решено не увековечивать имена Игоря Курчатова и Отто Гана, имеющих отношение к советскому и нацистскому ядерным проектам. 104-й и 106-й элемент сейчас используют названия, предложенные американской стороной (резерфордий и сиборгий), 105-й элемент — в признание заслуг советских ученых назвали дубнием, для 107-го, 108-го и 109-го элементов используют названия, предложенные немецкими учеными — борий, хассий и мейтнерий (лишь первый из них отличается от предложенного варианта — изначально его предлагали называть нильсборием). Сейчас благодаря открытости данных и прописанной процедуре присвоения элементам имен вопросы о приоритете решаются значительно проще.

Могут ли сверхтяжелые элементы рождаться при взрывах сверхновых? И можем ли мы это рождение зафиксировать?

Известно, что при вспышках сверхновых может происходить образование ядер очень тяжелых элементов, например урана или тория. Эти ядра образуются по механизму быстрого захвата нейтронов (так называемый r-процесс). Считается, что при взрыве сверхновой образуется достаточная температура — около четырех миллиардов градусов — для запуска этого процесса. Тем не менее, частота образования самых тяжелых ядер даже в таких условиях не очень высока. Считается также, что, кроме урана и тория, при взрыве сверхновых звезд возможно, например, образование калифорния (это 98-й элемент).

Для образования более тяжелых ядер в результате r-процесса необходим запуск термоядерной реакции — таким образом, например, на Земле удалось впервые синтезировать эйнштейний (99-й элемент) и фермий (100-й). Предполагается, что несколько термоядерных взрывов могут привести и к достижению острова стабильности в результате r-процесса. Однако сегодня принято считать, что при взрывах сверхновых такие условия не выполняются и элементы с порядковыми номерами более 100 не образуются. Тем не менее, следы стабильных сверхтяжелых элементов, которые могли образоваться при взрывах сверхновых, продолжают искать, например, в космических лучах и облученных ими метеоритах. Подтверждение же синтеза более легких элементов (например, урана или калифорния) проводят по спектроскопическим исследованиям продуктов их спонтанного деления.

Почему так часто реакции синтеза сверхтяжелых элементов оказываются неудачными, если по теоретическим расчетам они должны работать?

Сверхтяжелые ядра получают с помощью реакции слияния более легких ядер друг с другом. Для этого мишень из более тяжелых элементов бомбардируют ядрами более легких. Чтобы получить ядро с необходимым числом протонов и нейтронов, нужно правильно подобрать те ядра, которые используются в качестве мишеней и снарядов. Здесь может быть несколько проблем, снижающих вероятность образования нужного ядра и его обнаружения.

Во-первых, для образования нужного ядра необходимо преодолеть электростатический барьер — все-таки оба сталкиваемых ядра обладают довольно большим положительным зарядом (и до того, как на коротких расстояниях между протонами начнут действовать силы притяжения, нужно преодолеть дальнодействующее электростатическое отталкивание). Для этого тем ядрам, которыми бомбардируют мишень, необходимо изначально придать достаточно высокую энергию.

Для снижения этого барьера выгоднее использовать в качестве налетающих частиц ядра с довольно большим количеством протонов. Однако их выбор на сегодняшний день ограничен. Раньше для синтеза новых ядер мишени из тяжелых элементов, например свинца, плутония или урана, бомбардировали сравнительно легкими ядрами, например неоном-22 или кислородом-18. Позже для этих целей использовали различные изотопы более тяжелых элементов: железа-58, никеля-62, никеля-64 или цинка-70. Крайне важными стали продукты реакции различных мишеней с изотопом кальция-48.

Перспективными считаются реакции, в которых мишень из урана бомбардируют ионами из сверхтяжелых элементов — того же урана, калифорния, эйнштейния. Для повышения вероятности образования ядра нужно, чтобы налетающее ядро имело сравнительно небольшой момент импульса, а образующееся «компаунд-ядро» имело форму, близкую к сферической. Нарушение этих требований приводит к тому, что реакции не происходят. Однако даже при правильном подборе параметров процесс синтеза очень долог — облучение мишени в течение нескольких месяцев может привести к синтезу сотни нужных ядер.

Таким образом, ограниченный выбор изотопов, которые можно использовать в реакциях синтеза, сложная, с технической точки зрения, их реализация и длительное время протекание реакций значительно снижают вероятность синтеза нужных ядер — даже тех, которые, по теоретическим предсказаниям, должны оказаться устойчивыми.

Раньше считали, что центр «острова стабильности» должен находиться в районе 114 элемента, а где «остров стабильности» находится по современным представлениям? Может быть, его нет вообще?

Центр «острова стабильности», согласно оболочечной модели ядра, соответствует полностью заполненным протонной и нейтронной оболочкам — изотопу с порядковым номером 114 и массовым числом 298, то есть ядру, состоящему из 114 протонов и 184 нейтронов.

Некоторые ученые считают, что центр «острова стабильности» может соответствовать следующему протонному «магическому числу» и, таким образом, более устойчивым должен быть элемент с 120-м номером (а может быть, даже и со 126-м). Кроме того, из-за высокой вероятности α-распада центр стабильности может быть смещен относительно номера 114-го к 112-му и 110-му элементам.

Поскольку для образования относительно устойчивого ядра важно не только количество протонов в нем, но и количество нейтронов, пока синтезировать изотопы с нужным числом нуклонов из-за ограниченного выбора изотопов в эксперименте не удавалось. Потому необходимых данных для подтверждения существования «острова стабильности» нет. Однако те измерения, которые были проведены для менее устойчивых изотопов сверхтяжелых элементов, достаточно хорошо согласуются с данными теоретических моделей.

Тем не менее, стоит отметить, что положение «острова стабильности» определено в рамках концепции оболочечной модели ядра, которая при большом количестве нейтронов или протонов может работать не совсем точно. В частности, некоторые эффекты, связанные с взаимодействием кварков, для нейтрон-избыточных ядер с помощью нее объяснить не удается.

Каков срок жизни элементов в центре «острова стабильности»?

Согласно теоретическим предсказаниям, центру «острова стабильности» соответствует ядро, состоящее из 114 протонов и 184 нейтронов. Синтезировать такой тяжелый изотоп пока не удалось. Однако по данным теоретических моделей именно такое число нуклонов в ядре соответствует полностью заполненным энергетическим оболочкам.

Что касается периодов полураспада этих элементов, то при делении ядер стоит принимать во внимание три возможных процесса: спонтанное деление ядер, а также α- и β-распад. Так, период полураспада ²⁹⁸114, согласно предсказаниям моделей, должен составлять примерно 10¹⁶ лет относительно спонтанного деления, 10 лет — относительно α-распада и около 10⁵ лет — относительно β-распада.

С учетом всех видов распада наиболее стабильным ядром оказывается ядро ²⁹⁸110. По данным теории, период его полураспада должен составлять около 10⁹ лет. Тем не менее, область стабильных ядер относительно широкая, и почти для всех ядер с четным числом протонов от 110 до 114 и четным числом нейтронов от 180 до 184 период полураспада превышает 1 год.

Пока эти числа — лишь результат теоретических расчетов. Самый тяжелый и самый устойчивый изотоп 114-го элемента (флеровия Fl), который на данный момент был получен экспериментально, — это ²⁸⁹Fl. Период его полураспада составляет около 30 секунд. Период самого стабильного изотопа 110-го элемента (дармштадтий Ds) — около 10 секунд. Тем не менее, экспериментально полученные значения довольно хорошо согласуются с предсказаниями теоретических моделей, поэтому если удастся провести синтез нужных ядер с большим числом нейтронов, время их жизни может существенно увеличиться.

Десять лет назад ученые говорили, что может существовать второй «остров стабильности». Удалось ли его обнаружить?

Вообще, согласно современным теоретическим моделям, в обозримой области элементов может существовать не два, а даже больше «островов стабильности», которые будут соответствовать ядрам с полностью заполненными нейтронными и протонными оболочками, когда число нуклонов равняется так называемому «магическому числу». Сейчас элемент, который может быть «островом стабильности», соответствует изотопу, состоящему из 114 протонов и 184 нейтронов. Согласно современным оболочечным моделям ядра, следующие для протонов «магические числа» — это 126 и 164, а для нейтронов — 196, 228 и 272.

Про возможное существование относительно устойчивых ядер с 120 или 126 протонами говорят довольно давно, а десять лет назад говорили о возможном существовании «острова стабильности» в районе 164-го элемента. Тем не менее, если возможного исследования 120-го элемента в относительно близкой перспективе еще можно ожидать, то говорить об экспериментальном изучении 126-го, а тем более 164-го элемента не приходится. Для этого нужны новые ускорители тяжелых ядер, которые позволили бы работать с низкими концентрациями короткоживущих изотопов. На данный момент таких устройств нет.

Сейчас самый тяжелый элемент, синтез которого удалось подтвердить, — это оганесон с порядковым номером 118. Кроме того, стоит отметить, что применимость использованных теоретических моделей для таких тяжелых ядер тоже не доказана.

Можно ли рассматривать нейтронные звезды как гигантское атомное ядро? Если нет, то в чем принципиальное отличие?

Нет, нейтронная звезда, хоть и состоит преимущественно из протонов и нейтронов, на гигантское атомное ядро не очень похожа. На самом деле, звезда имеет довольно сложное строение — как минимум пять слоев с разными свойствами, и тяжелые атомные ядра входят в состав некоторых из них как один из важных компонентов. При этом во внешних слоях в нейтронной звезде присутствуют, например, и электроны. А во внутренних слоях — ближе к центру нейтронной звезды — очень много свободных нейтронов.

Несмотря на то, что атомное ядро — квантово-механическая система с максимальной плотностью нейтронов и протонов на Земле, в нейтронных звездах плотность нуклонов значительно выше. Размер нейтронных звезд — всего пара десятков километров, а их масса часто превышает массу Солнца, поэтому ближе к центру звезды у нее очень высокая плотность — в несколько раз больше, чем в любом атомном ядре. В ядре нейтронной звезды лишь несколько процентов электронов и протонов, основную массу составляют нейтроны, которые находятся в состоянии ферми-жидкости. В самом центре звезды — во внутреннем ядре — плотность нуклонов может в 10–15 раз превышать плотность в атомных ядрах, при этом точный состав, состояние и механизмы взаимодействия частиц в таких плотных системах достоверно неизвестны.

Исследования нейтрон-избыточных ядер может дать важную информацию, о том, каким образом нейтроны и кварки могут взаимодействовать в ядре нейтронной звезды, однако состояние нуклонов в центре нейтронной звезды в любом случае сильно отличается от того, которое можно наблюдать в атомных ядрах даже самых тяжелых элементов.