Сэм Кин - Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Однако это лишь отчасти верно. Вспомните Марию Гёпперт-Майер («Мать из С. Д. получила Нобелевскую премию»). Мы уже говорили о том, что она разработала теорию о долгоживущих «магических» элементах. Так она называла элементы, в атомах которых содержится два, восемь, двадцать, двадцать восемь и т. д. протонов или нейтронов. Стабильность таких элементов оказалась гораздо выше, чем у их соседей по периодической системе. Другие количества протонов и нейтронов – например, девяносто два – также образуют компактные и довольно стабильные ядра, в которых сильные взаимодействия надежно удерживают протоны вместе. Именно поэтому уран гораздо устойчивее франция и астата, хотя и тяжелее их. По мере того как мы спускаемся все ниже и ниже по периодической системе, элемент за элементом, борьба между сильными взаимодействиями и электрическими силами все сильнее напоминает резко снижающийся график биржевого тикера. На нем прослеживается общая тенденция к понижению, но в то же время возникают многочисленные флуктуации, когда берет верх то одна сила, то другая[169].
Исходя из этого общего принципа, ученые предположили, что срок существования элементов тяжелее урана будет асимптотически приближаться к 0,0. Но по мере того, как в 1950-е и 1960-е годы удавалось синтезировать все более тяжелые элементы, стало происходить нечто неожиданное. Теоретически магические ядра должны встречаться до бесконечности, и оказалось, что гораздо ниже урана должен располагаться элемент с условно стабильным ядром – № 114. Более того, ученые из Калифорнийского университета в Беркли вычислили, что 114-й элемент может существовать значительно дольше, чем атомы примерно десяти предшествующих ему тяжелых элементов. Учитывая, как ничтожен период полураспада изотопов этих элементов (в лучшем случае – несколько микросекунд), подобная идея казалась нелогичной и дикой. Упаковка все новых протонов и нейтронов в искусственные ядра напоминает упаковку взрывчатки: чем больше частиц в ядре, тем более сильное напряжение оно испытывает. Но казалось, что элемент № 114 должен быть исключительно стабильным для такого крупного атома. Не менее странно (как минимум на бумаге) было и то, что элементы с атомными номерами 112 и 116 также должны испытывать на себе положительное влияние близости 114-й клетки. Даже имея «почти магическое» количество протонов, они должны были обладать сравнительно высокой стабильностью. Ученые окрестили это скопление элементов «островом стабильности».
Вдохновившись собственной метафорой и ощутив себя отважными мореплавателями, ученые принялись готовиться к завоеванию этого острова. Они обсуждали поиски «Атлантиды химических элементов», а некоторые, подобно старинным мореходам, даже вычерчивали в сепии карты неизведанных ядерных морей. Казалось, никто бы не удивился, если бы эти моря кишели спрутами. Попытки достичь этого острова сверхтяжелых элементов породили одну из самых захватывающих физических дисциплин. Ученые пока не добрались до этих берегов (чтобы получить по-настоящему стабильные «дважды магические» элементы, требуется искать способы внедрения все новых нейтронов в элементы-мишени), но уже прочесывают отмели, отыскивая удобную бухту, чтобы высадиться на берег.
Причудливая карта легендарного «острова стабильности» – области сверхтяжелых элементов. Ученые надеются, что этот «остров» позволит им значительно расширить границы современной таблицы Менделеева. В левом нижнем углу – символ свинца (Pb), край основной, «континентальной», части периодической системы. Он отделен проливом нестабильных элементов от острова, где высятся условно стабильные пики тория и урана. Далее открывается бескрайнее море. Автор карты – Юрий Цолакович Оганесян, работающий в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна)
Неудивительно, что перед «островом стабильности» раскинулась область очень неустойчивых элементов, примерно в центре которой находится франций. Восемьдесят седьмой элемент находится между магическим ядром № 82 и условно стабильным ядром № 92. Поэтому некоторые нейтроны и протоны франция постоянно «норовят выпрыгнуть» из атома и отправиться в свободное плавание. На самом деле, из-за крайне непрочной структуры ядра франций не только является самым нестабильным элементом, встречающимся в природе, но и уступает по стабильности даже всем искусственно полученным элементам вплоть до сто четвертого – резерфордий. Если правомерно
выделить на карте такой «пролив нестабильности», то франций будет пускать пузырьки с самого его дна.
Однако франций в природе встречается чуть чаще, чем астат. Почему? Дело в том, что многие радиоактивные элементы, расположенные вокруг урана, на том или ином промежуточном этапе распада превращаются во франций. А что же франций? Вместо того чтобы подвергаться обычному альфа-распаду и в результате (потеряв два протона) превращаться в астат, этот атом более чем в 99,9 % случаев облегчает свое перегруженное ядро, претерпевая бета-распад, и становится радием. Затем радий проходит целый ряд стадий альфа-распада, минуя астат. Иными словами, механизм радиоактивного распада многих нестабильных атомов на клетке франция немного пробуксовывает – именно поэтому количество франция в земной коре измеряется несколькими сотнями граммов. В то же время франций не позволяет своим атомам превращаться в астат, из-за чего астат является еще более редким. Загадка решена.
Итак, с проливом разобрались, а что же с «островом стабильности»? Весьма маловероятно, что химикам удастся синтезировать все возможные элементы вплоть до очень крупных магических ядер. С другой стороны, возможно, все же удастся получить элемент № 114, затем № 126 и продолжать путь к «острову» уже оттуда. Некоторые ученые полагают, что при добавлении электронов к сверхтяжелым ядрам стабильность таких атомов может повыситься. Возможно, электроны будут действовать как пружины и амортизаторы, впитывая ту энергию, которую атомы обычно тратят на саморазрушение. Если эта гипотеза подтвердится, возможно, будут синтезированы и элементы после 140-го, 160-го и 180-го номеров. «Остров стабильности» превратится в архипелаг-цепочку. Такие стабильные «острова» будут отстоять все дальше друг от друга. Но, возможно, ученые смогут постепенно преодолевать эти огромные расстояния в новом периодическом архипелаге – как полинезийцы на своих лодках осваивали Океанию.
Самое интересное заключается в том, что эти новые элементы не будут просто утяжеленными аналогами известных сегодня элементов, а могут обладать совершенно новыми свойствами (вспомните, как сильно свинец отличается от кремния и углерода). Согласно некоторым расчетам, если электроны смогут укротить сверхтяжелое ядро и повысить его стабильность, то и ядро сможет управлять электронами. В таком случае электроны, возможно, начнут заполнять оболочки и орбитали атома в необычном порядке. Элемент, который согласно периодическому закону должен проявлять свойства тяжелого металла, может слишком рано заполнить свои орбитали; в таком случае получится элемент типа металлического благородного газа.
Не хотелось бы гневить богов, но ученые уже придумали названия для этих гипотетических элементов. Вероятно, вы заметили, что тяжелые элементы в самом низу таблицы имеют трехбуквенные, а не двухбуквенные обозначения, причем все они начинаются с и. Опять же, все дело во влиянии древнегреческого и латыни. Еще не открытый элемент 119 Uue называется «унунений», сто двадцать второй элемент Ubb – унбибий и т. д.[170] Эти элементы получат «настоящие» названия лишь после того, как их удастся синтезировать, но пока ученые могут просто «пометить» их латинскими словами-формулами – и не только их, но и другие элементы, вызывающие наибольший интерес, например, магическое ядро 184, названное «уноктквадий». (И слава богу! Прямо на наших глазах отмирает привычная двухчастная классификация видов в биологии – та самая, в которой домашняя кошка называется Felis catus. На смену ей приходят хромосомные обозначения ДНК, напоминающие штрихкоды. Прощай, Homo sapiens, человек разумный, здравствуй ТЦАТЦГГТЦАТТГГ… Таким образом, элементы на «у-» остаются одним из последних бастионов латыни в науке – там, где этот язык некогда доминировал[171].)
Итак, как далеко может зайти подобное путешествие с острова на остров? Доведется ли нам наблюдать пики маленьких вулканов, теряющиеся далеко в бесконечности за границами периодической системы, и называть их какими-нибудь протяжными именами вроде э-э-э-э-э…энний, элемент № 999? Увы, нет. Даже если ученые найдут способ склеивания сверхтяжелых элементов и смогут бросить якорь на очень далеких «островках стабильности», то их, образно выражаясь, практически сразу смоет в бушующий атомный океан.
