Новые подробности об "охоте" за 120-м элементом таблицы Менделеева

Физики из немецкого Центра исследования тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте (Гессен) при участии российских коллег в субботу начали эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 120 (об этом кратко мы писали здесь), который в случае успеха станет самым тяжелым известным элементом и откроет новый, восьмой период таблицы Менделеева.

В природе не существует элементов с атомными номерами (числом протонов в ядре атома) больше 92, то есть тяжелее урана. Более тяжелые элементы, например плутоний, могут нарабатываться в атомных реакторах, а элементы тяжелее 100-го (фермия) можно получать только на ускорителях, путем бомбардировки мишени тяжелыми ионами. При слиянии ядер мишени и «снаряда» и возникают ядра нового элемента.

Самый тяжелый элемент на настоящее время – 118-й – был получен в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне. В GSI в 1996 году был получен 112-й элемент, который в июле 2010 года был официально назван коперникием.

Нынешний эксперимент будет проходить на линейном ускорителе тяжелых ионов UNILAC, который был запущен в GSI в 1970-е годы и с тех пор неоднократно модернизировался.

Рис. 1. Коперниций – 112-й элемент таблицы
Менделеева (Инфографика. Евгений Иванов).

Прежние попытки

Ученый рассказал, что предыдущая попытка синтеза 120-го элемента была предпринята в Дармштадте в 2007–2008 годах.

Однако тогдашний эксперимент, продолжавшийся 116 дней, не дал результатов. В новом эксперименте, по словам собеседника агентства, вероятность рождения нового элемента выше.

Хофманн отметил, что наряду с немецкими учеными в число участников будущего эксперимента по синтезу 120-го элемента входят их российские коллеги из Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) имени Флерова ОИЯИ.

Один из них, заместитель директора ЛЯР Андрей Попеко, рассказал РИА Новости, что кюрий для эксперимента был получен из Окриджской национальной лаборатории (США) и прежде использовался в экспериментах по синтезу 116-го элемента, который подтвердил результаты, ранее полученные в ОИЯИ.

Мы пойдем другим путем

Попеко сообщил, что российские ученые тоже планируют эксперименты по синтезу 120-го элемента. В Дубне в 2007 году была предпринята попытка получить этот элемент путем обстрела мишени из плутония-244 ионами железа-58, однако ни одного случая рождения нового ядра не было зафиксировано. Теперь физики хотят попробовать новый метод.

Ученый пояснил, что титановый «пар» при температуре 2,5 тысячи градусов, необходимый для получения потока ионов титана, неожиданно оказался очень химически агрессивным и активно соединялся с другими веществами. Пока не удается получить устойчивый поток ионов титана-50.

По словам Хофманна, в качестве «снарядов» будут использоваться ядра хрома-54, а в роли мишени – кюрий-248.

Еще одни конкуренты

Директор GSI Хорст Штёкер (Horst Stoecker), в свою очередь, сообщил РИА Новости, что реакции титана и берклия, а также титана и калифорния (для получения 120-го и 119-го элемента) планирует использовать другая группа, работающая на том же ускорителе UNILAC с детектором TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus).

Руководитель группы Кристоф Дюльманн (Christoph Duellmann), профессор Института ядерной химии университета Майнца, пояснил РИА Новости, что этот детектор был установлен несколько лет назад и на нем удалось исследовать цепочку распада 114-го элемента.

С российским участием в GSI сейчас также осуществляется масштабный проект нового ускорителя тяжелых ионов и антипротонов FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), который создается на базе UNILAC и синхротрона SIS. В проекте участвуют 15 стран, среди которых Франция, Великобритания и Россия. Ожидается, что первые эксперименты здесь пройдут в 2013 году, а полномасштабная работа начнется в 2016 году. Доля России в проекте составляет 17,45%.

Рис. 1. Линейный ускоритель тяжелых
ионов UNILAC в германском исследовательском
центре GSI.

Гонка по таблице и трансфермиевая война

В 1950-е годы между СССР и Западом помимо космической гонки началась гонка за новыми сверхтяжелыми элементами, которые уже нельзя было получать в реакторах. Лидерами в ней были три научных организации – Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), Лаборатория ядерных реакций имени Флерова в ОИЯИ и Центр исследования тяжелых ионов в Дармштадте (GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung).

Все элементы тяжелее 100-го были получены учеными из этих трех центров.

Первый из них 101-й, названный в честь создателя периодической системы химических элементов менделевием, был получен в 1955 году на циклотроне в Беркли путем бомбардировки мишени из эйнштейния ядрами гелия. Полученные ядра нового элемента – менделевия – существовали чуть менее двух часов, а полученные впоследствии другие, более стабильные изотопы – до 28 дней. Позже в этой же лаборатории были получены 102-й и 103-й элемент, названные нобелием и лоуренсием – время жизни их самых устойчивых изотопов не превышало часа.

Вокруг названия этого элемента возникли противоречия – советские физики предложили название «курчатовий», в то время как американские коллеги, получившие этот элемент в 1969 году в реакции калифорния и углерода – «резерфордий». Все это вылилось в конечном итоге в многолетний конфликт, получивший название «трансфермиевой войны», в результате которой элементы со 104-го до 109-го до 1997 года не имели официально признанных названий.

В результате впервые появились национальные варианты таблицы Менделева – в странах советского блока в клетке 104-го элемента стояло обозначение Ku. Американские ученые заявляли, что Игорь Курчатов участвовал в военной ядерной программе и поэтому в его честь не следует называть элемент, что однако им не помешало впоследствии предложить для 106-го элемента имя в честь физика Гленна Сиборга (Glenn Seaborg), участвовавшего в Манхэттенском проекте.

Следующий элемент, 105-й, также был впервые получен в Дубне – в реакции америция и неона в 1968 году, а затем в Беркли – в реакции калифорния и азота в 1970 году. Время жизни самого устойчивого изотопа этого элемента составило лишь 23 часа. Этот элемента тоже оказалось захвачен «трансфермиевой войной» – советские физики предложили назвать его в честь Нильса Бора – «нильсборием» (и в советских учебниках в этой клетке появился символ Ns), а их американские коллеги – в честь германского химика Отто Гана.

В 1974 году американские ученые в Беркли получили 106-й элемент, для которого предложили название сиборгий, что стало первым случаем, когда для химического элемента было предложено имя живущего человека.

Элементы со 107-го по 109-й стали первыми сверхтяжелыми элементами, полученными в немецком центре GSI. Открытия были сделаны с 1981 по 1984 год и были признаны всеми, однако и эти элементы пострадали от «трансфермиевой войны». Комиссия Союза чистой и прикладной химии (IUPAC, ИЮПАК) в 1994 году предложила «сдвинуть» имена, назвав в честь Бора 107-й элемент, а в честь Гана – 108-й, разрешив таким образом коллизию вокруг 105-го элемента, который было предложено назвать в честь Фредерика Жолио-Кюри. Комиссия также предложила для 104-го элемента название дубний (в честь Дубны). Немцы, в свою очередь, предлагали для 108-го элемента название «хассий» в честь земли Гессен (по-латыни Hassie).

Наконец, в 1997 году «трансфермиевая война» была закончена – на генассамблее ИЮПАК стороны пришли к компромиссу – за 104-м элементом было закреплено название резерфордий, 105-й был назван дубнием, 106-й – сиборгием (хотя Сиборг на тот момент был жив), 107-й – борием, 108-й – хассием, а 109-й – мейтнерием в честь австрийского физика Лизы Мейтнер (Lise Meitner).

К острову стабильности

Получать новые сверхтяжелые элементы становилось все сложнее и сложнее – если 101-й элемент менделевий существовал почти месяц, то 109-й мейтнерий – всего лишь 7,6 секунды. Казалось, что скоро время жизни новых более тяжелых элементов сведется к нулю и открывать будет нечего. Однако у ученых была надежда: «остров стабильности», гипотетическая область масс, где сверхтяжелые элементы могли существовать достаточно долго.

Еще в 1930-е годы профессор МГУ Дмитрий Иваненко разработал оболочечную модель строения атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома состоит из «слоев» из нейтронов и протонов. Если оболочки заполнены, то ядро более устойчиво. Таким образом изотопы с ядрами, содержащими определенное количество нейтронов и протонов – «магические числа» – могли существовать достаточно долго.

В конце XX века «выстрелили» немецкие физики из GSI, которые с 1981 по 1996 год получили элементы со 107-го по 112-й. Однако позже первенство у них перехватили российские ученые.

Предыдущий рекорд

Дальше всех в путешествии по таблице Менделеева продвинулись российские ученые из Дубны, где с 1999 по 2010 год были получены все элементы со 114-го по 118-й.

Здесь в 2006 году было официально объявлено об успехе начатого в 2002 году синтеза самого тяжелого на сегодня 118-го элемента. Для этого ученые, которыми руководил академик Юрий Оганесян, обстреливали на циклотроне У-400 мишень из калифорния (предоставленного для эксперимента физиками из американской лаборатории в Ливерморе) ионами кальция-48.

Время жизни этого элемента составляло около 0,9 миллисекунды.

За семь лет до этого вокруг 118-го разыгрался крупнейший в истории научный скандал. Еще в 1999 году ученые из Беркли объявили о получении этого элемента в реакции ядер криптона и свинца. Соответствующая статья была опубликована в престижном научном журнале Physical Review Letters. Однако физикам из Германии и Японии не удалось воспроизвести эти результаты.

Появившиеся подозрения в некорректности данных расследовала специальная комиссия, которая обнаружила, что данные об эксперименте переводил из «сырой» компьютерной формы в доступную человеку руководитель группы Виктор Нинов, выходец из Болгарии, работавший до этого в GSI в эксперименте по синтезу 110-го, 111-го и 112-го элементов.

Были обнаружены замены и перестановки в некоторых строках лог-файлов, сделанные кем-то, кто вошел в систему с аккаунта Нинова. В конце концов, в 2002 году директор лаборатории Беркли официально объявил, что результаты были сфальсифицированы Ниновым. Опубликованные статьи были отозваны из журналов, все результаты, в получении которых Нинов участвовал, были подвернуты пересмотру, а сам он был уволен. Ветераны лаборатории выражали тогда радость, что прежний ее руководитель Сиборг уже скончался и не стал соавтором скандальной статьи.

Заполнение пробела

Последний успешный эксперимент по синтезу сверхтяжелого элемента был также проведен в Дубне, той же группой Оганесяна.

Эксперимент был начат в июле 2009 года. Для синтеза 117-го элемента мишень из 97-го элемента, берклия-249, полученного в Окриджской национальной лаборатории (США), обстреливали ионами кальция-48 на ускорителе У-400. Проблема заключалась в том, что период полураспада берклия составляет 320 дней и нужно было успеть получить результат менее, чем за год, поскольку половина мишени за это время распадется.

Первые ядра 117-го элемента были получены еще в 2009 году, однако ученые долгое время проверяли и анализировали полученные данные. Всего было получено шесть цепочек последовательного распада ядер 117-го элемента, причем удалось получить три разных изотопа нового элемента, а также новые изотопы элементов 115, 113, 111, 109, 107, 105.

Полученные в результате реакции изотопы 117-го элемента с 297 нейтронами в ядре сначала испускали нейтроны, образуя два изотопа – с 294 и с 293 нейтронами в ядре. С них начинались две цепочки распада: «короткая», которую удалось зафиксировать пять раз, и «длинная», замеченная лишь единожды.

В первом случае 293-й изотоп нового элемента, просуществовав семь миллисекунд, испускал альфа-частицу и превращался в ядро 115-го элемента, затем, снова путем альфа-распада, в ядро 113-го элемента, а затем в ядро рентгения, 111-го элемента. Во втором случае ядро 117-го элемента существовало значительно дольше: 31 миллисекунду. Причем, на рентгении цепочка распада не заканчивалась, породив затем ядра мейтнерия, бория и дубния.

Где конец таблицы?

Академик Оганесян в статье, опубликованной в журнале Pure and Applied Chemistry, пишет, что теория квантовой электродинамики и теория атома, созданная Резерфордом, допускает существования атомов с числом протонов в ядре, равном 170 и даже больше. То есть, теоретически, таблица Менделеева может продолжаться до 170-й клетки.

Теория «острова стабильности» указывает на возможность существования сверхтяжелых ядер с числом протонов 120 или 122, которые за счет эффекта замкнутых оболочек могут существовать десятки и сотни лет.

Академик Борис Мясоедов, глава секции химии Отделения химии и наук о материалах РАН, в феврале 2009 года заявлял, что ученые обсуждают теоретическую возможность расширения таблицы Менделеева до 150 элементов.

Источник(и):

1. РИА Новости