В каждом кабинете химии, в каждой школе, в любой стране мира есть Периодическая таблица химических элементов. Раз в несколько лет эта химическая азбука, созданная русским химиком Дмитрием Менделеевым, пополняется новыми элементами-клеточками. Давайте разберёмся, что стоит за этими необычными изменениями в Периодической таблице.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(18). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

30 декабря 2015 года ИЮПАК официально признал открытие 113-го элемента и приоритет в этом учёных из RIKEN (институт физико-химических исследований). Таким образом, 113-й элемент стал первым, открытым в Японии и вообще в азиатской стране

Поводом для внимания к Периодической таблице стали не столь давние события, когда 28 ноября 2016 года объявили о появлении сразу четырёх (!) новых элементов. Конечно, они были известны и ранее, но вот имена собственные обрели только в конце прошлого года. Первенцем стал элемент нихоний (Nh) под номером 113, именовавшийся ранее унунтрием или эка-таллием. Имя он получил от японского «нихон», что означает «Страна восходящего солнца» и стал фактическим представителем этого государства в химической азбуке.

Кстати, а кто присваивает имена элементам? За это отвечает существующий уже почти сто лет Международный союз теоретической и прикладной химии или ИЮПАК (IUPAC — International Union of Pure and Applied Chemistry). Входящие в ИЮПАК солидные учёные с мировыми именами разрабатывают правила наименований химических соединений и элементов. Именно они выбрали для номера 113, синтезированного в японском институте РИКЕН, название нихоний. И клеточка 115, с расположенным в ней элементом, также получила название в честь географического объекта — московий (Mc). Московскую область отметили за расположенный на её территории наукоград Дубна, где находится Объединённый институт ядерных исследований — один из мировых центров «элементорождения». Ранее московий называли забавным словом унунпентий, а в некоторых случаях и эка-висмутом величали. 

Американский штат Теннесси дал название 117 элементу, который ранее именовался унунсептий или эка-астат. Теперь это теннесин (Ts) и он отражает заслуги в исследованиях сверхтяжёлых элементов мирового масштаба Окриджской национальной лаборатории, Университета Вандербильта и Университета Теннесси в Ноксвилле. И, наконец, оганессон (Og), он же в прошлом унуноктий или эка-радон — элемент №118, названный в честь известного академика Юрия Оганесяна из дубнинского Объединённого института ядерных исследований. Это, кстати, второй в истории случай, когда элемент называют именем здравствующего учёного, первым стал в 1997 году Нобелевский лауреат из США Гленн Сиборг, который, собственно, и начал мировую трансурановую гонку.

Элемент №92 — уран (U), своеобразный металл, делящий Периодическую таблицу на обычные и трансурановые элементы. Важно знать, что все «трансураны», начиная с №93, в природе практически отсутствуют и получать их приходится искусственно с помощью ядерных реакций. Первенцем подобных элементов стал нептуний (Np), синтезированный в 1940 году командой исследователей под руководством упомянутого Гленна Сиборга и Эдвина Макмиллана. Случилось это в США в национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли — первого центра синтеза новых элементов. Метод, применяемый для получения нептуния теоретически прост: необходимо просто бомбардировать уран нейтронами, один из которых превращается в ядре в протон, электрон и антинейтрино. Последние два долго не задерживаются и вылетают вон, а протон остаётся и увеличивает заряд ядра на единицу.

Так и получают новый элемент нептуний. Кстати, полезен он человечеству только тем, что из него синтезируют следующий «трансуран» №94 плутоний (Pu), наверное, самый зловещий элемент в истории. Именно на его основе изготавливают атомные бомбы, и сброшенная на японский Нагасаки 9 августа 1945 года была из их числа. 

Из всех трансурановых элементов широкое применение получил лишь плутоний — он используется в космонавтике, в атомных реакторах, а также в качестве ключевого компонента в производстве ядерного оружия

Но есть у Pu (точнее, его изотопа-239) и мирная профессия в энергетике в качестве топлива атомных электростанций. Сугубо мирно применяется и элемент №95 америций (Am) в… детекторах дыма. Дело в том, что все трансурановые элементы радиоактивны и их излучение способно при определённых условиях создавать небольшой электрический ток. При попадании дыма на микроскопическое количество изотопа америция-241, ток в детекторе уменьшается и срабатывает аварийная сигнализация. Такая схема позволяет создавать чрезвычайно чувствительные приборы обнаружения задымления. 

При получении кюрия (Cm) №96 учёные в 1944 году использовали несколько иной способ: бомбардировали плутоний ядрами гелия. Получился очень дорогой элемент, используемый в малогабаритных «ядерных батарейках» — из 1 г кюрия можно получить 120 Вт энергии. Гленн Сиборг значится в числе первооткрывателей­ ­­­Берклия (Bk) под номером 97, год рождения которого 1949. Интересно, что для его синтеза несколько лет копили америций, а потом его обстреляли альфа-частицами (атомами гелия). Берклий, почти бесполезный элемент и при этом безумно дорогой, используется для получения следующего собрата по Периодической таблице — калифорния (Cf). Изотоп калифорний-252 очень важен для онкобольных как мощнейший источник нейтронов, уничтожающих злокачественные опухоли. Что будет, если обстрелять калифорний-249 кальцием? Получится новейший 118‑й элемент оганессон. Вот так сложно переплетены взаимоотношения в мире сверхтяжёлых элементов.

Законы природы таковы — ядро трансуранового элемента очень нестабильно и с повышением массы время его жизни, как правило, стремительно падает. Если у урана период полураспада (время, за которое распадается ровно половина атомов радиоактивного изотопа) порядка 700 млн лет, то 111‑й рентгений (Rg) аналогичный период проходит всего за 26 секунд. Поэтому, начиная с менделеевия (Md) под номером 101, трансурановые элементы не имеют значимого применения на практике. Их жизнь настолько коротка, что учёные порой едва успевают выявить характер их свойств. 

Зачем же тогда нужна вся эта история с чрезвычайно дорогим синтезом? Неужели Германия, Россия, США и Япония тратят миллионы на удовлетворение пустого любопытства группы учёных? Во-первых, крайне важен ответ на вопрос: а есть предельный или конечный элемент и каковы будут его свойства? К примеру, крайний на данный момент 118‑й элемент оганессон по химическим свойствам очень похож на инертные газы, поэтому и суффикс «-он» получил по аналогии с неоном, криптоном… И учёные уверены, что это не предел и впереди элементы 119, 120, 121. 

Во-вторых, синтез сверхтяжёлых элементов приводит к неожиданным открытиям. Оказывается, правило «чем тяжелее элемент, тем короче его жизнь» применимо до 113‑го элемента (нихоний, если кто забыл) включительно. А дальнейшее углубление открыло миру «островки стабильности» с ядрами-долгожителями, например, 114‑й флеровий имеет нетипично большой период полураспада — 2,7 секунды. Всё это даёт надежду, что в будущем получат сверхтяжёлые элементы с уникальными свойствами и с приемлемой длительностью существования. 

Третьей причиной, почему нужно заниматься сложным синтезом элементов являются побочные эффекты физики высоких энергий. Загибайте пальцы: новые материалы, сверхчувствительные детекторы, явление сверхпроводимости, современная электроника, методы томографии — всё это так или иначе связано с фундаментальными исследованиями новых элементов. 

И наконец, синтезировать новый элемент становится очень престижно для государства. Мировые лидеры в этом вопросе США и Россия, но, к примеру, Германия, присоединившаяся в 60‑х годах к трансурановой гонке, смогла получить целых шесть элементов — со 107‑го по 112‑й. А Япония позднее всех осознала необходимость подобных исследований и пока довольствуется одним местом в Периодической таблице. Но каждый новый элемент создаётся всё сложнее и дороже, поэтому и существуют так называемые научные коллаборации — объединение усилий нескольких институтов и даже стран для решения проблемы синтеза. Быть может, в будущем достижения физики высоких энергий станут заслугой всех стран мирового сообщества. И тогда, возможно, поводов для взаимных конфликтов станет меньше.